混合型光电探测器

2024-06-18

混合型光电探测器（精选七篇）

混合型光电探测器篇1

低照度条件下的微弱信号探测成像技术凭借其在军事和民用两大领域内的广泛应用背景,历来是世界各国争相研究的热点。从光电探测原理角度出发,目前光电探测器主要分为三大类:第一类主要是真空光电器件中的像增强器和光电倍增管;第二类以半导体光电探测器为主,包括低照度CMOS图像传感器、电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)、雪崩二极管阵列(APD arrays)等;还有一类是将真空与半导体两类器件相结合的混合型光电探测器[1]。电子轰击CMOS(EBCMOS)混合型光电探测器便是当前最先进的一种混合型器件,在国外已被广泛应用于生物检测、微光夜视、激光雷达、高能物理和天文观察等领域。

1 器件原理与发展历史

1999年,美国Intevac公司的Verle W.Aebi等人[2]公布了电子轰击有源像素传感器混合型光电器件的发明专利。阴极采用光电阴极实现光电转换,阳极采用有源像素图像传感器作为信号收集极。虽然国际上也有将硅二极管阵列和CCD作为阳极并实现电子轰击成像,对应器件分别为ISPA(Imaging Silicon Pixel Array)[3]、EBCCD(Electron Bombarded CCD)[4,5],但这是第一次将有源像素传感器这种CMOS图像传感器作为真空器件的阳极,其称为EBAPS(electron bombarded active pixel sensor),这也是EBCMOS器件概念的首次提出。

在此后的发展中,器件的探测性能虽然在不断改进与提升,但器件工作的基本原理与结构跟最初相比并没有本质的变化,如图1所示,器件在结构上主要包括三部分:阴极、阳极与倍增极。工作过程中,阴极采用光电阴极实现光电转换,将光子信号转换为电子信号;阳极采用CMOS图像传感器芯片,作为信号收集与输出极;产生的光电子在真空管壳中被高压电场加速后轰击在CMOS图像传感器芯片的表面产生大量的二次电子,实现高倍的电子轰击增益,这些电子对被CMOS图像传感器的结区收集后输出,并实现微弱信号的探测与成像。

EBCMOS器件的发展历史不长,自EBCMOS第一个专利的提出只有短短十几年的时间,如今已取得长足的进步。2000年,Kenneth A.Costello和Verle W.Aebi等人研制出了第一只EBCMOS器件NightVista,芯片有效尺寸为1.27cm,像素为640×480,像素尺寸为12μm×12μm[6]。

在2005年5月,Intevac公司又陆续公布了NightVista型EBCMOS的升级版,ISIE6和ISIE10,芯片有效尺寸分别达到了1.69cm和2.54cm,像素均为1280×1024,像素尺寸则优化为6.7μm×6.7μm和10.8μm×10.8μm[6]。

2007年,法国里昂大学的R.Barbier等人[7]也报道了其自主研制的第一款EBCMOS器件样品,如图2所示,像素达到了1024×1024,像素尺寸17μm×17μm,并实现了2.0×10-4lx照度下的成像。

法国核物理研究所在里昂大学EBCMOS器件的研究基础上于2009年研制出了灵敏度更高的EBCMOS器件,其称为LUSIPHER(Large-scale Ultra-fast SIngle PHoto-Electron trackeR),探测下限达到了单光子级[8]。

法国Photonis公司于2012年才研制出第一款EBCMOS器件,器件像素1280×1024,并于2013年研制出EBCMOS相机,其称为EBNOCTURN。

目前Intevac公司最新的ISIE11型EBCMOS器件已实现批量生产。另外,在2011年7月,Intevac公司收到美国海军航空作战中心(U.S.Navy Naval Air Warfare Center,NAVAIR)960万美元的研制合同,用于研制基于EBCMOS技术的400万像素的数字夜视传感器(ISIE4000)。下一代具有更高分辨率和更高像素的ISIE4000系列EBAPS器件已在研制进程中。该公司EBCMOS系列产品与性能参数如图3与表1所示。

