熱電制冷HgCdTe中波紅外探測器的研制

蘇玉輝，馮江敏，趙維艷，龔曉霞，馬 啟，鄧功榮，余連杰

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熱電制冷HgCdTe中波紅外探測器的研制

蘇玉輝，馮江敏，趙維艷，龔曉霞，馬 啟，鄧功榮，余連杰

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

利用碲鎘汞（HgCdTe）體晶材料，采用HgCdTe材料拼接技術、磨拋技術等成熟的探測器芯片制備工藝以及三級熱電制冷技術，設計并研制出了熱電制冷型13元HgCdTe中波紅外光導探測器。在－50℃時，峰值電壓響應率可達2.7×104V/W，峰值探測率達到2.3×1010cm·Hz1/2·W－1，響應波段在3.0～4.6mm之間，峰值響應波長為4.2mm。

紅外探測器；碲鎘汞；熱電制冷

0 引言

中波紅外（3～5mm）是重要的軍用紅外探測波段，在紅外熱成像、紅外制導等方面有獨特優(yōu)勢。碲鎘汞（HgCdTe）材料是重要的紅外探測器材料之一，HgCdTe紅外探測器具有探測靈敏度高、響應速度快、響應波段范圍可調等特點，已廣泛應用于紅外成像、制導和航天遙感等軍事和民用領域。中波HgCdTe紅外探測器的工作溫度較高（可在150K左右工作）[1]。第一代碲鎘汞紅外探測器主要是多元光導型，但是第一代碲鎘汞光導探測器大都需要制冷到低溫下工作。

熱電制冷型紅外探測器具有制冷速度快、工作溫度高、響應速度快等特點。利用一級或多級熱電制冷的高工作溫度紅外探測器兼顧了制冷型光子探測器和非制冷型熱探測器的優(yōu)點，并且探測器的性能比非制冷型的熱探測器要高，響應速度快。近年來，采用熱電制冷的高工作溫度紅外探測器得到了飛速發(fā)展[2-3]。2005年前后，國內制出熱電制冷單元HgCdTe光導型紅外探測器，工作溫度達到250K以上，主要應用于火車熱軸測溫報警和油氣管道監(jiān)測等領域[4]。2010年，國內對熱電制冷中波紅外探測器應用到末敏彈領域進行了研究，熱電制冷中波紅外探測器在在兩級制冷230 K的情況下，響應時間和探測率上的性能都遠優(yōu)于單元熱釋電探測器[5]。

本文利用HgCdTe體晶材料，通過材料拼接和磨拋技術，制備了13元HgCdTe中波光導探測器，利用三級熱電制冷器技術，在－50℃時研究了探測器響應率、探測率和光譜響應范圍，探測器的性能可滿足彈載應用。

1 實驗

研制的熱電制冷型HgCdTe紅外探測器主要由多元光導型紅外探測器芯片、熱電制冷器、測溫二極管、管座、管帽（含紅外窗片）等組成，其結構如圖1所示。HgCdTe探測器芯片光敏元數(shù)為13元，探測器芯片粘接在熱電制冷器的冷端面上，然后一起粘接在管座上，最后通過管帽封閉在密閉氮氣空間內。芯片的各探測元、熱電制冷器的正負電極通過管座的對應管腳引出。

圖1 探測器封裝結構示意圖

所設計的熱電制冷型多元光導型HgCdTe紅外探測器的探測元數(shù)為13元線列，光敏元尺寸為300μm。采用HgCdTe體晶材料，經過光刻、鍍膜、刻蝕、成型等工藝，制備出多元光導型HgCdTe紅外探測器芯片。由于13元探測器芯片的總長度超過單片材料的長度，因此要采用拼接方法，把兩片材料粘接在一起。其關鍵的技術是兩片之間的間距應盡可能小，材料的厚度差異小。

