CN202453086U - 带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，包括：散热片，采用强制对流式或水冷型散热方法，用于吸收热电制冷器热端传导出来的全部热量；HHL管壳组件，用来提供内部散热空间；热电制冷器，用于控制探测器管芯的温度，通过改变注入电流的大小来改变吸热量；光传输窗口，采用镀有硒化锌透镜来滤去可见光和其它杂光，通过钎焊材料连接到封装侧壁的元部件上；探测器管芯组件，采用n型的量子阱红外探测器芯片，通过砷化镓衬底焊接在具有45度角的V型槽内的热沉上，同时利用其无氧铜材料的良好热传导性能将探测器芯片的热量传递给热电制冷器的冷端。本实用新型实现在室温工作，有效地保证了较高的探测量子效率。

Description

带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装

技术领域

本实用新型涉及一种半导体器件的封装，具体涉及一种带有热电制冷器的n型量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photo detector，简称QWIP)的封装。

背景技术

中红外至远红外波段的探测器，特别是大气窗口3-5μm和8-12μm波段的探测器是近几年发展的重点。较成熟的传统红外探测器有碲镉汞(HgCdTe)和锑化铟(InSb)探测器，由于材料存在制备困难、器件工艺特殊、成本高、汞组分的不均匀性会严重导致探测波长的不均匀性等缺陷，使得该类探测器测量成品率低、面积难以做大，在制备红外焦平面阵列时失去了优势。正是这种困难的长期存在，使得一种新型的光导型器件得到发展机遇-这就是量子阱红外探测器。与其它探测器相比，量子阱红外探测器具有响应速度快、探测率高、探测波长均匀调谐、抗辐射能力强等优点，而且可以用分子束外延技术(MBE)或金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等先进工艺成长，容易做出高品质、大面积、均匀性强的探测器面阵。在所用的各种材料中，最典型的是应用最为广泛，技术最为成熟的砷化镓/铝镓砷(GaAs/Al_xGa_1-xAs)材料。目前，基于砷化镓/铝镓砷材料的量子阱红外探测器已经发展成熟，可以实现中、远红外以及太赫兹波段的探测。

目前，中远红外波段的探测器(包括碲镉汞探测器、锑化铟探测器、量子阱红外探测器)都需要在低温下工作，通常需要液氮杜瓦瓶或循环制冷机来制冷(一般77K)，严重限制了它们的应用推广。因此，能够在室温下或准室温下工作的中红外探测器将备受青睐。另外，量子阱红外探测器多为n型的探测器，具有45°的入射光要求，不能直接用C热沉(c-mount)或其它CS热沉(cs-mount)，因此急需要一种新的热沉(submount)来匹配n型的量子阱红外探测器。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是为n型的量子阱红外探测器提供一种使用满足探测器对45°入射光要求的热沉，同时能够在室温下正常工作的量子阱红外探测器的封装。

为了解决以上技术问题，本实用新型提供了一种带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，包括：

散热片，采用强制对流式或水冷型散热方法，用于吸收热电制冷器热端通过管壳的底层传导出来的全部热量；

HHL管壳组件，用来提供内部散热空间，通过钨铜材料的底板来减小内部空间热量的积累；

热电制冷器，用于控制探测器管芯的温度，通过改变注入电流的大小来改变吸热量；

光传输窗口，采用镀有高增透膜的硒化锌透镜来滤去可见光和其它杂光，通过钎焊材料连接到封装侧壁的元部件上；

探测器管芯组件，采用n型的量子阱红外探测器芯片，通过砷化镓衬底焊接在具有45度角的V型槽内的热沉上，同时利用其无氧铜材料的良好热传导性能将探测器芯片的热量传递给热电制冷器的冷端。

优选地，本实用新型的带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，所述的HHL管壳组件包括：

底板，采用钨铜材料作为底板，两面镀金，内部和热电制冷器的热端相接，外部紧贴着散热片。为了满足所需的热性能，平整度应高于1mm/m；

侧壁，采用可伐合金，镀有30-40微英寸厚度的金；

电极，一般采用可伐合金材料制成，镀有100微米厚度的金来增加导电性。

优选地，本实用新型的带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，所述的探测器管芯组件包括：

量子阱红外探测器，其在砷化镓衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积法依次逐层生长的，具有45度入射角的要求；

热沉，采用热传导较高的无氧铜材料，加工成45度斜角的V型槽，使n型量子阱红外探测器的衬底的抛光面与水平面垂直；

温度传感器，采用负温度系数的热敏电阻，用于检测探测器组件内的热沉上的温度，输出管芯温度的检测信号；

探测器的正电极，直接在上电极层引线在两边的陶瓷基底的电极层上，然后再从电极层上直接引电极到管壳电极柱上；探测器的负电极，直接从下电极层砷化镓衬底层上引线到热沉上，然后再从热沉上直接引电极到管壳电极柱上。

