32×32 Si盖革模式激光焦平面探测器

为了满足350 nm~1100 nm波长范围内远距离及微弱激光3维成像探测的需求,提出了一种规模为32×32的盖革模式硅激光焦平面阵列探测器,它主要由硅雪崩光电二极管阵列、读出电路芯片、微透镜阵列、半导体制冷器、引脚网格阵列壳体等元件组成。硅雪崩光电二极管焦平面阵列采用拉通型N^(+)-Π_(1)-P^(-)-Π_(2)-P^(+)结构,工作在盖革模式下,通过Si片背面抛磨减薄及盲孔刻蚀技术,实现了纤薄光敏区的加工;读出电路采用主动模式淬灭设计,使电路单元的死时间控制在50 ns以内,并利用一种带相移技术的时间数字转换电路优化方案,在满足时间分辨率不大于2 ns的同时,降低了读出电路芯片的功耗。结果表明,在反向过偏电压14 V、工作温度-40℃的条件下,该探测器在850 nm的目标波长可实现20.7%的平均光子探测效率与0.59 kHz的平均暗计数率,时间分辨率为1 ns,有效像元率优于97%。该研究为纤薄型背进光Si基激光焦平面探测器的研制提供了参考。

光伏型红外焦平面探测器NETD的理论计算和测试分析

噪声等效温差(NETD)是表征红外焦平面探测器灵敏度的重要参数,除了器件本身的因素以外,与实际应用条件及测试条件密切相关。从红外焦平面探测器NETD的测试方法和流程出发,对光伏型红外焦平面探测器NETD的理论计算公式进行了推导,分析了影响器件NETD的主要因素,对典型红外焦平面探测器在不同积分时间、不同电荷存储量、不同F数及半阱输出条件下的背景限NETD进行了理论计算及分析。在固定背景温度下,通过理论公式可从某一温差的NETD推算出不同温差的NETD,选择典型器件进行验证,从常规NETD测试结果推算出的一组NETD与相应温差下的实测结果符合较好,其中1 K温差的NETD推算结果已非常接近实际情况,可为热像仪系统应用提供参考。

基于单个宽频CMOS探测器的太赫兹焦平面扫描成像系统

太赫兹波是介于毫米波与红外光之间的电磁波,具有强穿透性、非电离性、高瞬时带宽等特点,在安全检查、无损检测、医疗成像等领域有着广阔的应用前景。在成像系统中,探测器是至关重要的部分。本文提出了一种将不同中心频率的窄带探测器输出结合实现宽频带探测的结构,为了减少面积,这些窄带探测器采用嵌套式结构,即高频窄带探测器被依次放置在低频窄带探测器的内部,每一个窄带探测器均包括环形天线、匹配网络和场效应晶体管检波电路。该探测器由65 nm标准CMOS工艺制成,探测频率范围覆盖了100~1000 GHz。基于该宽频探测器搭建实现了太赫兹焦平面成像系统,该系统主要包括太赫兹辐射源、聚四氟乙烯(PTFE)透镜、宽频CMOS探测器等。实验结果表明,该成像系统在100 GHz、220 GHz和300 GHz频率下能够稳定成像,并且随着频率的提高,成像质量也明显提升。通过对得到的成像结果使用形态学闭运算进行优化,解决了成像中信息缺失的问题,有效地改善了成像质量。

激光3维成像线性焦平面探测器读出电路研究进展

激光焦平面探测器是一种新型的光电成像器件,它利用半导体内部载流子的雪崩倍增效应实现高速、高灵敏度、纳秒级时间分辨探测,用于凝视型激光3维成像系统。探测器主要分为线性和盖革两大类,其中线性模式探测器具有响应速度快、无死时间和后脉冲、可实现单脉冲瞬时成像等优点。首先介绍了在不同应用场景下,线性模式焦平面读出电路的两种架构并简述其原理,然后阐述像素单元的关键电路模块,比较了其优缺点,最后分析了两种减小行走误差的双阈值时刻鉴别方法。为相关领域的研究者提供了一些有益的参考和借鉴。