2 电子轰击半导体(EBS)增益机制

在EBCMOS器件工作过程中,电子轰击半导体增益的实现是整个器件工作原理的核心。与传统真空器件采用打拿极或微通道板(MCP)作为增益来源不同,EBCMOS器件采用的是电子轰击半导体增益来实现低噪声的高倍增益。在EBCMOS工作过程中,加速的高能电子轰击CMOS图像传感器并深入半导体材料体内,与体内原子发生一系列的散射碰撞[9],进而产生大量的电子-空穴对,电子轰击增益便发生在此过程中。在材料内部没有作用电场的条件下,轰击产生的电子近乎自由运动,部分会发生弹性或非弹性背散射,背散射系数与材料原子序数与加速电压密切相关。以Si为例,2keV能量的电子在入射过程中,背散射会导致接近85%的能量损失[10]。

通常,高能电子在半导体材料中轰击产生的电子-空穴对的数目可由以下公式计算[11]:

其中,We-h是在半导体材料中产生一个电子-空穴对所需的能量(Si材料为3.6eV,GaAs材料为4.4eV[12]),VH是入射电子的加速电压,Vth是由于入射表面牺牲层产生复合造成的能量损失。

电子轰击增益目前已在多种芯片阳极的真空-半导体混合型光电器件中实现,Verle Aebi等人研制的电子轰击CCD(EBCCD)器件在2kV电压下实现了180倍的EBS增益[4];M.Suyama等人研制的电子轰击APD器件在9kV电压下实现1400倍的EBS增益[13];中国电科55所研制的电子轰击APD器件在8kV电压下也已实现600倍的EBS增益。

3 性能比较

EBCMOS混合型光电探测器集高灵敏度阴极、非倍增结构增益机制、大规模CMOS芯片阳极为一体,实现了信号的高增益、快响应速度以及优异的空间分辨率,同时大大缩小了器件的功耗、体积与重量。更重要的是,CMOS图像传感器芯片制造工艺与传统CMOS制造工艺完全兼容,因此可大大降低器件的成本。表2给出了EBCMOS混合型光电探测器与几种常见探测器性能的简单对比。

从表2中可以看出,与传统真空光电器件中的像增强器相比,EBCMOS探测器采用了阵列化的CMOS芯片阳极,可以实现大规模像素的全数字化输出,而目前国内微光夜视应用中广泛采用的像增强器,为了实现图像的视频输出,通常采用像增强器与CCD/CMOS图像传感器通过光锥或透镜耦合起来形成ICCD/ICMOS组件,如图4所示。EBC-MOS取消了微通道板(MCP)、荧光屏和光锥/透镜这三个元件,仅有光电阴极和CMOS芯片两个元件,图像的传输路径大大缩短,成像分辨率得到提高,体积与重量也大大降低[14]。

注:①光电转换的量子效率取决于光电阴极或半导体材料类型;②探测器光电转换部分无增益;③目前非Si基半导体料的APD阵列规模均不大

另一方面,与半导体工艺制备的探测器相比,低照度图像传感器(CIS)探测下限不够低,最低探测照度仅在10-3~10-4lux量级;EMCCD则响应波段固定、体积大,为了降低噪声通常需要制冷;雪崩二极管APD阵列增益离散、均匀性差,并且在一些波段,APD阵列还无法实现大规模阵列的制备。因此,EBCMOS作为一种新型的混合型光电探测器,在继承了传统真空光电探测器增益高、响应快、光谱灵活等优点的基础上,进一步融合了半导体器件分辨率高、数字化输出、功耗低和成本低等一系列优点,将真空器件与半导体器件有机结合,弥补了两者各自的不足,未来在科研和军事领域中应具有较好的应用前景。

4 应用

EBCMOS混合型光电探测器作为新型微弱信号成像探测器件的发展方向,凭借其灵敏度高、响应速度快、增益大、空间分辨率高以及数字化等优势,在生物检测、微光夜视、激光雷达、高能物理和天文观察等诸多领域已取得广泛的应用。