良好的材料表面是提高探測器性能的關鍵，因此首先對材料表面處理，包括研磨、拋光、腐蝕、清洗、表面鈍化等。為了提高器件性能，對于每一個單片材料，在流通工藝前都要進行一系列的表面處理，其中磨拋是最關鍵的一步。先對第一面進行研磨、拋光處理，在高倍顯微鏡下觀察無劃痕、坑點等缺陷后，對材料進行腐蝕，清洗等處理。對表面鈍化后的材料進行光刻，然后刻蝕出所需的光敏面形狀。最后采用鉻金合金制備出探測器的電極。把探測器芯片封裝到變溫液氮杜瓦瓶進行中測篩選。用控溫儀將溫度控制到－50℃，采用500K的標準黑體輻射測試器件信號。

封裝時首先把三級熱電制冷器粘接在管座上，把電極引線焊接在管座接線柱上。然后把經過中測篩選合格的HgCdTe芯片粘接在三級熱電致冷器的表面，把探測器電極引線焊接在管座接線柱上。最后封裝上帶有寶石窗片的窗帽，探測器密封。工作時，利用管座上對應的各個接柱，分別給制冷器和探測器加工作偏壓或偏流，利用三級熱電制冷器制冷到工作溫度。為了提高制冷效率，把封裝后的探測器組件固定在金屬散熱塊上。如圖2所示。

熱電制冷（TEC）是利用塞貝克效應進行制冷[5-7]。當在TEC兩端加直流工作電壓時，其正面制冷（制冷），背面發(fā)熱（熱端）。利用導電膠把探測器粘接在冷端，金屬散熱塊固定在熱端。通過調整TEC兩端的電壓值，可控制其制冷溫度，使探測器穩(wěn)定工作在所需要的溫度（如－30℃、－50℃等）。由于紅外探測器的響應率與工作溫度有關，在一定的溫度范圍內，探測器的工作溫度越低，其響應率越大[8]。因此，TEC制冷可以降低紅外探測器的噪聲，提高其探測率和響應率。

設計并聯(lián)系國內專業(yè)廠家制備三級熱電制冷器，用于13元線列熱電制冷HgCdTe中波紅外探測器，其制冷溫度可達－50℃。

2 結果與討論

給制冷器通電（最大工作電壓≤8.6V，最大工作電流≤1.5A），待溫度冷卻到－50℃后，給探測器加恒定偏流工作。在調制頻率＝1000Hz，外加偏置電流B＝1mA的條件下，標準黑體輻射源B＝500K，利用鎖相放大器測量了熱電制冷型多元光導型HgCdTe中波紅外探測器的響應率和探測率。利用紅外探測器光譜響應測試系統(tǒng)，測量了探測器的相對光譜響應曲線。探測器的電阻、響應率和探測率等測試結果見表1。

2.1 電壓響應率

用圖3所示的紅外探測器測試系統(tǒng)測量了熱電制冷型多元光導型HgCdTe中波紅外探測器的響應率。打開光學調制器電源，將調整頻率設置為＝1000Hz，利用鎖相放大器測量探測器的黑體信號電壓值S，探測器的黑體電壓響應率v如式(1)所示[6]：

圖2 加裝散熱塊的熱電制冷HgCdTe紅外探測器

表1 HgCdTe探測器性能參數(shù)測試表

圖3 HgCdTe紅外探測器測試系統(tǒng)示意圖

式中：為黑體輻照度，W/cm2；S為電壓信號，V；d為光敏面標稱面積，cm2。

在－50℃，4.2mm峰值波長條件下，熱電制冷型多元光導型HgCdTe中波紅外探測器的平均峰值響應率為2.0×104V/W，最大達到2.7×104V/W。

2.2 探測率

將器件蓋上屏蔽罩，調節(jié)鎖相放大器的參考頻率到需要值，調節(jié)時間常數(shù)c，通過計算得到其帶寬Δ值（鎖相放大器的帶寬為Δ＝1/(8c)），由鎖相放大器測量出＝1000Hz的噪聲電壓N。利用公式(2)計算出其探測率[6]：

