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红外探测技术是第二次世界大战后期发展的新技术，早期主要应用于军事领域，如导弹制导、红外观瞄等[1]。近十几年，随着技术的不断进步和成熟，商用和民用领域对红外设备的需求开始凸显，如气体污染物监测、森林防火、气象监测、天文观测、汽车辅助驾驶以及医学红外成像等。目前商用和民用领域出于成本和可靠性考虑，主要使用可以在常温温度下工作的非制冷型红外探测器，但这一类探测器动态响应速度慢、探测距离近，并不能满足高性能的应用需求。高性能红外探测器通常为光子探测器，材料内部电荷载流子发热会增大光子探测器的噪声，因此必须使用体积大、功耗高的制冷机对其进行冷却，限制了这一类探测器在商用和民用领域的推广。
1985年，C. T. Elliott等首次提出采用非平衡模式提高光子探测器工作温度的概念，即高工作温度（high operation temperature，HOT）红外光子器件[2]。1999年，C. T. Elliott等探讨了将光子探测器噪声降低到背景水平所需的条件，认为移除制冷机并没有理论障碍，只是因为工艺水平难以实现[3]。同年，Donald等提出第三代红外焦平面探测器应具有高性能和低成本等特点，器件工作温度需提高到180 K[4]。进入21世纪，欧美从事红外光子探测器研发的企业团体陆续推出高工作温度红外探测器组件，采取的技术路线主要可分为：以以色列SCD公司、美国圣巴巴拉红外公司、瑞典IRnova等为代表的锑基材料路线和以美国DRS公司、Teledyne Judson Technologies公司、Raytheon公司以及欧洲AIM公司、Sofradir公司、Selex公司等为代表的碲镉汞（MCT）材料路线[5-11]。由于碲镉汞材料载流子的肖克莱-里德-霍尔（SRH）寿命较长，理论上器件具有更低的暗电流，较适合研制高温器件。目前国际上在3~5 μm中波高温器件领域，暗电流最低的是碲镉汞体系探测器[12]。
国内开展高温器件研究的单位主要有昆明物理研究所、华北光电技术研究所、中国科学院上海技术物理研究所、武汉高德红外股份有限公司等。华北光电技术研究所于2020年报道了其基于As离子注入p-on-n和垂直液相外延 (VLPE) 的p-on-n异质结器件的研制情况[13]，报道的探测器在120 K时盲元率和噪声等效温差（NETD）就发生退化。武汉高德红外股份有限公司于2019年报道了其基于n-on-p技术高温器件的研制情况[14]，其报道的产品能够在125 K下工作，器件响应波长在液氮温度下可达到4.8 μm （x=0.31），125 K下则降低为4.6 μm。中国科学院上海技术物理研究所主要基于二类超晶格开展HOT组件的研制，采用带间级联（ICIP）结构，具体产品性能未见文章报道。
文中介绍了昆明物理研究所在高工作温度红外探测器芯片和探测器组件方面的最新成果，对典型的MCT HOT 640中波高温探测器组件的各项性能与国外同类产品进行了对比，在完成环境适应性和可靠性测试后，相关产品即将实现商业量产。
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昆明物理研究所是国内最早开展高工作温度红外焦平面器件研制工作的单位。2014年，昆明物理研究所对nBn型InAs/GaSbⅡ类超晶格器件在150 K温度工作下的光电特性进行了性能摸底，发现150 K工作时的暗电流比77 K温度下大一个量级左右，但峰值探测率仅下降1/5，验证了该结构在较高温度工作的潜力[15]。2019年，昆明物理研究所启动高工作温度InAsSb焦平面探测器的研制工作。衬底材料为GaSb，使用MBE生长XCBn复合势垒结构的InAs0.91Sb0.09材料，并于2019年研制出首个InAsSb高工作温度中波红外探测器组件样品。该探测器组件面阵规模为640×512，像元中心距15 μm，响应截止波长4.2 μm （蓝中波），工作温度150 K，暗电流密度约5×10−6 A/cm2（@150 K），NETD约30 mK，采用数字化读出电路，综合性能接近以色列SCD公司的HOT Pelican-D组件，其在不同温度工作下的热成像图如图1所示。2021年，昆明物理研究所相关团队对关键技术进一步攻关，优化工艺参数，最新研制的器件暗电流密度降低到9×10−7 A/cm2（@150 K），NETD小于25 mK，综合性能已与以色列SCD公司的HOT Pelican-D组件相当。图2所示为昆明物理研究所最新研制的高工作温度中波焦平面探测器在150 K温度工作下的热成像图。
昆明物理研究所在4.2 μm波长中波器件研制的基础上进一步提高中波响应波段，在GaSb衬底上MBE生长XCBn复合势垒结构的InAs0.83Sb0.17材料，于2020年研制出响应截止波长4.6 μm的150 K工作温度的红外焦平面器件（红中波），经测试NETD在40 mK左右，该组件在不同温度下的热成像图如图3所示。2021年，昆明物理研究所对响应截止波长5 μm的InAs0.81Sb0.19材料在150 K温度下成像进行了性能验证，材料结构及工艺参数正在持续优化。
Figure 1. Thermal image pictures of InAs0.91Sb0.09 focal plane detector developed by KIP in 2019