法国核物理研究所(IPNL)使用EBCMOS器件对生物荧光进行了高速成像实现,器件阴极采用了标准的多碱S20阴极,通过对百合花细胞进行生物标记,实现了单个分子的探测追踪,如图5所示,器件工作电压6kV,工作温度10℃,暗计数率水平在100Hz/mm2以下[15]。

EBCMOS器件另一个重要的应用是微光夜视,这也是市场价值最大的一块。目前能够同时满足小型化、极低探测下限、全数字化和低成本探测成像的器件解决方案不多,EBCMOS具有巨大的竞争潜力。在2013年6月和2015年7月,美国陆军先后两次斥资采购Intevac公司基于最新的ISIE11型EBCMOS极微弱光图像传感器的夜视相机,用于AH-64阿帕奇武装直升机,为飞行员在极端黑暗到黄昏过渡期提供清晰图像[16],同时该器件可昼夜全天候工作,输出像素1280×960,最低探测照度在10-5lux量级,成像帧频可达60fps,如图6所示,EBCMOS为微光夜视应用提供了全新的选择。

另外,激光雷达在工作过程中,由于回波信号较弱,需要探测器对极微弱信号实现探测并成像,然而目前并没有哪一种确定的光电探测器完全适合激光雷达的探测需求。从2004年开始,美国陆军实验室(ARL)在第二代FM/CW激光(1.55μm)雷达系统中使用了EBCMOS作为其光电探测器,最终得到激光雷达距离像与强度像[17]。目前,美国Intevac公司针对激光成像雷达应用,基于EBCMOS器件技术已研制出了最新的LIVAR(Laser Illuminated Viewing and Ranging System)M506型门选通短波红外激光雷达相机[16],成像效果如图7所示,相机采用了ISIE6型EBCMOS探测器,成像像素为640×480,阴极为电场辅助光电阴极,在1.55μm波长处量子效量达到了25%,而整个相机的重量仅280g,该相机另外还配有独立的高压模块与热电制冷模块,该系统后被应用在Northrop Grumman公司的LITENING多传感器武器瞄准系统中作为远距离目标识别探测器,最远识别距离可达20km。

5 总结

光电探测器噪声特性分析篇2

光电器件是一种基于材料的光电效应原理工作的一类电力电子器件。在脉冲功率技术、电力电子装置、精同步控制和高灵敏检测器等方面有着广泛的应用[1,2,3,4]。作为探测器件的光电器件具有高灵敏度、高实用性等优点一直倍受人们关注。例如:光电倍增管(PMT)是一种具有高灵敏特性的光电探测器件,能够在单个光电子脉冲下工作,也可以用于对光子撞击光电阴极速率的测量。光电探测器输出信号的真实性和稳定性是衡量其工作性能的重要指标[5]。分析光电探测器输出信号噪声对提高器件工作性能具有重要意义。

1 光电探测器的噪声

光电探测器的噪声源大致可以分为两类。第一类是光电探测器接收信号光的基本过程中发生的噪声,包括信号光和背景光激发光电子的散粒噪声;对于多电极器件(例如PMT),还包括多极电子倍增过程引起的噪声;第二类是光电探测器自身构造特点和使用条件所引起的噪声,例如:光电子发射器件光阴极的热离子发射(暗电流),管子里残留气体电离,内部的光反馈,外界磁场作用影响,以及由管子内部材料的自发发射所引起的随机离子发射。因而,需要针对光电探测器不同的噪声来源分析其噪声特征。

1.1 散粒噪声

光电探测器工作物质与辐射场发生相互作用时,载流子产生和发射的随机性造成了穿越势垒的载流子统计数目有一定的随机涨落。单位时间内达到光敏表面的光子数和由它激励形成的光电子数是随机离散的,穿越势垒区的载流子数、从阴极到阳极的电子数在一个平均值上下波动。载流子数量的变化引起器件输出信号的散布,形成电路的散粒噪声。散粒噪声是由照射在光电探测器上的光子起伏及光生载流子流动的不连续性和随机性而形成载流子起伏变化引起的,统计过程服从泊松分布。散粒噪声一般包括以下三类:

