InGaAs探测器热电制冷方法研究

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1、第32卷第4期航天返回与遥感2011年8月SPACECRAFTRECOVERY&REMOIESENSING53InGaAs探测器热电制冷方法研究董长哲王宇李明丁晓燕(北京空间机电研究所，北京100076)摘要InGaAs探测器在短波红外领域具有良好的探测率，对空间遥感和探测有重要的价值。为了实现空间红外仪器的高灵敏度要求，使用热电制冷技术设计了探测器制冷系统，使探测器稳定地工作在合适的温度，以相对较小的体积和功耗代价显著地提高红外仪器的探测灵敏度。关键词红外仪器InGaAs探测器热电制冷空间遥感中图分类号：TB66文献标识码：A文章编号：1009—8518(2011)04—0053

2、—06StudyofThermoelectricRefrigerationforInGaAsDetectorsDongChangzheWangYuLiMingDingXiaoyan(BeijingInstituteofSpaceMechanics&Electricity，Beijing100076，China)AbstractInGaAsdectectorsarevaluabletospatialremotesensinganddetectionforthehighdecteetivityintheshortwaveinfraredrange．Inordertosatisfythe

3、highsensitivitydemandofinstruments，athermoelectricrefrig—erationsystemwasdesignedtomakeInGaAsdectectorsfunctioninanappropriatetemperature．Then，thesensi—tivityofinfraredinstrumentswasenhancedsignificantlyattheeostofrelativelylessvolumeandlowerpower．KeywordsInfraredinstrumentsInGaAsdectectorsThe

4、rmoelectricrefrigerationSpatialremotesensing1引言近年来，红外仪器在空间遥感和探测领域的应用越来越多。探测器的性能对整个仪器的性能有着关键性的作用。短波红外谱段是空间遥感和探测领域一个很重要的窗口，可以很好的反映各种物质信息。这个窗口透射率很高，很多物质例如矿物质、气体在此谱段都有特定的光谱信号川。此外，对应于此谱段的探测器技术也日趋成熟。在短波红外领域，InGaAs探测器以其探测性能优良、可在常温条件下工作等优势，在空间遥感和探测领域得到了广泛的应用。例如，法国的陆地卫星SPOT4／SPOT5、欧洲环境卫星ENVISAT、印度环境卫星和

5、资源卫星均采用了InGaAs长线列焦平面器件，用于短波红外的探测】。但是，尽管典型的InGaAs探测器在室温下有较高的像元探测率，已成功地应用于部分遥感领域，但对于探测灵敏度要求较高的系统，尤其是其在空间领域中的应用，进一步降低其噪声非常必要。在InGaAs探测器的各种噪声源中，暗电流噪声起着主导作用，尤其在弱光、长积分时间条件下其影响更为显著。采用对探测器制冷的方法减小其暗电流是提高整个红外仪器探测灵敏度的一个重要手段．但是制冷的同时也会带来体积、质量、功耗的增加。因此，在保证探测灵敏度的前提下如何缩小制冷系统的体积和功耗是一个关键问题。针对此问题，本文首先分析了InGaAs探测

6、器的工作原理，然后提出了一种综合考虑体积、功耗因素的制冷方案——通过热电制冷器对InGaAs探测器进行制冷，有效降低了其暗电流噪声，提高了收稿日期：2011-03—0854航天返回与遥感20l1年第32卷InGaAs探测器的探测灵敏度，改善了红外仪器的性能。2InGaAs探测器分析用于短波红外领域的探测器有InGaAs探测器和HgCdTe探测器两种。HgCdTe材料制作的探测器存在很大的局限性，HdTe的晶体制备困难，材料具有较高的本征缺陷密度，且在较高温度或辐射作用下性能不稳定，此外，HgCdTe要求有极为精确的组分控制，精确地确定其禁带宽度，以控制材料的光响应截止波长，要使整个

7、晶片有很高的组分均匀性相当困难，这使得制备探测器阵列难度加大。而且HgCdTe材料本身存在着严重的隧道效应，为了使其能够灵敏地探测出红外辐射量的微弱变化，必须在非常低的温度条件下工作，以抑制噪声的影响，因而装置复杂，价格昂贵，使用不方便，在应用方面受到诸多限制。而InGaAs材料具有直接间隙，高电子迁移率，可与InP晶格匹配生长等优点，由它制作的探测器量子效率高、探测率高，在较高的温度条件下也可以工作，这样就使其结构简单、成本低、质量轻、使用方便，在应用方面具有可以减