制冷型二类超晶格红外探测器

1T/CAEEXXX—2025制冷型二类超晶格红外探测器本文件规定了制冷型二类超晶格红外探测器的术语和定义、分类与命名、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存。本文件适用于制冷型二类超晶格红外探测器的设计、生产、检验和使用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T191包装储运图示标志GB/T2423电工电子产品环境试验第2部分GB/T17444—2013红外焦平面阵列参数测试方法GB/T19001—2016质量管理体系要求GB/T26572电子电气产品中限用物质的限量要求GB/T2828.1计数抽样检验程序第1部分：按接收质量限(AQL)检索的逐批检验抽样计划GJB150A军用装备实验室环境试验方法GJB151B军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1制冷型红外探测器Cooledinfrareddetector需要借助制冷设备降低工作温度，以实现对红外辐射信号有效探测的红外探测器。3.2二类超晶格TypeⅡsuperlattice由两种不同带隙的半导体薄层周期性交替排列形成的人工一维量子结构，其能带排列为Type-II型，电子和空穴在空间上分离，有效带隙可通过周期厚度精确调节。3.3噪声等效温差（NETD）NoiseEquivalentTemperatureDifference(NETD)在给定测量条件下，产生与探测器噪声输出相等信号所需的黑体温差，单位为mK。3.4盲元率DPRDefectivePixelRate(DPR)在规定场景温度下，响应率或噪声超出允许阈值的像元占总像元数的百分比。3.5有效像元率Effectivepixelrate满足响应率、NETD、线性度等指标的像元数占总像元数的百分比。3.6有效量子效率Effectivequantumefficiency探测器输出信号电子数与入射光子数之比，包括光学耦合效率、载流子收集效率及倍增增益。2T/CAEEXXX—20253.7高工作温度（HOT）HighOperatingTemperature(HOT)在≥150K温度下仍能保持NETD、D\*、暗电流等关键性能指标满足系统应用要求的探测器工作模3.8暗电流密度Darkcurrentdensity在给定偏置与温度条件下，无光照时单位面积的电流，单位为nA/cm2。3.9制冷启动时间Coolingstartuptime制冷机启动后，探测器芯片温度达到设定值并保持在±0.1K范围内所需的时间。3.10真空保持寿命Vacuumretentionlifetime杜瓦从出厂至内部真空度衰减到允许下限的时间，单位为年。4分类与命名规则4.1分类4.1.1按波段：短波（SW，1μm～3μm）、中波（MW，3μm～5μm）、长波（LW，7.5μm～10μm）、4.1.2按结构：单波段、双色、多色、偏振集成。4.1.3按封装：金属杜瓦、陶瓷共烧、晶圆级真空封装（WLP）。4.1.4按制冷方式：斯特林制冷器、脉管制冷器、节流制冷器（含液氮制冷）。4.2命名规则探测器型号命名规则如下：T2SL-〈阵列规模〉-〈波段〉-〈像元间距〉-〈制冷方式〉-〈版本年份〉。示例：T2SL-1280×1024-MW-15-LN2-2025。5技术要求5.1基本参数本章节所有参数测试基准条件为：标准大气环境（温度23±5℃、相对湿度50±20%、气压86~106kPa），NETD测试条件为f/2、黑体温度300K、帧频30Hz。基本参数如表1。