①信号光的光子噪声

光信号在照射光电探测器时,光子本身服从统计规律。每一时刻到达探测器的光子数是随机的,由光激发的载流子也是随机的,因而光激发的载流子也是随机的,将产生起伏噪声,即光子散粒噪声。信号光伴随的光子噪声与平均光子达到速率、光阴极响应时间以及光功率大小有关。

②背景光的光子噪声

受工作环境的限制,信号光常伴随有一定的背景光信号。背景光信号会导致探测结果发生偏差,同时对输出带来光子噪声扰动。光电探测器具有高增益和高灵敏性,因而背景光的光子噪声也不应忽视。

③暗电流散粒噪声

材料的热激发作用将引起光电探测器光阴极随机产生的电子(热离子)发射起伏,起伏的单元是电子电荷量。在没有任何光照的情况下,热激发载流子将形成光电探测器的暗电流,它包括体暗电流和表面暗电流。体暗电流来自探测器工作物质内部热产生的载流子。表面暗电流是由表面缺陷、清洁程度、偏置电压大小和表面积大小等因素决定的。引起暗电流的因素大致有[6]:光电阴极的热电子发射,这是光电探测器的主要暗电流;极间漏电流;离子和光的反馈作用;场致发射;放射性同位素和宇宙射线的影响。这种由光电探测器暗电流引起的输出信号起伏称为暗电流散粒噪声,它是基于外光电效应器件的主要噪声。

总之,散粒噪声是光电探测器噪声的主要来源,主要由信号光、背景光和暗电流的散粒噪声组成。信号光和背景光在光电阴极的光电流大小与光功率、光频率和电极对光的吸收效率有关;光阴极热电子激发产生的暗电流的大小由理查森(Richardson)公式决定[7]:

$i_{d} = a A Τ \exp (- \frac{Φ}{k Τ}) (1)$

其中,a光阴极材料决定的比例系数,A为光阴极的面积,T为温度,Φ为材料的逸出功,k为波耳兹曼常数。

考虑到信号光、背景光和暗电流的共同作用,光电探测器输出端的总散粒噪声可表示为:

$\bar{i_{n 1}^{2}} = 2 G^{2} e [\frac{e η}{h ν} (Ρ_{s} + Ρ_{b}) + a A Τ \exp (- \frac{Φ}{k Τ})]$ Δν (2)

式中,Δν为测量带宽。

1.2 多电极倍增噪声

为了提高探测能力,获得高输出增益,一些器件设计成多电极结构。例如光电倍增管,其包括多个电子倍增极。光电倍增管中倍增极噪声与电子的二次发射有关。一个电子撞击到光电倍增管的一个正电极(如阳极、倍增极)上,可能释放出一个或多个低能量的二次电子。每个一次电子所释放出的二次电子数并非相同,某些电子可能不释放二次电子。因此,对于某一给定的一次电子电流,二次电子电流将随时间在平均值上下起伏。撞击电极的一次电子可分为三类:反射的一次电子、不产生二次发射的一次电子和释放真正二次电子的一次电子。受激活的电极(倍增极)的电子以一定的速率进入真空管作为二次电子。

对于具有多倍增极的光电探测器,可以引进噪声系数的概念,其定义为多倍增电极输入端信噪比与输出端信噪比的比值。若第一级的增益很高且服从泊松分布,则其噪声主要贡献同第一倍增极增益系数δ1有关。设δ为其余倍增极的增益系数,倍增过程对噪声的贡献系数F为[8]:

