Characterization of a novel HgCdTe focal plane array for ground and space astronomy through innovative infrared setups
Authors:   , Jiménez Rojas Jorge Iván 
Published: September 2024

(English) Nowadays, mercury-cadmium-telluride (MCT) short-wave infrared (SWIR) detectors are widely used in cutting-edge space
missions and ground-based telescopes. They take advantage of the fact that the dust and gases in the deep-sky are almost
transparent to most of the infrared spectrum, allowing redshifted light from the farthest and youngest universe to be easily
detected.
Despite the maturity of the infrared technology, large focal plane arrays (FPAs) (> 4 million pixels) are still under development. To
advance in this technology, the H2020-COMPET program funded the ASTEROID project, which aims to develop a large
European-made MCT FPA of 2k x 2k and 15 µm pixel pitch. The key to success for such a breakthrough development relies on
the hybridization reliability between the MCT and the readout electronic circuit (ROIC). This process is performed using indium
bumps but, due to the different coefficient of thermal expansion and the fact that the ASTEROID FPA is operated at 100K, it
causes plastic and elastic deformations in the whole assembly, thus leading to potential hybridization failures.
Then, how the temperature and the thermal stress are affecting the performance of a large MCT FPA? To get an answer to this
question, two setups were built: a cryo-vacuum setup with capabilities to perform several thermal cycles on the resulting
ASTEROID FPA and an optical setup designed to illuminate the detector while it is thermally stressed. The FPA under test was
thermally cycled 30 times between 293K and 50K. The cycle starts at room temperature (293K), then the FPA is cooled down to
100K, the temperature at which the detector is illuminated and the images captured. Afterward, the FPA is cooled down to 50K
and the cycle ends with the FPA temperature at 293K before starting a new cycle.
During the cryo-vacuum setup development, the cryostat temperature stability demanded special attention due to the huge mass
of the inner parts and the opto-mechanical pieces. After control and thermal simulations, a temperature stability of <0.5 mK was
reached at every stationary setpoint (293K, 100K and 50K) while the temperature slew rate was kept around 0.5 K/min.
Concerning the optical setup, it was developed to cover the whole ASTEROID wavelength range with monochromatic light in
steps of 10 nm. A quartz-tungsten-halogen (QTH) stabilized lamp was used, which is collimated and single wavelengths were
selected through an astigmatism-corrected Czerny-Turner monochromator. The light was homogenized using a low emissivity
gold-coated integration sphere installed at the cryostat entrance window. Inside the cryostat, the optical path was extended
through a light baffle and a short-pass filter, both cooled below the detector temperature in order to reduce the thermal radiation.
The ASTEROID FPA has been developed using a custom pixel configuration in such a way that two pixel levels are identified:
“blind” and “active”. They were spread out and intermingled along the whole FPA forming a kind of “chessboard” with pixel
values separated by ~10 kADU. Furthermore, some extra complexity to the clustering process was added due to the FPA has 32
output channels, each with a unique offset level. To binarize the images, up to four classification and thresholding algorithms
were tested and compared to each other, to finally select the best one concerning low detection error and the highest success to
resolve pixel failures.
Finally, the detector degradation due to thermal stress was measured by counting the number of damaged pixels on every
thermal cycle during almost one month, demonstrating that the novel ASTEROID FPA and its hybridization process is minimally
affected by the temperature stress, being the number of damaged pixels negligible.
(Español) Actualmente, los detectores infrarrojos de mercurio-cadmio-telurio (MCT) de longitud de onda corta se utilizan ampliamente en la mayoría de las misiones espaciales y telescopios terrestres. Esto responde a la principal ventaja que las longitudes de onda infrarrojas ofrecen: el polvo y los gases del espacio-profundo son casi transparentes a la mayor parte del espectro infrarrojo, por lo que la luz desplazada hacia el infrarrojo, que proviene del universo más lejano y joven, llega fácilmente a los detectores.
A pesar de la madurez de la tecnología infrarroja, los detectores de gran tamaño (>4 millones de píxeles) aún están en desarrollo. Para avanzar en esta dirección, el programa H2020-COMPET ha financiado el proyecto ASTEROID, el cual busca producir en Europa detectores de 2k x 2k pixels con un paso de píxel de 15 µm. El éxito de este detector depende de la fiabilidad que se consiga, durante su fabricación, en el proceso de hibridación. Este proceso utiliza contactos de indio (In) para unir el detector (MCT) y el circuito electrónico de lectura (ROIC por sus siglas en inglés), pero debido a los diferentes coeficientes de expansión térmica y que la temperatura de operación del detector ASTEROID es de 100K, se inducen deformaciones plásticas y elásticas en todo el detector que podrían dañar la hibridación.
Pero, ¿cómo afecta la temperatura y el estrés térmico al rendimiento de un detector de gran tamaño? Para obtener respuesta a esta pregunta, se construyeron dos bancos de pruebas: un criostato con capacidad para realizar varios ciclados térmicos sobre el detector ASTEROID y un banco óptico con una configuración adecuada para iluminar el detector mientras es sometido al estrés térmico. De esta manera, el detector fue sometido a 30 ciclos térmicos entre 293K y 50K. Cada ciclo comienza con e detector a temperatura ambiente (293K) y luego se enfría hasta 100K, temperatura a la cual el detector se ilumina y se capturan las imágenes. Después éste se enfría hasta 50K para finalmente terminar el ciclo con el detector a 293K y comenzar nuevamente.
Durante el diseño del criostato, la estabilidad de la temperatura del detector demandó especial atención; gracias a las simulaciones térmicas y del control, se alcanzó una estabilidad en la temperatura del detector <0.5 mK para todas las consignas de temperatura (293K, 100K y 50K).
Con respecto al banco óptico, éste se desarrolló para cubrir todo el rango de longitudes de onda del detector ASTEROID con luz monocromática y una resolución espectral de 10 nm utilizando un monocromador y una lámpara estabilizada de cuarzotungsteno- halógeno (QTH). La luz es homogeneizada mediante una esfera integradora de baja emisividad, instalada justo delante de la ventana del criostato. Dentro de éste, el camino óptico se extiende a través de un deflector óptico y un filtro pasabajos, ambos enfriados con el fin de reducir la radiación térmica.
El detector ASTEROID ha sido desarrollado utilizando una original configuración de píxeles, de tal manera que se identifican dos niveles: “ciegos” y “activos”. Éstos se distribuyen intercalados por todo el detector formando una especie de "tablero de ajedrez" con valores que rondan los 10 kADU entre niveles. Además, el hecho de que el detector tenga 32 canales de salida y cada uno disponga de su propio nivel de umbral, agrega cierta complejidad al proceso de clasificación. Al final, las imágenes se binarizaron utilizando hasta cuatro algoritmos de clasificación y umbralización, para finalmente escoger el mejor de ellos resolviendo píxeles dañados y con la menor incertidumbre.
Finalmente, la degradación del detector debido al estrés térmico se midió contando el número de píxeles dañados en cada ciclado térmico, los cuales fueron realizados durante casi un mes, demostrando que el detector ASTEROID y su proceso de hibridación son mínimamente afectados por el estrés térmico, siendo despreciable el número de píxeles dañados.