红外焦平面探测器复合条件工作点闪元标定方法

针对闪元传统标定方法的不足,提出一种结合灰度域图像和能量域图像进行复合条件工作点闪元标定的方法。该方法解决了单一工作点对闪元激发条件不够充分和探测器非均匀性所造成的闪元漏检等问题。实验验证表明,单一工作点上闪元检测率平均提高了12.49%,与传统方法相比,整体闪元检测率提高了9.41%。本文所提方法有效提高了闪元的检出率。

冷屏对红外焦平面探测器组件性能的影响

分析了国内早期中波320×256红外焦平面探测器组件与国外同类产品在装机性能上的差异,采用三种实验方法检测了国内外探测器组件的光电性能,通过对探测器组件光电转换和结构的分析,确定出杂散光在冷屏内部的反射是导致测试结果差异的原因,冷屏内表面黑化层和结构形式是影响组件实际应用的关键。冷屏结构改进后,有效改善了国内探测器组件的实际应用性能。

非制冷铁电混合式红外焦平面探测器

介绍了国内非制冷铁电混合式红外焦平面探测器的最新研究进展,给出器件所采用的铁电材料的基本物理和电学特性参数、器件的热隔离技术和相应参数、读出电路的基本结构和性能,详细讨论了影响性能的关键参数和工艺,最后对试验结果进行了分析.

短波红外焦平面探测器及其应用进展

简要介绍短波红外焦平面阵列(SWIRFPA)的相关概念,从探测器材料、探测器制备工艺方面讲述国内外在短波红外焦平面探测器研究领域取得的进展,列举HgCdTe和InGaAs材料短波红外焦平面探测器产品,描述当前短波红外焦平面探测器的研究动向,最后列举了一些有代表性的短波红外焦平面阵列的应用。

红外焦平面探测器的读出电路

红外焦平面阵列是现代红外成像系统的关键元件 ,不论是混合式还是单片式红外焦平面阵列 ,都采用读出电路来实现信号的多路传输以减少阵列输出信号线的数目。论述了读出电路在焦平面信号传输中的作用 ;讨论了用于实现红外焦平面阵列读出电路的一些实施技术 ;

320×256 GaAs/AlGaAs长波红外量子阱焦平面探测器

量子阱红外探测器(Quantum well infrared photodetector,QWIP)已经经历了20多年的深入研究,各种QWIP器件,包括量子阱红外探测器焦平面阵列(FPA)的研制也已经相当成熟。但是在国内,受制于整体工业水平,QWIP焦平面阵列器件的研制仍然处于起步阶段。研制了基于GaAs/AlxGa1-xAs材料、峰值响应波长为9.9μm的长波320×256 n型QWIP焦平面阵列器件,其像元中心距25μm,光敏元面积为22μm×22μm。GaAs衬底减薄后的QWIP焦平面阵列,与Si基CMOS读出电路(ROIC)通过铟柱倒焊互连,并且在65 K工作温度下进行了室温环境目标成像。该焦平面器件的规模和成像质量相比之前国内报道的结果都有较大提高。焦平面平均峰值探测率达1.5×1010cm.Hz1/2/W。

160×128元多量子阱长波红外焦平面探测器件研制

报道了新研制出的160×128元GaAs/AlGaAs多量子阱长波红外焦平面器件。使用MBE的方法在半绝缘的GaAs衬底上生长器件结构;开发了用普通光刻技术和离子束刻蚀法制备2D光栅技术,以及探测器芯片与读出电路互联技术。在77 K时测试,器件的平均峰值探测率Dλ*=1.28×1010 cmW-1Hz1/2,峰值波长为λp=8.1μm,截止波长为λc=8.47μm。器件的非盲元率≥98.8%,不均匀性10%。

国外非制冷红外焦平面阵列探测器进展

非制冷红外焦平面阵列探测器是目前发展最为迅速的红外探测器种类之一,并已广泛渗透到军事和民事应用中。本文重点阐述几种国外具有代表性的非制冷红外焦平面探测器的现状及其发展趋势。

InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色红外焦平面探测器

InAs/GaSb超晶格材料已经成为了第三代红外焦平面探测器的优选材料。开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器器件结构设计、材料外延、芯片制备,对钝化方法进行了研究,制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器。首先以双色叠层背靠背二极管电压选择结构作为基本结构,设计了中/短波双色芯片结构,然后采用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料。采用硫化与SiO2复合钝化方法,最终制备的器件在77 K下中波二极管的RA值达到13.6 kΩ·cm^2,短波达到538 kΩ·cm^2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3μm,中波为3~5μm。双色峰值探测率达到中波3.7×10^11cm·Hz^1/2W^-1以上,短波2.2×10^11cm·Hz^1/2W^-1以上。响应非均匀性中波为9.9%,短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%,短波为98.06%。