$F = 1 + \frac{1}{δ_{1} - \frac{δ_{1}}{δ}} (3)$

1.3 产生—复合噪声

光电探测器工作时,材料中光激发和热激发的载流子的产生和复合具有一定的随机性,载流子的寿命在不同时刻存在一定差异,载流子产生率与复合率在某个时间间隔内会在平均值上下起伏,导致载流子浓度的起伏,从而引起探测器输出信号的起伏,即器件的产生—复合噪声(或称为g-r噪声)。光电导探测器响应信号主要取决于感光材料内部载流子浓度的变化引起的电阻率变化。产生—复合噪声是光电导探测器主要噪声之一。使用搀杂半导体的探测器件,产生—复合噪声由偏置电流和杂质中心的热电离产生,其中偏置电流产生的占主要地位。在本征器件中,热激发载流子中的电子占优势。光电子发射的探测器的光电流主要取决于光电阴极的光电子发射数目,电极内部载流子的产生复合对探测器的响应信号影响不大,一般不考虑光电子发射探测器的产生—复合噪声。

产生—复合噪声与载流子的产生随机性、复合时间和载流子寿命有关。噪声电流方均值为[9]:

$\bar{i_{n}^{2}} = \frac{4 e Ι (τ / t) Δ ν}{1 + 4 π^{2} ν^{2} τ^{2}} (4)$

在频率不太高的情况下,2πντ<<1时:

$\bar{i_{n}^{2}} = 4 e Ι Δ ν \frac{τ}{t} (5)$

式中,e为电子电量,I为平均光电流,τ为载流子寿命,t为两极间载流子的平均飘移时间,ν为频率,Δν为测量带宽。

1.4 等效负载阻抗的热噪声

热噪声(又称约翰逊噪声),它代表热对电荷载流子的激励而产生的噪声。

热噪声对探测能力影响最大。热噪声存在于任何导体和半导体中,它来自于电阻的内部自由电子或电荷载流子的不规则热运动。没有外场时,导体中的电子做无规则热运动,无定向地迁移,因而没有电流,但由于涨落,向两个相反方向运动的电子数并不完全相等,导致在导体和半导体中产生涨落电势(噪声电压),并引起涨落电流。噪声电压均方值取决于材料的温度。热噪声的频谱可看作是平直的,为白噪声。在纯电阻的简单情况下,R与频率无关,热噪声的输出取决于材料的绝对温度和探测器检测电路的实际通频带。

内阻热噪声是由导体内载流子无规则热运动而产生的噪声。热噪声是带电粒子在导电媒介中的布朗运动引起的,包括发生于有沾器件内部载流子或电子发射的随机性而形成散粒效应起伏的散粒噪声和引起电路中电流或电路两点间电位差起伏的电阻热噪声。这种噪声可以看成是无数独立的微小电流脉冲的叠加,根据概率论极限中心定理,它们是服从于高斯正态分布的高斯过程,其功率谱密度在整个频率范围内都是均匀分布的。类比白光是各种频率光的合成,所以常把热噪声称为高斯噪声(Gaussian noise)或白噪声(white noise)。白噪声的功率谱密度为常数。光电探测器等效负载阻抗的热噪声具有以下特点:①热噪声与温度T成正比;②热噪声与测量仪器的电子带宽成正比,而与频率无关,噪声功率谱密度是常数;③一个电阻所能输出的热噪声最大噪声功率(亦称额定噪声功率)与电阻无关;④热噪声与电阻中是否有电流流过无关。

分析光电探测器的探测能力大小时应根据热噪声的特性进行。例如光电子发射型探测器的热噪声来自于输出电阻(或等效输出电阻)RL的热噪声,噪声电流方均值为[10]:

$\bar{i_{n 2}^{2}} = \frac{4 h ν Δ ν}{R_{L} (e^{h ν / k Τ} - 1)} (6)$

kT>>hν时:

$\bar{i_{n 2}^{2}} = \frac{4 k Τ Δ ν}{R_{L}} (7)$

1.5 其他噪声

光电探测器工作过程中还存在其他的噪声源,例如:1/f噪声,光电探测器里放射性引起的噪声源,根源不清的暗脉冲。

①1/f噪声

1/f噪声又称为闪烁噪声。这种噪声是由于元件内部的光敏层微粒的不均匀性或不必要的杂质存在,电流流过时,在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲;也可能是由光子发射成二次发射过程所引起的可能起伏成分。几乎所有的光电元件中都存在1/f噪声。1/f噪声大致出现在103Hz的低频领域,对于工作在中高频段的光电探测器可以不考虑;而且由光子发射成二次发射过程所引起的可能的1/f噪声成分与探测器的散粒噪声相比是非常小的,可忽略不计。

