解析新型量子光電探測器的讀出與顯示

2020-11-30 電子產品世界

　　1.引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/367064.htm

　　目前工業、醫療、天文和軍事對近紅外探測和成像有大量需求，本文介紹了一種響應近紅外的新型高增益GaAs/InGaAs量子光電探測器。首先測試和討論了探測器的I-V特性，探測器偏壓為-1.5V時響應率大於10A/W，響應率隨光照功率增大減小。針對探測器特性和探測器陣列規模設計了2×8元讀出電路，探測器和讀出電路對接後的樣品工作在77K條件下。探測器偏壓為-1.5V，積分時間為200μs時探測器率達到1.38×1010cmHz1/2/W，達到實際應用的要求。為驗證探測器和讀出電路及對接樣品的實用性，最後設計了數據採集卡和成像系統，給出了測試結果。

　　2.探測器和讀出電路

　　2.1 探測器

　　探測器的I-V特性可以為讀出電路設計提供重要依據，為此在光電測試平臺採用keithley 4200-SCS半導體特性測試儀測試探測器特性。探測器陣列為2×8元，單元探測器面積為80×80μm.測試過程中作為公共電極的襯底電位固定，掃描單元探測器一端的電壓。

　　圖1是器件的I - V特性，與Q W I P器件不同，特性曲線明顯非對稱。探測器有一個-0.8V的閾值電壓，探測器偏壓大於-0.8V後響應電流迅速增大，在-0.8V~-3V區間相應電流隨偏壓變化緩慢。正向偏置時探測器響應電流相對較小。測試得77K，-1.5V時探測器暗電流小於10-13A，暗電流較小有利於降低噪聲，提高探測率和信噪比。C-V特性測得探測器的電容約7.5pF.

　　

　　圖2是不同光照功率時探測器的響應率，結果顯示探測器的響應率遠大於1A/W，偏壓為-1V時響應率大於10A/W，說明探測器量子效率和光電增益較大。測試結果還顯示探測器的響應率隨光照功率增大減小，這個特性有利於提高成像系統的動態範圍。

　　

　　探測器的工作偏壓對焦平面工作有重要影響，需要仔細選擇和嚴格控制。

　　圖3顯示探測器偏壓為-1V時動態阻抗較大，大動態阻抗表示探測器響應電流隨工作偏壓變化較小，降低了探測器工作偏壓的穩定性要求，提高了探測器陣列響應的一致性。因此探測器陣列與讀出電路對接後選擇-1V為工作電壓。

　　

　　2.2 讀出電路

　　根據探測器特性設計讀出電路，結構如圖4所示，包括行選開關、電容互阻放大器（CTIA）、相關雙採樣電路（CDS）、列選開關和輸出緩衝器。採用CTIA結構為列放大器可以穩定探測器工作偏壓，提高注入效率和線性度，CDS電路可以抑制固定圖形噪聲。

　　

　　讀出電路工作過程如下：首先選通一行探測器與CTIA列放大器連接，然後列放大器復位，使積分電容放電，探測器上電極的電位復位到復位電位。復位後列放大器開始積分，CDS電路採樣和保持列放大器的復位信號和積分信號。最後在列選開關的控制下依次選通採樣保持電路，通過輸出緩衝器依次輸出八個探測器積分信號。

　　接著重複上面的讀出過程，開始另一行探測器的讀出。

　　3.測試結果

　　3.1 探測器陣列與讀出電路對接測試

　　採用CSMC 0.6μm DPDM工藝設計並流片2×8讀出電路，CTIA積分電容設計為6pF.通過Si轉接基板實現讀出電路與2×8元探測器陣列對接，如圖5所示。對接樣品安裝在杜瓦內加液氮製冷後固定在光學平臺上，採用He-Ne雷射器作為光源，發出的光經過衰減聚焦照射到器件表面。電路的工作電源和各個模擬電壓通過外部測試電路提供，測試中探測器單元電極電位設定為2.5V，公共電極設定為3.5V，探測器工作電壓為-1V.

　　

　　圖6顯示了光照功率為117nW，積分時間從20μs變化到200μs時讀出電路輸出電壓的變化，結果讀出電路的線性度好於99.5%，輸出信號擺幅為2V，電荷容量為7.5×107.輸出電壓與光照功率的關係如圖7所示，光照功率大於800nW時讀出電路飽和。

　　

　　

　　探測器陣列與讀出電路對接後測試得噪聲特性如圖8所示，噪聲隨積分時間增大減小，平均噪聲為 0.91mV，對接後樣品的信噪比為67dB.噪聲的特性與讀出電路輸入端探測器和列放大器工作頻率相關，輸入端探測器工作頻率為1/2Tint［2］。 當積分時間增大，探測器和列放大器的工作頻率下降，減小了噪聲帶寬，讀出電路的輸出噪聲減小，因此延長積分時間有利於提高焦平面的探測率。圖9是探測率與積分時間的關係，隨積分時間增大，噪聲減小，因此探測率增大。探測器偏壓為-1.5V，積分時間為200μs時探測器率達到 1.38×1010cmHz1/2/W，達到實際應用的要求，為進一步大面陣讀出電路和探測器陣列的研製提供了依據。

　　

　　

　　3.2 數據採集與成像系統

　　為了驗證對接後樣品的工作性能，進一步設計了數據採集電路和成像系統，系統框圖如圖10所示。系統包括stm32處理器、上位機和顯示器、對接後的焦平面陣列和光電測試平臺。Stm32處理器輸出讀出電路驅動控制信號，並利用自身集成的ADC完成讀出電路輸出模擬信號的數位化，然後通過USB接口把數位化的信號傳輸到上位機。通過VisualStudio6.0設計可視化圖形界面，用灰度圖顯示表示16個探測器單元的響應。

　　圖11分別給出了弱光條件和強光條件時2×8焦平面輸出波形和灰度圖顯示。

　　探測器工作偏壓為- 1 。 5 V ， 積分時間為100μs，當光照較弱時輸出電壓較小，16探測器單元顯示的相應的點亮度較低，光照較強時，相應點的顯示亮度變亮。

　　

　　

　　4.結論

　　測試分析了一種新型量子光電探測器特性，探測器有一個-0.8V的閾值電壓，偏壓大於閾值電壓後器件響應率遠大於1A/W，且響應率隨光照功率增大減小。2×8探測器陣列與設計的讀出電路通過Si基板對接，對接後的焦平面陣列線性度好於99.5%，信噪比達到67dB，探測器偏壓為-1.5V，積分時間為200μs時探測器率達到1.38×1010cmHz1/2/W，達到實際應用的要求。採用設計的數據採集卡和成像系統驗證了對接樣品的實用性，為進一步大面陣讀出電路和探測器陣列的研製提供了有益的參考。

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