Figure 2. 150 K thermal image pictures of InAs0.91Sb0.09 focal plane detector developed by KIP in 2021
Figure 3. Thermal image pictures of InAs0.83Sb0.17 focal plane detector developed by KIP in 2020
在推进锑基材料高温器件研制的同时，昆明物理研究所也开展了基于As注入掺杂p-on-n结构的高工作温度碲镉汞材料器件的研制，采用液相外延法（LPE）原位掺杂多层异质结构碲镉汞薄膜结合As离子注入技术，完成了阵列规模640×512、像元中心距15 μm 的中波碲镉汞高温焦平面器件的制备。研制出的探测器芯片在80 K工作温度、303 K黑体辐射温度下的信号响应如图4所示，NETD约为11.5 mK，NETD直方图如图5所示，NETD半峰宽约2.5 mK。
Figure 4. Signal response diagram of p-on-n MWIR HgCdTe focal plane device
Figure 5. NETD histogram of p-on-n MWIR HgCdTe focal plane device
探测器芯片在80~200 K温度下的NETD情况如图6所示，器件的NETD由11.5 mK变化至25.5 mK。80、120、150、180 K温度下器件的盲元分布图如图7所示，对应的有效像元率分别为99.98%、99.97%、99.92%、99.32%。
Figure 6. NETD of p-on-n MWIR HgCdTe focal plane device from 80 K to 200 K
Figure 7. Blind element distribution of p-on-n MWIR HgCdTe focal plane device from 80 K to 180 K
昆明物理研究所对研制的中波高温器件的暗电流进行的测试结果如图8所示。图中，红线为高温中波器件在150~200 K的暗电流测试结果，黑线为Rule-07理论计算暗电流。高温器件在150~200 K之间暗电流的变化接近Rule-07的水平。
Figure 8. Dark current of the device operating within 150-200 K
由于Sb基铟砷锑在4.2 μm截止波长处晶格匹配更好，目前Sb基高温器件主要是4.2 μm截止的蓝中波器件，当其向5 μm红中波延伸时需要克服晶格失配带来的影响，虽然国内外各研发单位都在开展相关研究工作，但在红中波段，铟砷锑器件暗电流最好结果距离碲镉汞p-on-n器件仍有一个数量级的差距。未来进一步提升工作温度时，碲镉汞高温器件也必须对温升带来的扩散电流进行抑制。因此，通过吸收层深度耗尽降低高温下扩散电流的影响是碲镉汞高温器件未来的主要工作之一[16]。
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根据高工作温度探测器组件在单兵、无人机载平台等的应用需求，昆明物理研究所基于探测器组件短光轴长度，低功耗、快速制冷、低成本等设计理念，于2021年为基于InAsSb材料制备的640×512中波高温探测器芯片研发了专门的短冷指膨胀机、低功耗线性制冷机和短光轴长度的封装杜瓦，形成了InAsSb HOT IDDCA组件。
该组件使用的制冷机为昆明物理研究所研制的长寿命、高效率、低振动线性分置式斯特林制冷机C351第一轮样机。该制冷机压缩机的电机采用单磁钢动磁结构，由Robert Redlich发明[17]，其结构示意图如图9所示。其结构的特点一是动磁采用径向充磁的单磁钢，二是动磁全行程基本封闭在磁回路中，漏磁很少，故电机效率高，通常可达82%以上，好的设计可超过90%，显著优于早期双磁钢动圈式及双磁钢动磁式电机的效率。另外，由图9可知，该电机结构简单，最低只需六种零件就可构成一个单活塞的制冷压缩机。Redlich电机已成为国外线性制冷机的主流电机结构，后文对比的国外探测器组件用线性制冷机均采用了Redlich电机。
昆明物理所制冷团队对Redlich电机磁路开展了深入的研究，发现在一定的动磁行程内，磁路提供的反作用力与机械弹簧（图9中零件6）的功能是一样的，称其为电磁弹簧，于是在C351制冷机动力学设计时取消了机械弹簧，由磁路在提供活塞推力的同时也承担起机械弹簧的作用，运动结构得到简化。在压缩机外径29 mm、长度58 mm的包络下，电机效率为84%；膨胀机则基于声功回收技术，对150 K温区的热力学进行了优化；制冷机工作于150 K时，在10 Wac输入功率下，制冷量在1 W以上，保证了需要的性能和高效率。杜瓦封装配合F3/F4冷屏设计，高温探测器组件光轴方向的长度为71 mm；探测器组件的总质量小于290 g。InAsSb HOT IDDCA组件结构图如图10所示，组件达到的性能指标如表1所示。
Figure 9. Structural diagram of Redlich single moving magnet linear compressor