表1基本参数1.0-3.03.0-5.07.5-10.011.0-15.0—T/CAEEXXX—2025377-15077-15077-12077-10077-1205.2结构尺寸探测器外形、安装面、冷屏、窗口、引线键合区尺寸应符合详细规范要求，WLP器件总厚度≤0.8mm，平整度≤20µm。5.3外观质量表面不得有裂纹、划痕、凹坑、金属残留及腐蚀现象；键合区需保持无氧化、无沾污状态；窗口镀膜应完好，无脱落和针孔。5.4材料与结构要求5.4.1超晶格材料a)X射线衍射（004）卫星峰半高宽（FWHM）≤30arcsec；b)位错蚀坑密度（EPD）≤5×104cm-2；c)外延层表面粗糙度(RMS)在10μm×10μm范围内(采用AFM测量)应≤1.5nm。5.4.2芯片结构a)吸收层厚度：SW/MW≥4.0μm，LW/VLW≥5.0μm；b)钝化层的介电常数应≤4.0，厚度≥200nm；5.5环境适应性探测器应能承受以下环境试验，试验后性能衰减≤10%，盲元率增加≤0.1%：c)温度循环：-55℃~+85℃,10次循环；d)随机振动：20Hz～2000Hz，功率谱密度0.04g²/Hz，每轴5min；e)恒定湿热：+60℃,95%RH，48h；f)盐雾：5%NaCl溶液，+35℃,48h；g)低气压：11.6kPa，2h。5.6光电性能要求5.6.1暗电流密度a)MW：在120K、-50mV条件下，暗电流密度（Jdark）应≤1nA/cm²;b)LW：在80K、-50mV条件下，暗电流密度（Jdark）应≤8nA/cm²。c)双色LW通道：在80K、-50mV条件下，暗电流密度(Jdark)≤12nA/cm²5.6.2量子效率（QE）a)MW：中心波长处的量子效率应≥60%；b)LW：中心波长处的量子效率应≥50%。5.6.3动态阻抗（R₀A）a)MW：在120K条件下，动态阻抗应≥1×10⁶Ω・cm²;b)LW：在80K条件下，动态阻抗应≥1×10³Ω・cm²。T/CAEEXXX—202545.6.4有效像元率应符合表1规定。单色探测器允许相邻坏像元簇≤2个；双色探测器允许相邻坏像元簇≤3个。有效像元的判定准则见6.8。5.6.5响应非均匀性（NU）。在300K均匀黑体测试条件下，响应非均匀性(σ/μ)应≤5%。5.6.6电磁兼容需符合GJB151B-2013中陆军地面设备的限值要求，涵盖CE102、RE102、CS114、CS115、CS116、RS103项目。5.7制冷与真空a)制冷机类型：可采用线性斯特林、旋转斯特林或脉管制冷机；b)制冷启动时间：针对120K负载，启动时间应≤6min；c)制冷功耗：在80K、500mW热负载条件下，功耗应≤15W，双色探测器可放宽至≤18W；d)真空保持寿命：需≥10年（漏率应≤5×10-5.8辐射加固当总剂量≥100krad（Si）时，NETD退化量应≤20%，暗电流增加量应≤50%，EPR下降≤1%。5.9可靠性a)加速寿命试验（采用Arrhenius模型，激活能Ea=0.45eV）：在120℃高温下老炼1000h，等效使用寿命需≥10年；b)高低温循环：在-55℃与+85℃之间循环100次后，芯片不得出现裂纹，性能衰减量应c)恒定湿热：在+65℃/95%RH环境下放置96h后，外观不得有腐蚀，且NETD变化量应≤d)随机振动：在20Hz～2000Hz频率范围内，功率谱密度为0.04g²/Hz时，3轴各测试10min，需无机械损伤；e)机械冲击：在500g加速度、1ms持续时间、半正弦波形条件下，3轴各测试3次，芯片不得脱落；f)寿命试验：连续通电1000h后，性能衰减量应≤10%。5.10接口与兼容性a)电接口：需符合GigEVision、CameraLink或CoaXPress协议；b)机械接口：采用IDDCA标准的25mm或40mm法兰，冷头平面度≤0.02mmc)控制命令：需兼容GenICam指令集。