优选地，本实用新型的带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，所述的热电制冷器为两级串联结构的半导体/陶瓷制冷器，通过改变注入电流的大小来改变探测器芯片组件的温度。

优选地，本实用新型的带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，所述的量子阱红外探测器为n型的量子阱红外探测器，包括：砷化镓衬底层，n型掺杂的下电极层和n型掺杂的上电极层，用包括金属有机物化学气相沉积和刻蚀技术的工艺处理而成。

优选地，本实用新型的带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，所述的量子阱红外探测器的工作温度高于200K。

本实用新型具有以下优点：采用新型的量子阱红外探测器的封装方法不需要安置在杜瓦或循环制冷机中，仅利用热电制冷器可以实现在室温下或准室温下正常工作，工作温度大于200K；利用v型槽的新型热沉有效地保证了n型量子阱红外探测器具有较高的量子效率；利用温度传感器输出的热沉温度检测信号来修正探测器管芯的温度设定值，从而补偿了由于探测器组件上温度的变化带来探测器中心波长的变化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1a是本发明的风冷型带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装结构示意图；

图1b是本发明的水冷型带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装结构示意图；

图2是本发明的带有热电制冷器的量子阱红外探测器封装管壳(俯视图)；

图3是本发明的带有热电制冷器的量子阱红外探测器管芯组件示意图；

图4是本发明的探测器管芯组件背部示意图；

图5是采用的双级串联的热电制冷器示意图；

图6是带有热电制冷器的量子阱红外探测器封装管壳内部结构。

具体实施方式

图1a和图1b显示了是本发明的带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装结构示意图(图1a是风冷型，图1b是水冷型)，本发明的组件结构包括：

设置在封装管壳外部的散热片1，用于吸收热电制冷器热端通过管壳的底层传导出来的全部热量，一般采用外接风扇的强制对流式和水冷型散热方法。但是由于热电制冷器的制冷量是随着温差的增加而减小的，所以在设计时一定要尽量减小散热器的温度增加量。为了满足所需的热性能，平整度应高于1mm/m，所以有必要进行额外的抛光、飞刀切割、或者打磨，以求满足这种平整度的要求。

HHL管壳组件2，内部包含：封装好的热电制冷器3、光传输窗口4、探测器管芯组件5。利用其内部较大的散热空间，较高的导热率的钨铜底板，来减小内部空间热量的积累对探测器管芯的影响。

热电制冷器3，用于控制探测器管芯的温度，通过改变注入电流的大小来改变吸热量。

光传输窗口4，采用镀有高增透膜的硒化锌透镜来滤去可见光和其它杂光，通过钎焊材料连接到封装侧壁的元部件上。

探测器管芯组件5，采用n型的量子阱红外探测器芯片，通过砷化镓衬底焊接在具有45°角的V型槽内的热沉上，同时利用其钨铜材料的良好热传导性能将探测器芯片的热量传递给热电制冷器3的冷端。

图2显示了本发明的带有热电制冷器的量子阱红外探测器封装管壳(俯视图)，如图2所示，封装管壳包括：

底板2a，采用导热系数较高且热膨胀系和热电制冷器底部陶瓷陶瓷材料相当的钨铜材料作为底板，双面镀金，内部和热电制冷器的热端相接，外部紧贴着散热片。为了满足所需的热性能，平整度应高于1mm/m(0.001in/in)；

侧壁2b，一般采用可伐合金或Alloy 52材料制成，镀有约30-40微英寸厚度的金，一方面用来防止氧化，另一方面可以增加美观；

电极2c，一般采用可伐合金或4J42材料制成，镀有约100微米厚度的金来增加导电性。

图3显示了本发明的带有热电制冷器的量子阱红外探测器管芯组件示意图，如图3所示，探测器管芯组件5包括：

两个探测器芯片5a和5b，在GaAs衬底层5c上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积法依次逐层生长的，探测器芯片为n型量子阱红外探测器，子带跃迁对垂直入射光是禁戒的，因此有45°入射角要求。另外，两个探测器芯片起到备用的作用；