128×128混合式热释电非致冷焦平面探测器列阵铟膜及铟柱制备工艺研究

着重介绍了我们在“1 2 8×1 2 8混合式热释电非致冷焦平面探测器列阵(UFPA)”研制中铟膜及铟柱的制备和我们选择铟做混合式UFPA互连材料的理由与互连方法。强调了铟膜制备基本工艺要求。根据薄膜均匀性要求 ,计算出了蒸发源距工件的距离及所需材料量 ,确定了保证铟膜不氧化的关键数据及具体操作。文中给出了铟柱列阵显微照片 (显示了铟膜厚度)和铟柱列阵的立体形貌像 ,还介绍了铟柱列阵成型方法及铟柱生长工艺流程 ,并叙述了倒装互连技术 ,且给出了我们的成像演示照片和器件照片 。

圆形冷屏下红外焦平面探测器光敏元立体角的计算及其成像仿真

给出了圆形冷屏限制下红外焦平面器件任一光敏元立体角的数学模型,该模型由非线性方程组描述,通常,难以求出相应的解析解。以320×256面阵器件为例介绍了一种数值求解方法,即先从面阵中选取若干光敏元作为采样点,用SolidWorks三维实体造型软件求出这些光敏元对应的若干几何参数,再用MATLAB做样条插值计算,求出任一点处光敏元的立体角数值。将这些立体角的相对值投影到0～255的整数值范围,可以得到一张伪灰度图,该图反映了理想情况下面阵器件对均匀面源黑体的成像效果。

2μm像元间距GaAs/AlGaAs量子阱红外焦平面探测器

量子阱焦平面探测器具有大面阵焦平面探测器重复性和均匀性好、成品率高、成本低等明显的产业化优势,在军民两用领域获得了广泛而重要的应用。为了尽快研制出全国产化高性能量子阱红外焦平面探测器,通过完全正向的器件设计,采用常规光刻和反应离子刻蚀方法,成功研制出87.1%的高占空比320×256长波量子阱焦平面探测器,峰值波长9μm,平均峰值探测率1.6×1010cm·Hz1/2·W-1。第一支样管的噪声等效温差为33.2mK,响应率不均应性8.9%,面阵盲元率1%。在70K温度下获得了1km和4.2km处的建筑物的清晰成像。实验结果充分显示了器件设计的正确性及研制技术的可控性。

双色焦平面红外探测器相对光谱串音研究

提出了一种评价双色探测器的相对光谱串音的模型及测试方法。为验证模型及测试方法的可行性,采用分子束外延锗基叠层异质结构碲镉汞薄膜材料,研制了微台面结构短波/中波双色红外焦平面探测器原理器件,进行了相对光谱串音测试,归纳出3种主要的相对光谱串音模式,并结合材料、器件结构和工艺特点,分析了相对光谱串音的成因。

红外焦平面探测器暗电流计算

红外焦平面探测器的暗电流一般是在零视场(即盲冷屏)条件下进行测试,但这种测试方法必须改变组件结构,只适用于实验室测试。介绍了一种不需要改变组件结构,仅通过基本的性能测试就可以从理论上分析计算得到红外焦平面器件暗电流的方法。对320×256长波探测器组件的试验结果表明,用该方法得到的暗电流结果与用盲冷屏得到的暗电流结果非常接近,可作为红外焦平面探测器暗电流评估的快捷方法。

平面PN结InSb红外焦平面探测器的研究

研究了基于Be离子注入技术的平面型和Cd扩散技术的台面型锑化铟红外焦平面阵列(IRFPA)探测器芯片工艺流程。并进行了芯片I-V、成像结果等对比测试,Be离子注入平面型器件和扩散台面型芯片的性能水平相当,具备一定的工程应用水平。

双色碲镉汞红外焦平面探测器发展现状

主要介绍了双色碲镉汞红外焦平面阵列的应用需求和国外发展现状,对其工作模式、器件结构、器件制备的关键工艺技术、双色读出电结构进行了阐述说明。