紫外探测技术的新发展

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1、紫外探测技术的新发展作者：张宣妮;王益军;张玉叶 来源：价值工程2010年第 17期摘要:介绍紫外探测技术的新发展。真空型紫外探测器以通道光电倍增管为代表,分析了以 MCP为光电阴极基底，输入窗为透镜式的管子的特点;固体紫外探测器以GaN基紫外CCD为代 表，把GaN紫外探测器与硅CCD多路传输器通过铟柱倒装互连而成的混合式紫外CCD。由于 GaN基材料的禁带宽度与组分有关，光谱响应从200 nm -365 nm,在 365nm(紫外光)波段具有很 尖的截止响应特性，因而降低了对滤波器的要求，具有光谱响应特性好，灵敏度高，噪声小等优点。 并对紫外探测的关键技术和发展动向做了初步分析，为紫外技术

2、的进一步发展提供参考。Abstract: The new devolopment of ultraviolet detect technique is introduced. Channel photomultiplier tube as the representative of Vacuum UV detector ，analyzed characteristics of tubes that photocathode is substrated on MCP and the input window is lens-like ; As for Solid UV detector， GaN

3、-based UV CCD detector is the represent， the GaN UV detectors with silicon CCD multiplexer via indium-column flip-chip interconnect made of hybrid UV-CCD. As the band gap of GaN-based materials is related to the composition ，so Spectral response can be from 200 nm -365 nm. As the GaN material in 365

4、nm (UV) band have a very sharp cut-off response characteristics， thereby reducing the filter requirements. And have done a preliminary analysis of their key technologies and developments，to provide reference for future development of UV technology in-depth.关键词:紫外探测技术;真空型紫外探测器;通道光电倍增管;固体紫外探测器Key word

5、s: ultraviolet detect technique;vacuum UV detector;channel photomultiplier tube;solid UV detector中图分类号:TN23文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)17-0003-030 引言紫外和红外探测技术几乎同时产生于50年代，由于紫外探测器件灵敏度低，一直未能应用， 而红外探测技术发展较快。直到90年代，日本开发出雪崩倍增靶摄像管，使得紫外摄像器件有较 高的灵敏度和合适的光谱范围，紫外探测才得到广泛关注1，2。紫外探测技术以其独特优势在 通信、预警和制导方面得到广泛的应用。由于紫外线

6、的日盲特性和大气层中良好的传播特性， 可飞越障碍物而实现非视线(NLOS)通信,具有低窃听率，高抗干扰性和全天候工作等优点，是一种 具有很大发展潜力的新型通信方式2。紫外预警利用“日盲区”来探测导弹的火焰与羽烟，在背 景洁净的日盲区，导弹羽烟的紫外辐射很容易被检测出来。由于避开了最强的太阳辐射背景，信 息处理负担明显减轻，虚警率很低，与红外预警相比，不需要低温冷却，体积小、重量轻、响应快 1，2。1 紫外探测器的发展1.1真空型紫外探测器早期真空型紫外探测器以光电倍增管(PMT )为代表,PMT是一种光电 子发射型检测器,二次发射增益可达到104,对单个光子能够响应,具有极高的响应速度,可实现

7、微 弱信号探测3。目前PMT有专用“日盲”型的紫外PMT,日本滨松公司生产的改进型日盲紫外 PMT R2078在“日盲”区外量子效率下降约50%,灵敏度是日盲区的1%,相差约2个数量级，比较 适宜紫外光通信系统使用2。PMT只是概略探测紫外辐射源方位，不能成像，只能判断光谱信息 来确定目标2-4。带有微通道板的光电倍增管一通道光电倍增管(CPM)是一种较新的紫外光 电倍增管，不但探測灵敏度和角分辨率高，而且能成像，光电阴极以MCP为基底的CPM性能更 好。CPM采用双近贴式管型时，以输入窗为光电阴极基底，如图1所示。光电阴极(光电阴极镀在 输入窗)和MCP近贴,距离为0.10.3mm，MCP又

8、与荧光屏近贴,距离为0.5mm左右。由装架环 和陶瓷管封接起来，工艺上很难实现,其间加有大于100V的电压，易引起场致发射;此时发射方式 多为透射式，量子效率低5，6。以MCP为基底，光电阴极直接镀到MCP的输入面，则输入窗和MCP间的距离要求不很严 格，只需MCP的输出面与荧光屏近贴,光电子弥散就会减小，图像质量好。该器件发射模式为反 射式，量子效率高，光电阴极前加一栅网，加电压后在其间形成一匀强电场，发射的光电子几乎都能 进入通道而倍增，如图2所示。另外，输入窗可采用MgF2材料做成透镜，光电阴极处于透镜的焦 平面上，可以大大提高光电阴极的量子效率5,6。因此，以MCP为基底的通道光电倍增