热沉6，采用热传导较高的无氧铜材料，加工成45°斜角的V型槽，使n型量子阱红外探测器的衬底5c的抛光面与水平面垂直；

温度传感器7，采用负温度系数的热敏电阻，用于检测探测器组件内的热沉上的温度，7c和7d为两个信号输出端，输出管芯温度的检测信号；

探测器的两个正电极5d，直接从上电极层打线到两边以陶瓷为基底的电极8上，然后再从电极层上通过点焊引电极到管壳电极柱上，其中金线直径大约40微米左右；探测器的负电极5e，直接从下电极层一砷化镓衬底引线到中间的陶瓷电极层上，通过点焊引电极到管壳电极柱上。

图4显示了本发明的探测器管芯组件背部示意图，如图4所示，温度传感器7是安置在热沉6的侧面上的负温度系数的热敏电阻，与承载探测器芯片的热沉紧密接触，因而能精确的检测探测器芯片上的温度。负温度系数的热敏电阻的阻值随着温度的升高而减小，可以通过外部的温度补偿电路，探测器上的温度可以被精确控制在合适的点温度上。

图5显示了双级串联的热电制冷器示意图，如图5所示，热电制冷器3为三级串联结构的半导体制冷器，一个制冷器的冷端面安装在其上一级的另一个制冷器的热端面上，这可以将最大温差提高到130℃以上，满足探测器在-60℃～-70℃的需求。

图6显示了是带有热电制冷器的量子阱红外探测器封装管壳内部结构。

本实用新型最重要的创新点在于，采用的新型V型槽热沉不仅可以有效地解决n型量子阱红外探测器需要45°入射角的问题，同时还缩短了电极层上打线的距离，有效地避免了金线长度引入新的电感对高频信号的影响。

本发明优点在于：采用新型的量子阱红外探测器的封装方法不需要安置在杜瓦或循环制冷机中，仅利用热电制冷器可以实现在室温下或准室温下正常工作，工作温度大于200K；利用v型槽的新型热沉有效地保证了n型量子阱红外探测器具有较高的量子效率；利用温度传感器输出的热沉温度检测信号来修正探测器管芯的温度设定值，从而补偿了由于探测器组件上温度的变化带来探测器中心波长的变化

Claims (6)

1.一种带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，其特征在于，包括：

散热片，采用强制对流式或水冷型散热方法，用于吸收热电制冷器热端通过管壳的底层传导出来的全部热量；

HHL管壳组件，用来提供内部散热空间，通过钨铜材料的底板来减小内部空间热量的积累；

热电制冷器，用于控制探测器管芯的温度，通过改变注入电流的大小来改变吸热量；

光传输窗口采用镀有高增透膜的硒化锌透镜来滤去可见光和其它杂光，通过钎焊材料连接到封装侧壁的元部件上；

探测器管芯组件，采用n型的量子阱红外探测器芯片，通过砷化镓衬底焊接在具有45度角的V型槽内的热沉上，同时利用其无氧铜材料的良好热传导性能将探测器芯片的热量传递给热电制冷器的冷端。

2.如权利要求1所述的带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，其特征在于，所述的HHL管壳组件包括：

底板，采用钨铜材料作为底板，两面镀金，内部和热电制冷器的热端相接外部紧贴着散热片。为了满足所需的热性能，平整度应高于1mm/m；

侧壁，采用可伐合金，镀有30-40微英寸厚度的金；

电极，一般采用可伐合金材料制成，镀有100微米厚度的金来增加导电性。

3.权利要求1所述的带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，其特征在于，所述的探测器管芯组件包括：

量子阱红外探测器，其在砷化镓衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积法依次逐层生长的，具有45度入射角的要求；

热沉，采用热传导较高的无氧铜材料，加工成45度斜角的V型槽，使n型量子阱红外探测器的衬底的抛光面与水平面垂直；

温度传感器，采用负温度系数的热敏电阻，用于检测探测器组件内的热沉上的温度，输出管芯温度的检测信号；

探测器的正电极，直接在上电极层引线在两边的陶瓷基底的电极层上，然后再从电极层上直接引电极到管壳电极柱上；探测器的负电极，直接从下电极层砷化镓衬底层上引线到热沉上然后再从热沉上直接引电极到管壳电极柱上。

4.权利要求1所述的带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，其特征在于，所述的热电制冷器为两级串联结构的半导体/陶瓷制冷器，通过改变注入电流的大小来改变探测器芯片组件的温度。

5.权利要求1所述的带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，其特征在于，所述的量子阱红外探测器为n型的量子阱红外探测器，包括：砷化镓衬底层，n型掺杂的下电极层和n型掺杂的上电极层，用包括金属有机物化学气相沉积和刻蚀技术的工艺处理而成。

6.权利要求1所述的带有热电制冷器的量子阱红外探测器的封装，其特征在于，所述的量子阱红外探测器的工作温度高于200K。

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