锑化铟红外焦平面阵列探测器的热应力结构优化

在液氮冲击实验中,锑化铟红外焦平面阵列探测器中各层材料之间线膨胀系数的不同将导致热失配产生,过大的热失配应力将引起锑化铟芯片断裂失效。为了降低热失配对锑化铟芯片的影响,基于弹性多层体系热应力计算理论,借鉴平衡复合物结构设计方法,优化平衡复合物结构上表面的热应变,使得平衡复合物结构中硅读出电路上表面的热应变尽可能接近锑化铟芯片下表面的热应变,从而大幅降低锑化铟芯片中的热应力。考虑器件加工工艺成熟度,经一系列计算表明:当硅读出电路的厚度取25 μm时,平衡复合物结构中硅读出电路上表面的热应变与InSb芯片下表面的热应变最为接近,此时锑化铟芯片中的拉应力最小。锑化铟芯片中拉应力的大幅降低,将为消减液氮冲击中锑化铟芯片的碎裂几率提供可以信赖的结构设计方案和实现途径。     

液氮冲击中InSb焦平面探测器热应力计算

液氮冲击中In Sb焦平面探测器的局部分层、局部碎裂制约着其成品率的提高。为分析液氮冲击中发生在In Sb焦平面探测器中的潜在失效模式,我们借助C.H.Hsueh提出的适用于弹性多层体系热应力计算理论,结合In Sb焦平面探测器的典型结构,忽略铟柱阵列的影响,得到了In Sb焦平面探测器中心区域热应变和热应力沿厚度方向的分布。依据热应变和热应力分布,我们认为液氮冲击中In Sb芯片和底充胶均处于拉应力状态,硅读出电路上边2/3部分处于压应力状态,下边1/3部分处于拉应力状态。整个探测器四角往上翘曲,中心区域往下凸起。这些计算结果为后续探测器组件封装中平衡复合物结构的设计提供了理论参考。     

10.6 μm激光对HgCdTe焦平面器件热应力的分析

建立了HgCdTe红外焦平面器件的多膜层理论模型,利用有限元分析的方法,对10.6μm激光辐照下HgCdTe红外焦平面器件的升温情况与热应力分布情况进行模拟,并通过参考已有文献的实验结果,验证了理论模型的合理性。理论分析结果表明:激光作用时探测器的温度场变化剧烈,200 W/cm2连续激光作用1 s后,HgCdTe感光层所受热应力为-986 MPa;脉宽100 ns,功率密度15 MW/cm2脉冲激光作用后,HgCdTe感光层所受热应力为-1300 MPa,都比器件制造过程中由于热失配而产生的热应力大;应力损伤发生的概率增大,可能比热损伤先发生,是HgCdTe红外焦平面器件激光损伤中的重要原因。     

红外焦平面探测器封装结构热应力分析

红外焦平面探测器是一个主要由引线基板、硅读出电路、铟柱和探测器芯片组成的多层结构。由于材料层间热膨胀系数的差异,低温时探测器中会产生相当大的热应力,对探测器温度循环可靠性影响严重。为了考察红外焦平面探测器低温下的热应力情况,建立了探测器结构的有限元分析模型;利用该模型分析了引线基板热膨胀系数、弹性模量,及其厚度分别对Si、CdZnTe衬底类型的探测器热失配应力和形变的影响;根据对这两种类型探测器的分析结果,分别提出了相应的改进方法,并对方法进行了计算验证。     

Theoretical analysis of thermal-stress effect of HgCdTe infrared focal plane device induced by 10.6 μm laser

建立了HgCdTe红外焦平面器件的多膜层理论模型,利用有限元分析的方法,对10.6 μm激光辐照下HgCdTe红外焦平面器件的升温情况与热应力分布情况进行模拟,并通过参考已有文献的实验结果,验证了理论模型的合理性.理论分析结果表明:激光作用时探测器的温度场变化剧烈,200 W/cm2连续激光作用1 s后,HgCdTe感光层所受热应力为-986 MPa;脉宽100 ns,功率密度15 MW/cm2脉冲激光作用后,HgCdTe感光层所受热应力为-1300 MPa,都比器件制造过程中由于热失配而产生的热应力大;应力损伤发生的概率增大,可能比热损伤先发生,是HgCdTe红外焦平面器件激光损伤中的重要原因.     