式中：D為帶寬，Hz；N為噪聲電壓，V。

熱電制冷型多元光導型HgCdTe中波紅外探測器的平均峰值探測率為1.8×1010cmHz1/2/W。

2.3 光譜響應曲線

DSR100IR-B紅外探測器光譜響應測試系統(tǒng)的光源是硅碳棒，紅外光源經調制后，入射到光柵上，再經過光柵分光后輸出入射到探測器上。利用標定過的熱釋電探測器作為標準探測器，其光譜響應曲線和光譜響應率已知。打開DSR100IR-B紅外探測器光譜響應測試系統(tǒng)的總電源開關后，開啟紅外光源冷卻系統(tǒng)，然后再打開紅外光源的電源開關，光源預熱30min。打開軟件，進入測試軟件操作界面，連接全部儀器設備。首先移入熱釋電探測器到光源出孔位置，并進行上下、左右和前后調節(jié)，使其信號最大，記下標準熱釋電探測器的位置。然后移開標準熱釋電探測器，把HgCdTe中波紅外探測器移入到光源出孔位置，并進行上下、左右和前后調節(jié)，使其信號最大，記下待測探測器的位置。設定測量波長范圍（3～5mm）、采集步長和定標掃描模式后，利用軟件控制鎖相放大器自動采集標準探測器和待測探測器的響應光電流，完成光譜掃描，并進行數(shù)據(jù)處理。將待測探測器信號和標準探測器的標定數(shù)據(jù)對比，得到待測探測器的光譜響應度曲線。通過DSR100IR-B紅外探測器光譜響應測試系統(tǒng)的控制軟件自動計算出被測探測器的光譜響應，然后進行歸一化處理后得到熱電制冷型多元光導型HgCdTe中波紅外探測器的歸一化光譜響應曲線，如圖4所示。其響應波段范圍在3.0～4.6mm（前后截止波長均按峰值響應的50%計），峰值波長約4.2mm。

圖4 熱電制冷中波HgCdTe紅外探測器的光譜響應曲線

由于利用單色儀測試探測器的光譜響應曲線時，設置每間隔0.1mm的波長采集一個點，而且探測器的絕對信號較小（微伏量級），易受背景干擾的影響波動，引起其光譜響應信號波動，導致其光譜響應曲線出現(xiàn)抖動，但其測試誤差不超過±0.1mm。

3 結論

研制出三級熱電制冷13元線列中波HgCdTe紅外探測器，工作溫度－50℃時，測量了探測器的響應率、探測率和光譜響應曲線等參數(shù)。結果表明，13元線列中波HgCdTe紅外探測器的峰值電壓響應率可達2.7×104V/W，峰值探測率達到2.3×1010cm·Hz1/2×W－1，響應波段范圍在3.0～4.6mm。

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Thermoelectric-Cooled HgCdTe MWIR Detectors

SU Yuhui，F(xiàn)ENG Jiangmin，ZHAO Weiyan，GONG Xiaoxia，MA Qi，DENG Gongrong，YU Lianjie

(,650223,)

By using bulk HgCdTe crystal materials, the detector chip preparation process including HgCdTe material splicing and polishing technology, and three-stage thermoelectric refrigeration technology, a thermoelectric-refrigerator-type 13-pixel HgCdTe photoconductive mid-wavelength infrared detector is designed and manufactured. At a temperature of －50℃, the peak voltage response can reach 2.7×104V/W, the peak detection reaches 2.3×1010cm·Hz1/2·W－1, and the response band is in the range of 3.0-4.6mm with a peak response wavelength of 4.2mm.

infrared detectors，HgCdTe，thermoelectric cooled

TN304.8

A

1001-8891(2017)08-0700-04

2016-10-15；

2017-08-02.

蘇玉輝（1978-），男，云南宜良人，高級工程師，主要研究方向為紅外探測器。E-mail：46409201@qq.com。