Parameter Value Focal plane size 640×512 Pixel pitch/μm 15 Operation wavelength/μm 3.6-4.2 Operation temperature of FPA/K 150 Optical axis length/mm 71 Weight/g <290 Power consumption （@23 ℃, steady）/W <3.5 NETD/mK 25 F # F/4 Cooldown time/min 2.5 Cooler type C351 linear cooler MTTF of cooler （Goal）/h >10000 Table 1. Performance parameter of KIP’s InAsSb HOT IDDCA components
2021年，昆明物理研究所在碲镉汞As注入掺杂p-on-n结构探测器芯片研制取得突破后[18-19]，开展了MCT HOT 640 （640×512，15 μm像元中心距）中波高温探测器组件的研发工作。设计了具有更高兼容性的短光轴长度封装杜瓦，即一款杜瓦可封装、采用模拟和数字读出电路的两种MCT 640×512和采用数字读出电路的MCT 1024×768共三个品种的高温探测器芯片；为单兵平台应用专门设计了新的低功耗读出电路，大幅度减少了杜瓦外引线数量，将杜瓦自身热负载降低为初样设计值的70%；对C351制冷机的磁路、出气结构、电机外引线、膨胀机热力学和长度进行了优化设计，制冷量平均提升了20%，形成了C351工程版制冷机；开发了低功耗制冷机驱动电路，将电路功耗降低至0.5 Wdc以下。可工程化批产的MCT HOT IDDCA组件如图11所示。
Figure 10. Structure of KIP’s InAsSb HOT IDDCA components
Figure 11. Structure of KIP’s MCT HOT IDDCA components
目前，昆明物理研究所工程化MCT HOT 640中波高温探测器组件典型产品的各项性能指标如表2所示。
Parameter Value Focal plane size 640×512 Pixel pitch/μm 15 Operation wavelength/μm 3.65-4.76 Operation temperature of FPA/K 150 Optical axis length/mm 69.4 Weight/g 259 NETD/mK 15 F# 4 Cooler type C351 linear cooler Power consumption （@23 ℃, cooldown）/Wdc 13.2 Power consumption （@23 ℃, steady）/Wdc 1.96 （with 50 mW additional heat load）; 2.35 （with 100 mW additional heat load） Cooldown time （@23 ℃）/s 78 Detector acoustic noise （@1.5 m）/dB 25.7 （@ cooler full speed） MTTF of cooler （Goal）/h >10000 Table 2. Typical products parameter test results of engineered MCT HOT 640 detector components
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昆明物理研究所高工作温度探测器组件的设计思路与国外各探测器组件研制厂商一致，即满足短光轴长度，低功耗、快速制冷、低成本等应用需求，研制的MCT HOT 640探测器组件与国外同类型产品的性能对比如表3所示。
Manufacturer Kunming Institute of Physics L3 Harris Technologies Selex DRS Name MCT HOT 640 Onyx Micro SD/HD FIREFLY CAMERA CORE Zafiro®640 Micro Detector picture 
Detector type MCT MCT MCT MCT Focal plane size 640×512 640×512 640×512 640×480 Pixel pitch/μm 15 15 16 12 Operation wavelength/μm 3.65-4.76 MWIR 3.7-4.95 3.4-4.8 FPA operation temperature/K 150 160 160 160 Optical axis length/mm 69.4 76.2 96 55.88 Weight/g <260 <410 <550 <410 Power consumption@23 ℃, steady Cooler<2.5 Wdc Core: <9 W Core: <5 W Core: <5 W Frame rate/Hz 60 60 60 120 NETD 15 25 25 25 Operable pixel rate >99.8% >99.4% N/A >99% F# F/4 F/4 F/4 F/3.25, F/4 Cooler type C351 linear L200 linear SX020 linear Micro cooler Cooldown time@23℃ Typical<80 s@12 V <6 min Typical<3 min Typical<2.5 min MTBF/h >10000 （Goal） >10000 >25000 >12000 -
