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(shù)、磨拋技術(shù)等成熟的探測器芯片制備工藝以及三級(jí)熱電制冷技術(shù)，設(shè)計(jì)并研制出了熱電制冷型13元HgCdTe中波紅外光導(dǎo)探測器。在－50℃時(shí)，峰值電壓響應(yīng)率可達(dá)2.7×104V/W，峰值探測率達(dá)到2.3×1010cm·Hz1/2·W－1，響應(yīng)波段在3.0～4.6mm之間，峰值響應(yīng)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(dǎo)等方面有獨(dú)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(yīng)速度快、響應(yīng)波段范圍可調(diào)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于紅外成像、制導(dǎo)和航天遙感等軍事和民用領(lǐng)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(dǎo)型，但是第一代碲鎘汞光導(dǎo)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(yīng)速度快等特點(diǎn)。利用一級(jí)或多級(jí)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(diǎn)，并且探測器的性能比非制冷型的熱探測器要高，響應(yīng)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(nèi)制出熱電制冷單元HgCdTe光導(dǎo)型紅外探測器，工作溫度達(dá)到250K以上，主要應(yīng)用于火車熱軸測溫報(bào)警和油氣管道監(jiān)測等領(lǐng)域[4]。2010年，國內(nèi)對(duì)熱電制冷中波紅外探測器應(yīng)用到末敏彈領(lǐng)域進(jìn)行了研究，熱電制冷中波紅外探測器在在兩級(jí)制冷230 K的情況下，響應(yīng)時(shí)間和探測率上的性能都遠(yuǎn)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(shù)，制備了13元HgCdTe中波光導(dǎo)探測器，利用三級(jí)熱電制冷器技術(shù)，在－50℃時(shí)研究了探測器響應(yīng)率、探測率和光譜響應(yīng)范圍，探測器的性能可滿足彈載應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

研制的熱電制冷型HgCdTe紅外探測器主要由多元光導(dǎo)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(jié)構(gòu)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?dú)饪臻g內(nèi)。芯片的各探測元、熱電制冷器的正負(fù)電極通過管座的對(duì)應(yīng)管腳引出。

圖1 探測器封裝結(jié)構(gòu)示意圖

所設(shè)計(jì)的熱電制冷型多元光導(dǎo)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(jīng)過光刻、鍍膜、刻蝕、成型等工藝，制備出多元光導(dǎo)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(guān)鍵的技術(shù)是兩片之間的間距應(yīng)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(guān)鍵，因此首先對(duì)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(duì)于每一個(gè)單片材料，在流通工藝前都要進(jìn)行一系列的表面處理，其中磨拋是最關(guān)鍵的一步。先對(duì)第一面進(jìn)行研磨、拋光處理，在高倍顯微鏡下觀察無劃痕、坑點(diǎn)等缺陷后，對(duì)材料進(jìn)行腐蝕，清洗等處理。對(duì)表面鈍化后的材料進(jìn)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(jìn)行中測篩選。用控溫儀將溫度控制到－50℃，采用500K的標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射測試器件信號(hào)。

封裝時(shí)首先把三級(jí)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(jīng)過中測篩選合格的HgCdTe芯片粘接在三級(jí)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(shí)，利用管座上對(duì)應(yīng)的各個(gè)接柱，分別給制冷器和探測器加工作偏壓或偏流，利用三級(jí)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(yīng)進(jìn)行制冷[5-7]。當(dāng)在TEC兩端加直流工作電壓時(shí)，其正面制冷（制冷），背面發(fā)熱（熱端）。利用導(dǎo)電膠把探測器粘接在冷端，金屬散熱塊固定在熱端。通過調(diào)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(yīng)率與工作溫度有關(guān)，在一定的溫度范圍內(nèi)，探測器的工作溫度越低，其響應(yīng)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(yīng)率。

設(shè)計(jì)并聯(lián)系國內(nèi)專業(yè)廠家制備三級(jí)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(dá)－50℃。

2 結(jié)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(diào)制頻率＝1000Hz，外加偏置電流B＝1mA的條件下，標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)型HgCdTe中波紅外探測器的響應(yīng)率和探測率。利用紅外探測器光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)，測量了探測器的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線。探測器的電阻、響應(yīng)率和探測率等測試結(jié)果見表1。

2.1 電壓響應(yīng)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(dǎo)型HgCdTe中波紅外探測器的響應(yīng)率。打開光學(xué)調(diào)制器電源，將調(diào)整頻率設(shè)置為＝1000Hz，利用鎖相放大器測量探測器的黑體信號(hào)電壓值S，探測器的黑體電壓響應(yīng)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(hào)，V；d為光敏面標(biāo)稱面積，cm2。

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

2.2 探測率

將器件蓋上屏蔽罩，調(diào)節(jié)鎖相放大器的參考頻率到需要值，調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)c，通過計(jì)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(jì)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(dǎo)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(yīng)曲線

DSR100IR-B紅外探測器光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)的光源是硅碳棒，紅外光源經(jīng)調(diào)制后，入射到光柵上，再經(jīng)過光柵分光后輸出入射到探測器上。利用標(biāo)定過的熱釋電探測器作為標(biāo)準(zhǔn)探測器，其光譜響應(yīng)曲線和光譜響應(yīng)率已知。打開DSR100IR-B紅外探測器光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)的總電源開關(guān)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(guān)，光源預(yù)熱30min。打開軟件，進(jìn)入測試軟件操作界面，連接全部儀器設(shè)備。首先移入熱釋電探測器到光源出孔位置，并進(jìn)行上下、左右和前后調(diào)節(jié)，使其信號(hào)最大，記下標(biāo)準(zhǔn)熱釋電探測器的位置。然后移開標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行上下、左右和前后調(diào)節(jié)，使其信號(hào)最大，記下待測探測器的位置。設(shè)定測量波長范圍（3～5mm）、采集步長和定標(biāo)掃描模式后，利用軟件控制鎖相放大器自動(dòng)采集標(biāo)準(zhǔn)探測器和待測探測器的響應(yīng)光電流，完成光譜掃描，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。將待測探測器信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)探測器的標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比，得到待測探測器的光譜響應(yīng)度曲線。通過DSR100IR-B紅外探測器光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)的控制軟件自動(dòng)計(jì)算出被測探測器的光譜響應(yīng)，然后進(jìn)行歸一化處理后得到熱電制冷型多元光導(dǎo)型HgCdTe中波紅外探測器的歸一化光譜響應(yīng)曲線，如圖4所示。其響應(yīng)波段范圍在3.0～4.6mm（前后截止波長均按峰值響應(yīng)的50%計(jì)），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(yīng)曲線

由于利用單色儀測試探測器的光譜響應(yīng)曲線時(shí)，設(shè)置每間隔0.1mm的波長采集一個(gè)點(diǎn)，而且探測器的絕對(duì)信號(hào)較?。ㄎ⒎考?jí)），易受背景干擾的影響波動(dòng)，引起其光譜響應(yīng)信號(hào)波動(dòng)，導(dǎo)致其光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)抖動(dòng)，但其測試誤差不超過±0.1mm。

3 結(jié)論

研制出三級(jí)熱電制冷13元線列中波HgCdTe紅外探測器，工作溫度－50℃時(shí)，測量了探測器的響應(yīng)率、探測率和光譜響應(yīng)曲線等參數(shù)。結(jié)果表明，13元線列中波HgCdTe紅外探測器的峰值電壓響應(yīng)率可達(dá)2.7×104V/W，峰值探測率達(dá)到2.3×1010cm·Hz1/2×W－1，響應(yīng)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(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榧t外探測器。E-mail：46409201@qq.com。