據麥姆斯咨詢報道，近期，昆明物理研究所和華中科技大學聯合在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“昆明物理研究所高溫紅外探測器組件進展”為題的文章。文中介紹了昆明物理研究所在高工作溫度紅外探測器芯片和探測器組件方面的最新成果，對典型的MCT HOT 640中波高溫探測器組件的各項性能與國外同類產品進行了對比，在完成環境適應性和可靠性測試后，相關產品即將實現商業量產。

國內開展高溫器件研究的單位主要有昆明物理研究所、中電科11所，中科院上海技術物理所、武漢高芯科技（高德紅外）等。中電科11所于2020年報道了其基于As離子注入p-on-n和垂直液相外延（VLPE）的p-on-n異質結器件的研制情況，報道的探測器在120K時盲元率和NETD就發生退化。武漢高芯科技于2019年報道了其基于n-on-p技術高溫器件的研制情況，其報道產品能夠在125K下工作，器件響應波長在液氮溫度下可到4.8μm，125K下則降低為4.6μm。中科院上海技術物理所主要基于二類超晶格開展HOT組件的研制，采用帶間級聯（ICIP）結構，具體產品性能未見文章報道。

高工作溫度探測器芯片的研究進展

昆明物理研究所是國內最早開展高工作溫度紅外焦平面器件研制工作的單位。2014年，昆明物理研究所對nBn型InAs/GaSbⅡ類超晶格器件在150K溫度工作下光電特性進行了性能摸底，發現該結構在較高溫度工作的潛力。2019年，啟動高工作溫度InAsSb焦平面探測器的研制工作，并于2019年研制出首個InAsSb高工作溫度中波紅外探測器組件樣品。該探測器組件面陣規模為640×512，像元中心距15μm，響應截止波長4.2μm（藍中波），工作溫度150K，暗電流密度約為5×10??A/cm2（@150K）、NETD約30mK，采用數字化讀出電路，綜合性能接近以色列SCD公司HOT Pelican-D組件，其在不同溫度工作下的熱成像圖如圖1所示。

圖1 昆明物理研究所2019年研制的中波InAs0.91Sb0.09焦平面探測器熱成像圖

2021年，昆明物理研究所相關團隊對關鍵技術進一步攻關，優化工藝參數，最新研制的器件暗電流密度降低到9×10??A/cm2（@150K），NETD小于25mK，綜合性能已與以色列SCD公司HOT Pelican-D組件相當。

圖2 昆明物理研究所2021年150K高溫工作InAs0.91Sb0.09焦平面探測器熱成像圖

昆明物理研究所在4.2μm波長中波器件研制基礎上進一步提高中波響應波段，在GaSb襯底上MBE生長XCBn復合勢壘結構的InAs0.83Sb0.17材料，于 2020年研制出響應截止波長4.6μm的150K工作溫度的紅外焦平面器件（紅中波）。2021年，昆明物理研究所對響應截止波長5μm的InAs0.81Sb0.19材料在150K溫度下成像進行了性能驗證，材料結構及工藝參數正在持續優化。

在推進銻基材料高溫器件研制的同時，昆明物理研究所也開展了基于As注入摻雜p-on-n結構的高工作溫度碲鎘汞材料器件的研制，采用液相外延法（LPE）原位摻雜多層異質結構碲鎘汞薄膜結合As離子注入技術，完成了陣列規模640×512、像元中心距15μm的中波碲鎘汞高溫焦平面器件的制備。

由于Sb基銦砷銻在4.2μm截止波長處晶格匹配更好，所以目前Sb基高溫器件主要是4.2μm截止的藍中波器件，當其向5μm紅中波延伸時需要克服晶格失配帶來的影響，雖然國內外各研發單位都在開展相關研究工作，但在紅中波段，銦砷銻器件暗電流最好結果距離碲鎘汞P-on-N器件仍有1個數量級的差距。未來進一步提升工作溫度時，碲鎘汞高溫器件也必須對溫升帶來的擴散電流進行抑制，因此，通過吸收層深度耗盡降低高溫下擴散電流的影響是碲鎘汞高溫器件未來的主要工作之一。

高工作溫度探測器組件的研究進展

根據高工作溫度探測器組件在單兵、無人機載平臺等的應用需求，昆明物理研究所基于探測器組件短光軸長度，低功耗、快速制冷、低成本等設計理念，于2021年為基于InAsSb材料制備的640×512中波高溫探測器芯片研發了專門的短冷指膨脹機、低功耗線性制冷機和短光軸長度的封裝杜瓦，形成了InAsSb HOT IDDCA組件。該組件使用的制冷機為昆明物理研究所研制的長壽命、高效率、低振動線性分置式斯特林制冷機C351第一輪樣機。

圖3 昆明物理研究所InAsSb HOT IDDCA組件結構圖

2021年，昆明物理研究所在碲鎘汞As注入摻雜p-on-n結構探測器芯片研制取得突破后，開展了MCT HOT 640（640×512，15μm像元中心距）中波高溫探測器組件的研發工作。設計了具有更高兼容性的短光軸長度封裝杜瓦，即一款杜瓦可封裝采用模擬和數字讀出電路的2種MCT 640×512和采用數字讀出電路的MCT 1024×768共3個品種的高溫探測器芯片；為單兵平臺應用專門設計了新的低功耗讀出電路；對C351制冷機的磁路、出氣結構、電機外引線、膨脹機熱力學和長度進行了優化設計，形成了C351工程版制冷機；開發了低功耗制冷機驅動電路，將電路功耗降低至0.5Wdc以下。

圖4 昆明物理研究所 MCT HOT IDDCA組件結構圖

昆明物理研究所高溫探測器組件與國外同類型組件的對比

昆明物理研究所高工作溫度探測器組件的設計思路與國外各探測器組件研制廠商一致，即滿足短光軸長度，低功耗、快速制冷、低成本等應用需求，研制的MCT HOT 640探測器組件與國外同類型產品的指標對比如下表所示。

昆明物理研究所高溫 MCT 探測器組件與國外同類型組件性能對比表

結論

昆明物理研究所基于碲鎘汞材料體系、工作于150K溫區的短光軸、緊湊型IDDCA高溫中波640×512探測器組件重量小于270g，探測器組件光軸方向長度為69.4mm（F4）。室溫條件下測試時，制冷機在12V直流供電條件下，探測器組件降溫時間小于80秒，探測器組件穩定功耗小于2.5Wdc。在未安裝固定情況下組件光軸方向的振動力最大約1.1N。在探測器組件光軸方向長度、體積、重量、穩定功耗等各項指標方面，已與國外同類型高溫探測器組件先進水平相當，國內還未見有更好性能的斯特林制冷型高溫探測器組件的報道。不足之處在于由于采用了自由活塞式氣動膨脹機，探測器組件光軸方向的自激振動力稍大，探測器組件需要有較好的固定來抵消自激振動。在完成環境適應性和可靠性驗證后，工程化MCT HOT 640中波高溫探測器組件就可實現批量生產。

后期研發和優化的重點是逐步將現有中波探測器組件的工藝由N-on-P向P-on-N轉化，形成系列化的高中波探測器組件新產品，降低現有中波探測器組件的體積、功耗等；研制新系列集成式高溫探測器組件品種，全面滿足機載、彈載等有高強沖擊、振動等惡劣環境的應用需求。

審核編輯 ：李倩