長波QWIP-LED量子阱紅外探測器杜瓦研制

陳俊林,王小坤,曾智江,孫 聞,張冬冬,甄紅樓,李 雪

(1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室,上海 200083；2.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 紅外探測與成像技術(shù)重點實驗室,上海 200083；3.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 紅外物理國家重點實驗室,上海 200083)

1 引 言

熱成像領(lǐng)域中,QWIP-LED器件具有較大的后發(fā)優(yōu)勢。Liu等人在1995年首次實現(xiàn)器件模型并進(jìn)行了長期的改進(jìn)和優(yōu)化[1],N型QWIP-LED器件已由國內(nèi)相關(guān)研究人員成功的研制,其波長為876 nm的近紅外光由波長為8.9 μm的中波紅外轉(zhuǎn)換而成?；赒WIP-LED/CCD的紅外成像系統(tǒng)首先利用QWIP-Led將收集到的中長波紅外光轉(zhuǎn)換成紅外光并將其出射,然后由CCD收集近紅外光,實現(xiàn)電子學(xué)圖像的獲取,因QWIP-LED基于無分像元結(jié)構(gòu),同時不需要集成電子學(xué)讀出電路,與InSb、HgCdTe等傳統(tǒng)紅外熱成像器件相比,具有易于大面陣化、低成本等優(yōu)點。

QWIP-LED存在的意義在于,它改變了中長波紅外探測器只能使用高工藝難度的傳統(tǒng)紅外焦平面器件的現(xiàn)狀,通過自身的紅外上轉(zhuǎn)換功能,使得使用商用Si圖像探測器進(jìn)行中長波紅外探測器成為可能,為紅外成像探測提供一種低成本的替代方案。[2]

隨著波長向長波擴(kuò)展及探測靈敏度的提高,長波QWIP-LED量子阱探測器必須工作在深低溫下,機械制冷具有微型化、小型化、可控性強和效率高等優(yōu)點,因此廣泛應(yīng)用于航天航空探測器封裝應(yīng)用中,并且常通過真空杜瓦封裝[3]。文中主要介紹長波QWIP-LED量子阱器件杜瓦組件的研制情況。

2 設(shè) 計

2.1 器件結(jié)構(gòu)

用傳統(tǒng)的光刻、腐蝕等方法制備了臺面型器件,如圖1所示。上面鍍有環(huán)狀上電極,上電極采用AuGeNi/Au制備,器件的下電極采用Ti/Pt/Au 材料制備。

圖1 器件臺面結(jié)構(gòu)示意圖

小面積樣片臺面的大小為1.26 cm×1.1 cm,器件有效光出射窗口為1.0 cm×1.0 cm,最終應(yīng)用的大面積器件,其臺面的大小為1.8 cm×1.7 cm上、下電極均為環(huán)狀,中間器件的有效發(fā)光面的大小為1.5 cm×1.5 cm。

2.2 管殼結(jié)構(gòu)

(1)結(jié)構(gòu)說明及互換性設(shè)計

多數(shù)的探測器安裝一般是用低溫膠膠接在冷頭上,利用大視場顯微鏡對中操作,并經(jīng)過長時間固化操作,當(dāng)需要更換探測器或者對損傷探測器進(jìn)行機理分析時,探測器的取下工藝難度較大,且需要高溫加熱冷頭,探測器溫度過高會導(dǎo)致探測器概率性失效,特別是產(chǎn)品研制初級階段,需要對探測器失效進(jìn)行反復(fù)拆裝。

為提高探測器的使用效率,降低因為更換探測器引起的杜瓦制備成本,設(shè)計了一種高互換性的管座,如圖2所示,引線針采用玻璃珠燒結(jié),采用整體鍍金降低表面發(fā)射率,芯片寶石片通過低溫膠膠接在管座上,一體化管座通過大視場顯微鏡對中螺接在冷頭上,更換器件只需更換管座即可。

圖2 高互換性管座

(2)熱失配分析

芯片材料不同,材料參數(shù)不同,特別是低溫環(huán)境下,不同材料相互間的熱失配會導(dǎo)致芯片在不同方向上發(fā)生相當(dāng)?shù)膽?yīng)力分布和應(yīng)變變化[4]。

芯片工作溫度65 K,芯片熱功率202 mW。芯片為GaAs襯底,寶石電極板為AL2O3材料,比較Al2O3和GaAs的熱膨脹系數(shù),Al2O3的熱膨脹系數(shù)大于GaAs,在低溫下GaAs比Al2O3收縮得更厲害,它們的組合結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生中間向上凸起的形變,由于GaAs襯底的強度是比較低,非常容易損壞[5]。冷頭-管座-芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。材料的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖3 冷頭-管座-芯片結(jié)構(gòu)

表1 材料的相關(guān)參數(shù)

焦平面模塊粘接到寶石電極板上面,由于冷頭采用紫銅材料,如果將寶石片直接膠接在冷頭上,由于冷頭的熱膨脹系數(shù)比寶石片大,低溫下紫銅比Al2O3收縮得更厲害,這種情況下,整體產(chǎn)生向上的張應(yīng)力。