②其他影响噪声

其他影响噪声还包括:漏电流噪声源;光电探测器里放射性噪声源;气体离化和光反馈噪声源;其他不明根源噪声等。

2 结束语

从噪声源着手,对光电探测器的常见输出噪声进行了细致的分析。光电探测器的主要噪声可以分为散粒噪声、产生—复合噪声、等效负载阻抗的热噪声和包括闪烁噪声在内的其他噪声;产生—复合噪声在光电导探测器工作中较为显著,而闪烁噪声大致出现在103Hz的低频领域,具有多倍增极的光电探测器,必须考虑倍增过程对噪声的贡献。对光电探测器噪声的具体分析为建立光电子发射的探测器的噪声模型和进一步研究光电探测器的噪声特征打下了一定的基础,对提高器件工作性能具有指导意义。

参考文献

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混合型光电探测器篇3

随着光纤网络的飞速发展,6Gbps及更高速率光传输技术飞速发展。半导体光电探测器是其核心光器件之一,所以研究发展与其相应的封装技术就显得尤为重要。同轴封装具有成本低、损耗小、工艺简单等特点,已逐渐成为各个器件生产商研发生产的热点。由于封装工艺的误差,使得高速PD组件的耦合效率下降,从而导致高速PD的性能指标下降。本文在不考虑寄生参数以及其它因数对高速PD组件耦合效率影响的前提下,分析讨论生产过程中同轴封装工艺误差对高速PD组件耦合效率的影响。

1.高速PD的工作原理

高速PD封装的内部结构如图1所示。光纤传输的光信号经TO透镜聚焦在探测器芯片上,探测器芯片将其转化为电信号并传递至后续光通信系统进行处理。

2.同轴封装误差对高速PD组件耦合效率的影响

高速PD组件同轴封装的光耦合系统结构如图2所示。在不考虑封装误差情况下,经过透镜聚焦后的光束不能有效地聚焦在探测器芯片上会产生的损耗和透镜的像差损耗。生产过程中,同轴封装工艺包括高精度打金丝,高精度贴装探测器芯片,通过金丝将芯片和管脚连接,采用电阻封焊机在氮气保护环境下将带透镜的管帽封焊在管座上等。在这些封装过程中,会不可避免地产生工艺误差,致使高速PD的接收灵敏度下降。

以尾纤型同轴封装半导体光电探测器结构为例,通过ZEMAX绘制耦合光路并分析光场,结合MATLAB软件耦合效率与同轴封装工艺误差之间的关系。其接收灵敏度为-20d Bm;传输速率为6Gbps;PIN-TIA芯片;模场直径为50μm的多模光纤;两种带有球透镜的管帽,其结构参数位为:

管帽1:透镜材料Bk-7;透镜焦距1.03mm透镜直径1.8mm管帽高度4mm透镜孔径1.8mm透镜折射率1.4135。

管帽2:透镜材料Taf-3;透镜焦距0.75mm透镜直径2mm管帽高度3.8mm透镜孔径1.2mm透镜折射率1.7042。

■2.1管帽倾斜误差影响

在不考虑封装误差时,两种管帽的耦合效率理想曲线如图3所示。当管帽倾斜时,聚焦光束的光轴与光纤光轴不重合,就会产生倾斜误差。

当误差为1°~8°时,其耦合效率如图4所示。倾斜误差为8°时,管帽1、2的耦合效率分别下降90%和50%。主要原因有(1)采用电阻封焊机封焊,由于其电极不平整,下压管帽时会在管帽下边缘与管座接触的瞬间产生不均匀受力,引起管帽倾斜;(2)由于管帽的加工精度的影响,使得经透镜聚焦光束与光纤的轴线方向偏离,导致耦合效率降低。为保证耦合效率达90%以上,管帽1、2倾斜误差需满足±1.8°和±3.8°。