9、管成为发 展趋势。CPM 具有响应速度快，抗磁场干扰能力强，电路简单，体积小，质量轻等特点3-6。采用像增 强器作为核心探测器，虽然识别能力和探测灵敏度有所提高，但仍离不开高压电源5-8。像增强 型CCD改进成背照式CCD(BCCD)后，就可消除这一缺陷，而且成像环节简化，灵敏度更高7,8。一般CCD感光时，入射光是从MOS结构的正面进入，正面由于带有复杂的金属电极,反射较 大。而背照式CCD(BCCD)刚好相反，光由CCD背面的单晶硅层入射，避免了金属电极对光的强 反射，故能获得较高的量子效率，如图3所示，可见，无论感光灵敏度还是光谱响应宽度，背照式 CCD都比前照式CCD要高要宽8。像增强

10、型CCD(ICCD)的成像过程为“光子-光生电子-倍增电子-光子-电子”,如图4所示，显然 过多的成像环节会使图像质量逐渐恶化:MCP倍增使噪声被引入图像;光学元件的损耗及弥散会 使ICCD的MTF(调制传递函数)进一步下降8。背照式CCD(EBCCD)去掉荧光屏、MCP和光 学耦合器件,减少了 ICCD中的图像传输链,成为“光子-光生电子-电子”链。当光生电子轰击减薄 式CCD的背面时,产生电子-空穴对,电子得到增益。由于电子轰击半导体的噪声要远远低于 MCP倍增的噪声，它的信噪比更高8。背照CCD通常要有足够薄的衬底，使得弱光信号能从 CCD背面直接注入到芯片有源区，这样不但大大提高CCD

11、的量子效率,而且对波长从 101000nm的光子以及高能带电粒子都很灵敏7,8。EBCCD 的优点是增益高、空间分辨力强、噪聲低,理论上甚至可以探测到单个光子,但是制 作工艺复杂7。1.2固体紫外探测器固体紫外探测器主要有紫外增强型硅光电二极管、二极管探测器、SiC 紫外探测器和金刚石紫外探测器、紫外CCD等，其中基于AlGaN的紫外探测器发展迅速，逐渐 成为紫外预警探测器件的主流9。氮化镓基（GaN Based）材料是指元素周期表中的III族元素 铝、镓、铟和V族元素氮形成的化合物（GaN、AlN、InN）以及由它们组成的多元合鈕InGaN、 AlGaN等）。其典型结构如图5所示9。纤锌矿结

12、构的III-V族材料是直接带隙材料。随着合金组分的改变，其禁带宽度可以连续变 17。对于铝镓氮材料，其禁带宽度可以从GaN的3.4eV连续变化到AlN的6.2eV，理论上讲，利 用这种材料研制的本征型紫外探测器的截止波长可以连续地从365nm变化到200 nm。根据经 验公式估算:日盲型紫外探测器AlxGa1-xN材料的组分x需要达到40%以上，即所谓的高铝组分 AlGaN 材料9。目前,制备高铝组分AlGaN材料虽然取得阶段性进展，但还面临许多困难9，特别是制备具 有器件结构的材料难度较大:其一缺少晶格匹配的衬底，使薄膜中存在大量缺陷，各种反应过程复 杂且难控制;其二随着Al摩尔比率的增加，

13、掺杂的激活效率变低。紫外CCD是硅CCD减薄后，靠荧光物质将紫外光耦合进器件的，它可使器件具有从近紫外 到远紫外波段摄像的能力9,10。1997年美国国家航空航天局研制成功新颖的256x256像元 GaN基紫外CCD，它是把GaN紫外探测器与硅CCD多路传输器通过铟柱倒装互连而成的混合 式紫外CCD10。由于GaN材料在365nm波段具有很尖的响应，因而降低了对滤波器的要求，使 得GaN基的光探测器具有日盲特性。美国北卡莱罗林纳大学Schetzina教授领导的研究小组报 导的GaN基可见光电二极管在零偏压下的响应度达到0.21A/W （工作波长356nm），相当于量子 效率82%，探测率D*值

14、为6.1x1013cmHz1/2/W9。在传统CCD移位寄存器的末端和输出放大 器之间插入电子倍增器，即可获得电子倍增CCD（EMCCD）8，EMCCD在信号读出时，通过相对 的高压，将信号逐步放大，提高灵敏度。因此EMCCD最大的优点就是具有非常高的灵敏度，适合 微弱信号的探测。L3Vision系列CCD芯片是英国E2V公司最新的EMCCD产品。芯片采用最 先进的片上电子倍增技术，在有效放大信号的同时保证了高水平的信噪比和一定的信号输出速 率。EMCCD技术是目前CCD行业最先进、应用前景广泛的技术。固体紫外探测器虽然灵敏度高，体积小，功耗小，但制作工艺的复杂性和性能的稳定性是攻克 的难点7