由于管座采用熱膨脹系數(shù)很低的因瓦,紫銅受到的應(yīng)力要比GaAs襯底下表面受到的應(yīng)力比大,因瓦的上表面與寶石片之間為膠接,因瓦在低溫下對寶石電極板會產(chǎn)生向下的拉扯,形變上表現(xiàn)為下凹,GaAs襯底產(chǎn)生壓應(yīng)力,張應(yīng)力從而被部分消減。經(jīng)過分析對比,管座厚度1.5 mm,芯片的低溫應(yīng)力最小,最大應(yīng)力(光敏元區(qū)域)為27 MPa,滿足要求,熱失配較小,器件能夠正常工作,如圖4所示。

圖4 芯片應(yīng)力分布

2.3 杜瓦結(jié)構(gòu)

(1)結(jié)構(gòu)說明

杜瓦采用側(cè)罩式設(shè)計,如圖5所示,制冷機冷量由芯柱傳輸?shù)嚼淦脚_(冷頭),芯柱采用Tc4材料,冷平臺(冷頭)材料采用紫銅材料,冷平臺(冷頭)與探測器寶石片之間通過因瓦管座螺接,螺栓預(yù)緊力控制在5 cN·m,冷平臺(冷頭)與管座之間通過銦片接觸,光信號從紅外窗口進(jìn)入,近紅外窗口透出,采用電鑄冷屏外表面鍍金內(nèi)表面發(fā)黑,以降低背景輻射導(dǎo)致的器件暗電流,將探測器封裝在高真空環(huán)境下,探測器信號通過引線引出[6]。

圖5 杜瓦結(jié)構(gòu)示意圖

(2)低冷損設(shè)計

冷損(也被稱做漏熱)是杜瓦的一個重要參數(shù),杜瓦的漏熱由四部分組成:熱傳導(dǎo)漏熱、輻射漏熱、焦耳漏熱和對流漏熱。焦耳漏熱跟自身的額定功率有關(guān)。對流漏熱由杜瓦的真空度決定,杜瓦激光密封后要對其進(jìn)行高真空烘烤排氣,排氣口相應(yīng)位置真空度可達(dá)到10-6Pa,夾封后杜瓦工作時其內(nèi)部真空度一般也小于1×10-4Pa,對流漏熱非常小,可以忽略不計,其中熱傳導(dǎo)漏熱最重要的部分[7]。較低的冷損是杜瓦設(shè)計、研制的重要目標(biāo)之一,低冷損可以顯著降低對制冷機制冷性能及系統(tǒng)功耗的要求。

紅外上轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)只有兩個電極,僅有兩根引線,芯柱傳導(dǎo)漏熱在整個熱傳導(dǎo)中占比最大,TC4材料具有較小的熱傳導(dǎo)系數(shù),質(zhì)量更小,是理想的芯柱材料[8]。由于杜瓦芯柱的截面都非常小,而且同為軸對稱結(jié)構(gòu),可將其導(dǎo)熱簡化為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型,一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)公式為:

綜上所述,估算液氮溫度下,采用TC4材料的芯柱材料的固體傳導(dǎo)漏熱大約為160 mW,相對于國內(nèi)傳統(tǒng)不銹鋼芯柱傳導(dǎo)漏熱318 mW降低50 %左右,杜瓦整體漏熱也因此減小。

3 性能指標(biāo)

通過對低寄生熱負(fù)載、探測器高互換性和高可靠性等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān),QWIP-Led量子阱探測器杜瓦組件成像效果良好,其主要指標(biāo)情況如表2所示,杜瓦封裝后如圖6所示。

表2 主要性能指標(biāo)

圖6 杜瓦組件照片

4 成像試驗

基于紅外上轉(zhuǎn)換探測器采用光學(xué)讀出代替了傳統(tǒng)的電學(xué)讀出,因此在系統(tǒng)光學(xué)包括杜瓦窗口、成像透鏡,以及CCD的選擇和匹配也將是總體方案需要關(guān)注的。成像演示系統(tǒng)由主光學(xué)系統(tǒng)、冷光闌、基于紅外上轉(zhuǎn)換的探測器、小型深低溫制冷機和CCD探測系統(tǒng)組成。

工作在紅外波段的主光學(xué)系統(tǒng),收集目標(biāo)輻射的紅外能量,成像在紅外上轉(zhuǎn)換器件上。圖7為2.0 V-13 mA-62 K下成像效果。

圖7 成像效果

5 結(jié) 論

作為紅外成像探測的一種低成本的替代方案,QWIP-LED量子阱探測器改變了中長波紅外探測器只能使用工藝難度較高的傳統(tǒng)紅外焦平面器件的現(xiàn)狀,其杜瓦的工程封裝非常急切。在長波QWIP-LED量子阱探測器的杜瓦研制中,詳細(xì)闡明了一種側(cè)罩式結(jié)構(gòu)——光信號從紅外窗口進(jìn)入,近紅外窗口透出。著重解決了低冷損設(shè)計、探測器互換性設(shè)計和芯片熱失配設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù),封裝后的長波QWIP-LED量子阱探測器杜瓦組件成像效果良好。