■2.2芯片横向偏移误差影响

当芯片与管座的中心位置发生横向偏移时,芯片接收到光束偏离管座中心,产生横向偏移误差。

当误差为1μm~10μm时,其耦合效率如图5所示。横向偏移误差为10μm时,管帽1、2的耦合效率分别下降22%和10%。原因是将高速PD芯片焊接在管座上时,使接收光轴偏离管座中心,从而使经透镜聚焦的光束损耗。为保证耦合效率达90%以上,采用管帽1、2时,高速PD芯片横向偏移误差需满足±μm3.5和±10μm。

■2.3芯片倾斜误差影响

当光束的接收方向偏离光轴,致使高速PD芯片接收的光束经透镜折射不能有效聚焦在探测器芯片上,产生高速PD芯片倾斜误差。

当误差为1°~10°时,耦合效率如图6所示。从图中可以看出,当高速PD芯片的倾斜误差到10°时,管帽1、2的耦合效率分别下降5.5%和5%。原因是管座的上表面不够平整或压焊的焊料不够均匀,使芯片接收的光不再与耦合透镜和光纤同轴。

3.生产工艺对耦合效率的影响

生产过程中需通过设计巧妙的耦合夹具将加工精密的光学、电子学和金属元器件按照一定的顺序进行准直和装配来提高耦合效率。

其工艺流程如下:一,采用金丝键合机在芯片载体上打金线。二,采用贴片机将探测器芯片焊接在载体上,芯片电极与管脚通过金丝连接,再用封帽机将带有透镜的管帽与管座在氮气保护环境下密封。三,采用储能焊机在氮气环境下封焊金属管体和管座,用专用耦合夹具将封焊好的探测器TO与套有金属插针的多模光纤耦合端面耦合在一起。

管帽倾斜角误差为8°、横向偏移误差为10μm、芯片倾斜角误差为10°时,采用管帽1、2的接收灵敏度分别为-8d Bm、-15d Bm、-18.6d Bm和-10 d Bm、-17 d Bm、-18.9d Bm、可见,管帽倾斜误差对组件耦合效率影响最大,其次,芯片横向偏移误差,芯片倾斜误差对耦合效率影响较小。

4.减少高速PD同轴封装工艺误差的措施

根据上述分析,在实际生产过程中应采取如下措施:

(1)精确控制打金线和芯片定位的精度及金丝焊接的稳定性,可以减小高速PD芯片横向偏移误差。

(2)精确控制陶瓷基片和焊盘的平整度并清洁焊料,可以减小高速PD芯片倾斜误差。

(3)严格控制管帽的加工精度,达到0.001mm,以减小管帽封焊过程带来的管帽形变,即减小高速PD管帽倾斜误差。

5.结论

本文详细分析了管帽倾斜、芯片横向偏移、芯片倾斜对高速PD组件耦合效率的影响,并得出结论:管帽的倾斜误差和芯片的横向偏移误差对高速PD组件耦合效率的影响较大,这个结果在生产中得以验证,并提出解决工艺误差的措施。

摘要：由于同轴封装工艺误差对高速半导体光电探测器(Photoelectron Diode,PD)组件耦合效率的影响,会导致高速PD的接收灵敏度下降。为了减少同轴封装工艺的误差,分析了同轴封装工艺误差对高速PD耦合效率的影响,从而得出结论:高速PD组件中管帽倾斜、芯片横向偏移和芯片倾斜这三种情况产生的误差对高速PD组件耦合效率都有影响,其中管帽倾斜误差影响最大。

关键词：耦合效率,同轴封装,芯片横向偏移,芯片倾斜,管帽倾斜

参考文献

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[3]张永刚.SMA同轴封装高速光电探测器[J].半导体光电,1995(2):45-49