高工作温度红外探测器组件显著减小了组件尺寸和质量，降低了系统功耗，提高了组件可靠性。昆明物理研究所基于碲镉汞材料体系，工作于150 K温区的短光轴、紧凑型IDDCA高温中波640×512探测器组件质量小于270 g，探测器组件光轴方向长度为69.4 mm （F4）。室温条件下测试时，制冷机在12 V直流供电条件下，探测器组件降温时间小于80 s，探测器组件稳定功耗小于2.5 Wdc。在未安装固定情况下，组件光轴方向的振动力最大约1.1 N。在探测器组件光轴方向长度、体积、质量、稳定功耗等各项指标方面已与国外同类型高温探测器组件先进水平相当，国内还未见有更好性能的斯特林制冷型高温探测器组件的报道。不足之处在于：由于采用了自由活塞式气动膨胀机，探测器组件光轴方向的自激振动力稍大，需要有较好的固定来抵消自激振动。在完成环境适应性和可靠性验证后，工程化MCT HOT 640中波高温探测器组件就可实现批量生产。后期研发和优化的重点是逐步将现有中波探测器组件的工艺由n-on-p向p-on-n转化，形成系列化的高中波探测器组件新产品，降低现有中波探测器组件的体积、功耗等；研制新系列集成式高温探测器组件品种，全面满足机载、弹载等有高强冲击、振动等恶劣环境的应用需求。
Advance in high operating temperature HgCdTe infrared detector
doi: 10.3788/IRLA20220462
- Received Date: 2022-07-05
- Rev Recd Date: 2022-09-23
- Publish Date: 2023-01-18
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Key words:
- high operating temperature (HOT) detectors /
- HgCdTe /
- InAsSb /
- p-on-n
Abstract: High operating temperature (HOT) infrared detector technology is an important branch of the third-generation infrared detector technology. The basic materials that can be used for high operating temperature infrared detectors are mainly Sb based and HgCdTe based. This paper introduces the lasest research progress of high operating temperature infrared focal plane module in Kunming Institute of Physics (KIP). The high operating temperature MCT based detectors developed based on p-on-n technology have reached good performance in the temperature range of 150 K with the NETD less than 20 mK. The weight of MCT 640×512 IDDCA module adapted with high efficiency moving magnet split linear cooler is less than 270 g with the detector length in optical axis direction less than 70 mm (F4). At ambient temperature, the steady power consumption of the module is less than 2.5 Wdc while the cool down time is less than 80 s, audible noise is less than 27 dB and self induced vibration force is less than 1.1 N. MCT HOT modules are now under environmental adaptability and reliability verification and commercial mass production of this detector will be realized after the verification test.
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