5.11可维修性制冷机冷头组件、窗口、滤光片、杜瓦内吸气剂可现场更换，维修时间≤30min。5.12安全与环保a)低温表面需具备防护设计，防止结霜及冻伤操作者；b)噪声：在1m处测量，噪声应≤55dB（A）；c)有毒有害物质含量需符合GB/T26572的要求。5.13双色探测器专项要求a)波段串扰：双色探测器两通道间串扰率≤5%；b)同步性：两通道信号输出延迟差≤10μs；c)温度一致性：两通道焦平面温度差≤0.5K；d)盲元协同性：相邻通道盲元重叠率≤1.5%。T/CAEEXXX—202556试验方法6.1材料验证a)HRXRD：按附录A进行。b)EPD：采用熔融KOH腐蚀，光学显微镜计数。c)AFM：扫描面积10µm×10µm，测量RMS粗糙度。6.2试验条件a)标准大气条件：温度（23±5）℃,相对湿度（50±20）%，气压86kPa～106kPa。b)测试黑体：发射率≥0.995，温度均匀性≤±0.01K，稳定性≤±0.005K。c)测试设备：校准证书在有效期内，不确定度优于被测参数容限的1/3。6.3电学参数测试a)暗电流：在屏蔽箱内，控温±0.1K，使用Keithley6430源表测量。b)量子效率：采用标准黑体+单色仪系统，波长步进0.1µm，计算外量子效率。c)动态阻抗：由暗电流-电压（I-V）曲线在零偏压附近拟合得出。6.4光电参数测试6.4.1噪声等效温差NETD按GB/T17444—2013规定的方法进行。测试条件：黑体温度300K，温差ΔT=4K，帧频30Hz，积分时间可调。统计中心256×256像元噪声及信号，计算平均NETD值。分别测试f/2和f/3光学孔径下的数值。6.4.2有效像元率按以下阈值判定有效像元，并计算有效像元率：a)响应率下限：平均值-50%；b)NETD上限：平均值+50%；c)同时满足a)、b)的像元为有效像元。6.5响应非均匀性在均匀黑体辐照下，采集全帧像元响应值，计算其标准差σ与均值μ,响应非均匀性NU按公式（1）计算：6.6制冷性能a)启动时间：从300K到设定温度，热电偶监测芯片背面温度。b)功耗：直流电源串入电流表，记录稳定值。c)真空保持：采用氦质谱检漏仪，累积法测试漏率。6.7光谱响应采用傅里叶变换光谱仪，测试光束垂直入射窗口，记录响应率-波长曲线，取峰值50%处的波长为截止波长。测试波长步进应根据波段特性确定，短波(SW)建议不大于0.02μm，中长波建议不大于0.1μm。6.8盲元率a)响应盲元：响应率偏离中值±30%（单色）、±35%（双色）；b)噪声盲元：NETD>2倍中值（单色）、>2.2倍中值（双色）；c)线性盲元：线性度R²<0.95（单色）、R²<0.93（双色）；d)统计盲元数并计算百分比，双色探测器需分别统计两通道盲元率及重叠率。6.9有效量子效率采用双黑体法，测得探测器输出信号电子数与入射光子数，有效量子效率η_eff按公式（2）计算：公式（2）η_eff=(信号电子数/入射光子数)×100%（2）6.10饱和电荷容量测试通过改变积分时间，测量响应信号随积分时间的变化曲线，取曲线拐点对应的信号电荷量作为饱和电荷容量。6.11环境试验按第5.5条所列项目，分别执行GB/T2423系列、GJB150A系列相应标准规定的试验方法。T/CAEEXXX—202566.12电磁兼容按GJB151B—2013规定的方法，在10kHz～18GHz频段内进行测试。6.13辐射试验采用Co-60γ射线源，剂量率50～300rad（Si）/s，累积至100krad（Si）。6.14可靠性试验a)高低温循环：按GB/T2423.1、GB/T2423.2执行。b)恒定湿热：按GB/T2423.3执行。c)随机振动：按GB/T2423.10执行。d)机械冲击：按GB/T2423.5执行。