15、。2 紫外探测新动向2.1 面阵探测器是光电器件的发展方向之一大规模、多波段集成的成像探测器件是简化应 用系统、提高系统性能的重要手段之一。GaN基紫外面阵探测器主要是朝着大规模日盲型发展, 目前均采用与红外焦平面类似的工艺，将背照射GaN基光电二极管阵列与硅CCD读出电路，通 过铟柱互连方式得到紫外焦平面器件。1999年美国Nitronex公司与北卡罗来那大学、 Honeywell技术中心以及美国夜视实验室成功地实现了基于GaN/AlGaN pin型背照射32x32列 阵焦平面探测器数字照相机，响应波段为320365 nm,峰值响应率达到0.2 A/W(358 nm),内部量 子效率达到80

16、%,理论峰值探测率达到6.1x1013 cmHzl/2/W。2000年他们成功展示了 128x128 紫外焦平面探测器数字照相机，响应波长在320365 nm。2002年该小组又研制出320x256日 盲紫外探测器,但只有部分像元能够有效成像,且质量较差,主要原因可能是高质量的高铝组分的 AlGaN材料制备困难9。2005年美国西北大学也报道了日盲型320x256紫外焦平面探测器，给 出了较清晰的图像，但是没有器件性能的详细描述10。由于制备高质量的高Al组分的AlGaN 材料工艺还有待于不断探索，阵列成像的质量还待于改进。2.2变相紫外CCD由于硅在200400nm波段的吸收深度小，因此在紫

17、外波段成像比较困难, 目前此问题有了突破性进展Photometries公司在正面照射的CCD上加一层薄发光转换涂料，该 涂层能把紫外辐射转换成普通CCD能够响应的中等波长的可见光而不需要对硅本身作专门的 处理，在200400nm的波段内可达20%的量子效率10。如再经过适当背面注入处理，涂上抗反 射层，则具有深耗尽层的背照式CCD可达50%以上的量子效率7。ARP公司与CEA公司合作，研制出一种称为ANIMATERV3X的数字成像系统，采用 512x512元的高分辨率传感器，该传感器为背照式薄型CCD,其响应波段可延伸至短紫外和软X 射线区，入射光直接照在CCD器件上，产生的信息经数字化处理后

18、，通过光纤传送给接口卡。 ANIMATERV3X的最大优点是能够在紫外和X光波段内成像10。2.3 紫外数字照相机美国科学家发明了可感应紫外光的数字照相机。一般数字照相机只能 “看见”可见光，对许多物体(如星球、生化武器)发出的紫外光是看不到的。物理学家Jan F.Schetzina表示，这个发明对拓展数字照相机用途有良好的促进作用。它的特别之处是用 AlGaN化合物作感光物质，而不是传统的硅，这种照相机显然在军事上很有用1,10。3 结束语随着紫外探测技术不断发展，其应用范围也越来越广。紫外探测不但用于紫外告警、紫外 通讯，而且在空间科学，环境监测和工业生产中有重要应用。用于空间探测的紫外望

19、远镜，紫外星 敏感器，用于灾害天气的预报，电晕放电检测，水质检测等。紫外/红外双光谱探测也称为未来发展 的方，据报道，美国北约盟军1989年使用的尾剌对空导弹就采用这种红外/紫外双色制导技术，白 天飞机反射的日光紫外波段功率很强，则用紫外波段跟踪目标。夜晚紫外波段辐射功率小于红 外辐射，则自动切换成红外波段跟踪目标 1，2，10。参考文献:1张忠廉，刘榴娣紫外线技术在军事上的应用研究J.光学技术,2000,Vol.26,No,289-293.2 李慧蕊.新型紫外探测器及其应用J.光电子技术,2000,20,1:45-51.3 张宣妮，赵宝升一种新型真空型紫外成像探测器J 应用光学,2007,V

20、ol.28,No,159-164.4 L.R. Canfield .J. Res.Natl Bureau standards (U.S) Far Ultraviolet Detector Standards,1998,92(2);97-112.5 张宣妮，鲁帆紫外预警系统的发展J.咸阳师范学院学报,2008,Vol.23,No,23-26.6 张宣妮，赵宝升等以MCP为基底的CsI光电阴极的研究J.咸阳师范学院学报,2007,Vol.22,No(6),22-25.7 戴丽英，刘德林，李慧蕊等.背照式电荷耦合器件的研制J.光电子技术,2005,25(3):146- 149.8 左舫,刘广荣，高稚允等用于微光成像的BCCD,ICCD,EBCCD性能分析J.北京理工大学 学报,2002,22(1):109-112.9 Tut T,Yelboga T,Ulker E,et al,Solar-blind AlGaN-based p-i-n photodetectors withhigh breakdown voltage and detectivityJ,Appl.Phys.Lett.2008,92:103502.10 刘菊，贾红辉等军用紫外光学技术的进展J.光学与光电子技术,2006,Vol.4,No 6),60-64.