XenICs近红外InGaAs相机的性能测试 冯志伟 邓建 宋谦 中国科学院国家天文台

WAVELENGTH RANGE (microns) TEMPERATURE RANGE (degrees Kelvin) 红外波段位于可见光和亚毫米波，射电波段之间 红外辐射的波长范围为：770nm～(200-350)μm, 亚毫米波：(200-350)μm ～1mm。 红外波段又可分为： SPECTRAL REGION WAVELENGTH RANGE (microns) TEMPERATURE RANGE (degrees Kelvin) WHAT WE SEE Near-Infrared (0.7-1) to 5 740 to (3,000-5,200) Cooler red stars Red giants Dust is transparent Mid-Infrared 5 to (25-40) (92.5-140) to 740 Planets, comets and asteroids Dust warmed by starlight Protoplanetary disks Far-Infrared (25-40) to (200-350) (10.6-18.5) to (92.5-140) Emission from cold dust Central regions of galaxies Very cold molecular clouds 2019/5/9

天文用近红外焦平面阵列探测器 从探测机制上主要分为二类： 热探测器（对波长无选择性，在红外可做到全波响应） 光子探测器（光电效应） 目前天文观测常用的是光子探测器，它又分为三类： 光导（pc）探测器（内光电效应） 光伏（pv）探测器（阻挡层光电效应） 金属-绝缘体-半导体（MIS）探测器 2019/5/9 3

近红外段，天文上常用的主要有InSb, HgCdTe, PtSi 等3 种 工作波长 0.9~5.5µm 0.8~25µm 1.1~5.5µm 类型 PV MIS 峰值量子效率 >60% 55%~75% 2%~8% 工作温度 77~90K 213K（0.8~2.5µm） 77K（2.5~25µm） ~57K 2019/5/9 4

Cut-off Wavelength： Eg与温度有关，将探测器制冷，可降低Eg, 增加λC 同时，温度降低，从而降低暗电流，提高了灵敏度。 2019/5/9 5

InGaAs焦平面阵列 In1-xGaxAs材料的特性 闪锌矿立方晶体结构。晶格常数随组分变化关系遵循Vegard定律,近似为线性: a(x)=xaGaAs+(1-x)aInAs 由GaAs的0.56533nm 变化到InAs 的0.60583nm。当其组分x=0.53时，In0.47Ga0.53As晶格常数与磷化铟(InP)的晶格常数完全匹配。因此，可以在InP衬底上外延生长高质量的In1-xGaxAs薄膜。 其次，In1-xGaxAs为直接带隙材料，其禁带宽度Eg随组分由InAs 的0.35eV 变化到GaAs 的1.43eV 与之相对应的截止波长分别为3.5µm 和0.87µm。由于石英介质光纤的低损耗带通在1.2~1.7µm 之间。当时x=0.53时In1-xGaxAs对应的截止波长为1.7µm正好覆盖了光纤通讯的常用波长范围1310nm 和1550nm。 2019/5/9 6

不同组分的InGaAs和Si探测器的量子效率 2019/5/9

Sensor Unit (SU) contains the InGaAs PDA 2019/5/9 8

A to D conversion resolution 近红外探测器 厂家：比利时XenICs公司 型号：XEVA-1.7-640 Array Type InGaAs Spectral band Standard: 0.9 to 1.7 μm # Pixels 640 x 512 Pixel Pitch 20 μm Array Cooling TE-cooled Pixel operability > 99% Gain 4 gain settings Noise level: Low gain High gain 7 AD counts 14 AD counts S/N ratio : Low gain 67 dB 61 dB A to D conversion resolution 14 bit 2019/5/9

性能研究 增益 读出噪声 线性 暗流 量子效率和光谱响应曲线 比探测率 D* (max) 噪声等效功率 NEP (min) 缺陷像元 2019/5/9 10

近红外焦平面阵列相机检测平台示意图 2019/5/9 11

检测平台 用于测量量子效率、增益、读出噪声及线性等指标，主要组成为： 单色仪 光源及其电源 积分球 光电探头和微电流计 挡光设备 精密万向平台 精密测距显微镜 2019/5/9 12

结 果 增益(Gain)、读出噪声（Readout Noise）、线性(Linearity) Least 结 果 增益(Gain)、读出噪声（Readout Noise）、线性(Linearity) Least Gain (e-/ADU) RN (ADU) RN (e-) Linearity (%) Ch 1 566.82 4.22 2393.64 0.9862 Ch 2 597.75 2.66 2524.24 0.9863 Ch 3 603.28 2.80 2547.60 Ch 4 597.37 2.68 2522.64 0.9864 Mean 591.31 3.09 2497.03 Lower than average Gain (e-/ADU) RN (ADU) RN (e-) Linearity (%) Ch 1 427.77 4.47 1912.76 0.9912 Ch 2 429.25 2.97 1919.37 Ch 3 430.09 3.11 1923.15 Ch 4 427.39 3.01 1911.07 Mean 428.62 3.39 1916.59 2019/5/9

Higher than average Most Gain (e-/ADU) RN (ADU) RN (e-) Linearity (%) Ch 1 319.10 5.00 1595.58 0.9923 Ch 2 304.86 3.73 1524.38 0.9924 Ch 3 306.62 3.78 1533.13 Ch 4 303.33 1516.73 Mean 308.48 4.06 1542.46 Most Gain (e-/ADU) RN (ADU) RN (e-) Linearity (%) Ch 1 193.17 7.20 1391.76 0.9911 Ch 2 188.53 6.35 1358.31 0.9913 Ch 3 186.98 6.45 1347.12 Ch 4 185.66 6.40 1337.62 Mean 188.58 6.60 1358.70 0.9912 2019/5/9

量子效率（QE） 量子效率曲线 2019/5/9 光谱响应曲线

比探测率 D* (max) 1.368E+011 Jones (cm*Hz1/2/W) 噪声等效功率 NEP (min) 7.154E-014 W 缺陷像元 暗场信号平均值：1302.2242ADU 曝光图像信号平均值：6637.9556ADU 热像元（暗场中大于平均值5倍的像素）数量：40 (0.04884% ) 死像元（曝光图像中小于平均值10%的像素）数量：0 (0% ) 坏像元（曝光图像中偏离平均值大于+/-12%的像素）数量：136 (0.16606% ) 总缺陷像元（热像元、死像元和坏像元）数量：136 (0.16606% ) 2019/5/9

暗流 (Dark Current) -40oC/233K 暗流平均值:30.31±0.50e-/pixel/ms 2019/5/9

-43oC/230K -44oC/229K 暗流平均值: 25.81±1.06e-/pixel/ms 2019/5/9 暗流平均值: 20.56±0.32e-/pixel/ms

-40oC/233K、-43oC/230K、44oC/229K、-45oC/228K 暗流平均值: 23.78±0.24e-/pixel/ms -40oC/233K、-43oC/230K、44oC/229K、-45oC/228K 2019/5/9

结 果 暗流 从上述两个温度设置时的暗流作图中我们可以看到，在积分时间≥500ms时，暗流才具有线性，故建议在实际观测中，在积分时间<500ms时，要对每个积分时间分别采集暗流图像，以用于对观测结果进行修正。 暗流随制冷温度降低而下降，但在-45oC/228K时又升高，说明该相机的制冷不稳定，即不能在标称最低温度下工作，这是因为半导体制冷能力与环境温度有关，因此在实际观测时，要根据环境温度设定可靠工作温度。 2019/5/9

谢 谢！ 2019/5/9