6.15寿命试验连续通电：探测器安装于老化箱内，80℃环境温度，1000h，每100h抽测NETD、暗电流，记录衰减曲线。6.16双色探测器串扰测试a)测试设备：单色仪（波长分辨率0.1μm）、黑体（300K）、锁相放大器；b)测试步骤：1）对通道1输入其中心波长（如MW4μm），测量通道2的响应率；2）对通道2输入其中心波长（如LW8μm），测量通道1的响应率；c)计算方法：串扰率=（交叉通道响应率/目标通道响应率）×100%，需≤5%。7检验规则7.1检验分类产品检验分为出厂检验、型式试验、抽样检验3种。检验项目按表2进行7.2检验项目检验项目应符合表2的规定。表中“√”表示必检项目，“○”表示可选检或协议检验，“—”表示不检项目。表2检验项目一览表1√√√2√√√3√○—4√√√5√√√6√○—7√√○8√○—9√√√√○√√——√√√√√—√——√——√√√T/CAEEXXX—202577.3出厂检验每台装置出厂前,必须由质量部在正常条件下进行出厂试验,检验项目按照表2中规定的检验项目逐个进行,全部检验合格后,附有合格证及检验证记录方可允许出厂。7.4型式试验型式检验项目按表2中规定的检验项目逐个进行，并出具型式试验报告。当出现以下情况之一时，应进行型式试验：a)新产品定型，投运前。b)连续批量生产的产品每四年一次。c)正式投产后，如设计、工艺材料、元器件有较大改动，可能影响产品性能时。d)产品停产一年以上又恢复生产时。e)出厂试验结果与型式试验有较大差异时。f)国家技术监督机构或受其委托的技术检验部门提出型式试验要求时。g)合同规定进行型式试验时。7.5抽样检验对批量生产的产品，可按GB/T2828.1进行抽样检验。一般检验水平为II级，接收质量限（AQL）由供需双方协商确定，通常AQL=0.65。7.6判定规则若有任一项不合格，则判定该批产品不合格；型式检验不合格，应立即停止交付，分析原因并采取纠正措施。8标志、包装、运输、贮存8.1标志产品上应有：型号规格、序列号、生产日期、检验批号、制造商、方向标识、ESD敏感警示标志。8.2包装采用真空铝箔袋+干燥剂+缓冲泡沫盒。包装箱外按GB/T191标注“向上”“防潮”“易碎”等图示。随箱文件：合格证、测试报告、使用说明书、保修卡。8.3运输在-55℃~+70℃环境运输，相对湿度≤85%，避免剧烈振动、冲击、雨雪淋袭。8.4贮存包装好的装置应贮存在环境温度为温度-10℃~+40℃,相对湿度不大于60%，无腐蚀，爆炸性气体，贮存期2年内性能保持不变。9质量保证规定9.1质量一致性制造商应建立符合GB/T19001的质量管理体系，并保持过程能力指数Cpk≥1.33。9.2可追溯性从外延片、芯片、杜瓦、制冷机到整机的每个单元须具有唯一序列号及批次记录，保存期≥15年。9.3故障报告与纠正措施T/CAEEXXX—20258用户发现故障后7日内通报制造商，制造商30日内提供RCA（RootCauseAnalysis，根本原因分析）报告及纠正预防措施。10技术文档制造商应提供：a)产品规格书（含典型性能曲线、机械图、外形尺寸图、接口定义）；b)可靠性评估报告（含加速试验、FMEA、失效模式）；c)辐射加固试验报告；d)维修手册和备件清单；e)软件接口协议（CameraLink/CoaXPress/GigEVision）。f)一致性声明（CE、RoHS、REACH、冲突矿物）T/CAEEXXX—20259（规范性）超晶格材料HRXRD测试方法A.1仪器高分辨X射线衍射仪，配备CuKα1辐射(λ=0.15406nm），Ge(220)四晶单色器，以降低背景噪声，提高衍射信号的分辨率。探测器：采用闪烁计数器或半导体探测器，确保能准确捕捉高角度分辨率的衍射信号。仪器需具备θ-2θ扫描和ω扫描功能，且角度精度符合测试要求。