128×128短波/中波双色红外焦平面探测器

首次在国内报道了128×128面阵短波/中波(SW/MW)双色碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面探测器(infraredfocal plane arrays,IRFPAs)的研究成果.基于由采用分子束外延(MBE)和原位掺杂技术生长的p-p-P-N型碲镉汞(Hg1-xCdxTe)多层异质结材料,通过B+注入、台面腐蚀、台面侧向钝化和爬坡金属化,以及双色探测芯片与读出电路(Readout Integrated Circuit,ROIC)混成互连等工艺,得到了128×128面阵双色焦平面探测器.通过湿化学腐蚀方法的优化,将光敏元尺寸为(50×50)μm2的双色微台面探测器的占空比提高了一倍.该面阵双色红外焦平面探测器具有较好的均匀性和正常的光电特性.在液氮温度下,二个波段的光电二极管截止波长λc分别为2.7μm和4.9μm,对应的峰值探测率Dλ*p分别为1.42×1011cmHz1/2/W和2.15×1011cmHz1/2/W.     

短波红外焦平面列阵

在第二代红外成象系统中,采用焦平面列阵可使系统获得高分辨率和高灵敏度。在混合结构中,探测器和信号处理芯片是采用不同的材料单独制作,然后耦合成焦平面列阵。采用HgCdTe探测器的第二代红外成象系统的研究和发展工作主要在中红外波段(3～5μm)和长波波段(8～12μm)范围内进行。然而在高温和反射阳光下的物体     

硅基HgCdTe面阵焦平面器件结构热应力分析

红外焦平面器件是一个多层结构,包含外延衬底、HgCdTe芯片、Si读出电路、互连In柱、粘结胶以及引线基板等,由于各层材料之间的热膨胀系数不同导致焦平面器件在工作中承受很大的热应力,热应力是导致红外焦平面器件失效的重要因素之一。本文运用一维模型以及有限元分析方法对硅基HgCdTe320×240焦平面器件结构进行热应力分析,结果表明,改变Si衬底厚度、粘结胶的杨氏模量以及基板的热膨胀系数,都会不同程度地影响HgCdTe薄膜上的受力,其中基板的热膨胀系数对HgCdTe薄膜所受的应力影响最大。通过选用合适的基板可以有效降低HgCdTe薄膜所受的应力,从而降低器件失效率。     

碲镉汞大面阵红外探测器模块结构应力的有限元分析

借助有限元软件分析了原始探测器模块和加入Kovar平衡层探测器模块的应力分布情况,模拟结果表明,增加Kovar平衡层后,探测器HgCdTe外延层上的热应力有所减小,而探测器芯片表面中心位置处的形变量明显减小。在不改变平衡层材料前提下,当平衡层厚度为0.2 mm、0.5 mm、1 mm、1.5 mm和2 mm时,HgCdTe芯片的最大应力随平衡层厚度的增加呈现先大幅度减小后小幅度增加的趋势,在厚度取1 mm时探测器芯片的最大热应力值最低。通过增加Kovar平衡层可有效改善大面阵红外探测器芯片的热应力水平。     

昆明物理研究所红外焦平面技术发展现状

介绍了昆明物理研究所近几年在红外焦平面探测器组件技术方面的最新进展.随着探测器组件技术的全面突破,焦平面探测器组件批量生产线的建设是昆明光电子产业基地建设的核心内容.HgCdTe材料的提纯、CdZnTe衬底、HgCdTe材料LPE薄膜工艺、探测器芯片平面工艺、读出电路设计和制作、真空杜瓦封装、集成整体式斯特林制冷技术已全面成熟,LW288×4、MW320×256HgCdTe焦平面探测器组件形成批量生产,具备年产数千套探测器组件的生产能力.近期计划完成HgcdTe LW576×6,MW640×480、GaAs/A1GaAs QWlP320×256探测器组件研制.将进一步发展320×240/640×480热释电材料及微测热辐射计非制冷焦平面探测器,1K×1K规模焦平面探测器组件,双色及多色量子阱焦平面探测器组件,在红外焦平面探测器技术领域达到世界一流水平.