A.2样品a)样品为片状超晶格材料，需明确其生长方向（如[001]等），确保衍射面与生长方向匹配。b)去除衬底背面氧化层，避免氧化层对衍射信号产生干扰；样品厚度≥500μm，以保证样品在测试过程中的稳定性和足够的衍射信号强度。c)样品表面需平整（粗糙度≤1.5nm），无划痕、污染，必要时需用无水乙醇超声清洗去除表面污染物。A.3测试步骤：A.3.1仪器校准用标准样品（如Si(111)）校准仪器的2θ零点和角度精度，确保衍射峰位置准确。校准过程中，需按照仪器操作手册进行，保证校准后的仪器满足测试要求。A.3.2样品装载将样品固定在样品台，调整样品台的水平与垂直度，确保超晶格材料的生长面与X射线入射方向垂直，以保证衍射信号的准确性。可通过仪器自带的调整装置进行精细调节，并用水平仪辅助检查A.3.3衍射扫描a)进行对称(004)ω/2θ扫描，设置步进为0.0005°,每点停留时间为2s。扫描范围需覆盖基底主峰及超晶格的-1、0、+1级卫星峰，可先进行预扫描确定大致范围，再进行精确扫描。b)在扫描过程中，准确记录零级峰与-1、+1级卫星峰的位置（即对应的2θ角度值）。c)对零级峰进行ω扫描（摇摆曲线）：固定2θ为零级峰对应的角度，扫描样品角度ω,步长可设置为0.001°,每点停留时间3s，获取摇摆曲线，用于分析晶体质量。A.3.4数据记录保存衍射强度（counts）与2θ（或ω)的关系曲线，导出数据格式为.txt或.csv，便于后续数据处理与分析。同时，记录测试过程中的仪器参数、样品信息等，确保数据的可追溯性。A.4数据处理根据记录的-1、+1级卫星峰与零级峰的位置，计算相邻卫星峰的2θ差值Δθ（取-1级与+1级卫星峰的2θ差值的一半），再依据公式T/CAEEXXX—2025计算超晶格的周期厚度d，其中λ为CuKα1辐射的波长（0.15406nm）。A.4.1晶格常数分析根据布拉格方程结合零级峰的位置，计算超晶格材料的晶格常数。需区分超晶格与基底的贡献，若基底衍射峰已知，可通过对比分析确定超晶格的晶格常数。A.4.2晶体质量评估通过ω扫描得到的摇摆曲线，计算其半高宽（FWHM）。FWHM≤30arcsec为合格，FWHM越小，表明晶体质量越好，可根据FWHM值判断超晶格材料的晶体完整性和缺陷密度。A.5注意事项A.5.1测试过程中，需保持仪器工作环境的稳定性，避免振动、温度波动等因素影响测试结果。仪器应放置在防震、恒温的实验室中。A.5.2样品装载时，需确保样品固定牢固，防止在扫描过程中发生位移。同时，避免用手直接接触样品表面，以免造成污染。A.5.3若测试过程中出现异常信号（如假峰应检查仪器状态、样品质量等，并进行重复测试验证。A.5.4测试完成后，及时清理样品台，关闭仪器电源，按照仪器维护手册进行日常维护。T/CAEEXXX—2025（资料性）可靠性试验失效判据示例B.1电性能失效判据B.1.1开路电压在标准测试条件下，探测器的开路电压与初始值相比，变化量超过±20%，则判定为失效。这是因为开路电压的大幅波动会直接影响探测器的能量转换效率和信号输出稳定性，无法满足正常工作时对电压信号的基本要求。B.1.2短路电流当探测器的短路电流较初始值下降超过40%时，视为失效。短路电流是探测器接收红外信号并进行光电转换的重要指标，其显著下降意味着探测器的光电转换能力大幅减弱，难以有效探测目标红外信B.1.3暗电流及暗电流密度在规定的反向偏压下，暗电流值超过初始值的3倍，或暗电流密度增加超过50%，判定为失效。暗电流及暗电流密度过大会增加探测器的噪声水平，降低信噪比，导致探测器在弱信号探测时出现误判或无法识别目标，严重影响探测精度。B.1.4响应率响应率与初始值相比，下降幅度超过35%，则判定为失效。响应率直接反映了探测器对红外辐射的敏感程度，下降过多会使探测器对红外信号的响应变得迟钝，无法准确捕捉到目标