[4]徐光辉.高速雪崩光探测器同轴封装的高频分析[J].光子学报,2012,41(2):240-243

提高光电系统白天探测能力方法篇4

随着航天技术的发展,在环绕地球的空间中出现了越来越多的各种用途的人造空间目标,运动在各种各样的轨道上,对其中某些空间目标的观测、跟踪、识别是一项必不可少的、非常有意义的工作.一般来讲,空间目标本身并不发光,而是依靠反射太阳光而发光的,最主要的观测方法是采用光学观测方法.由于空间目标在光学波段光谱特性与太阳光谱相同,但能量较天空背景弱的多,因此白天探测空间目标的最大困难是强背景辐射,目标微弱信号完全淹没在天空背景信号中,如何有效提高目标信号与背景信号的信噪比(SNR),从而提高系统的探测能力,是强背景下探测弱目标的关键技术.

多数文献在光电系统对空间目标白天探测能力进行研究时,从SNR出发,分析了其影响因素,得出了口径、焦距、大气透过率等影响因素与探测能力的关系,但是对于光谱滤波、相机BIN、相机增益3种技术的影响没有具体分析[1,2,3,4].在工程应用中,由于其他需求,光电系统的口径、焦距、大气透过率等参数往往已经基本确定,不能更改.为此,针对在受限情况下的光电系统白天探测能力提高技术进行了研究,提出采取光谱滤波、相机BIN、相机增益3种方法可以提高系统的探测能力,并建立了3种模式下的极限探测能力模型,结合工程设计应用进行了相关的仿真分析.

1 理论分析

1.1 探测能力提高方法

光电系统的探测能力一般用输出信号的信噪比来评定,信噪比定义为输出信号大小比上系统探测噪声的均方根值.考虑目标成像在CCD像面npix个像素上,则系统的信噪比可以表达为[5]

$S / Ν = \frac{S t}{\sqrt{(S + B n_{p i x} + Ι_{d} n_{p i x}) t + Ι_{r}^{2} n_{p i x}}} (1)$

其中,S为目标单位时间内产生的光电数;B为背景单位时间内产生的光电数;t为积分时间;Id为暗电流噪声单位时间内产生的光电数;Ir为读出噪声单位时间内产生的光电数;npix为目标成像光斑覆盖像元数.

考虑系统白天探测,则为背景噪声受限探测,其SNR表达式可近似表达如下

$S / Ν = \frac{S \sqrt{t}}{\sqrt{B n_{p i x}}} (2)$

目标单位时间内光电数S表达式为

S=ϕsaqsτfsGτs=S0fsGτs (3)

其中,ϕs为信号光子通量(光子数/m2·s);a为系统通光口径面积(m2);fs为对目标信号光谱透过率系数;qs为对目标光谱平均量子效率;τ为光学系统对目标信号的透过率,G为相机增益;τs为衰减片透过率;S0为无光谱滤波下的目标信号光电数.

背景单位时间内光电数B表达式为

B=ϕbaqbnpixτα2fbGτs=B0fbGτs (4)

其中,ϕb为背景光子通量(光子数/m2·s·弧秒2);a为系统通光口径面积(m2);fb为对背景光谱透过率系数;qs为对目标光谱平均量子效率;τ为光学系统对目标信号的透过率; α为CCD一个像元对应的空间立体角元(弧秒),G为相机增益;B0为无光谱滤波下的背景信号光电数.

将式(3)、式(4)代入式(2)可得

$\begin{array}{l} S / Ν = \frac{S \sqrt{t}}{\sqrt{B n_{p i x}}} = \frac{ϕ_{s} a q_{s} τ f_{s} G τ_{s} \sqrt{t}}{\sqrt{ϕ_{b} a q_{b} τ α^{2} f_{b} G τ_{s} n_{p i x}^{2}}} = \\ \frac{ϕ_{s} a q_{s} τ}{\sqrt{ϕ_{b} a q_{b} τ n_{p i x} α^{2}}} \cdot \frac{f_{s}}{\sqrt{f_{b}}} \cdot \sqrt{t} \cdot \sqrt{τ_{s}} \cdot \sqrt{G} \cdot \frac{1}{\sqrt{n_{p i x}}} = \\ \frac{S_{0}}{\sqrt{B_{0}}} \cdot \frac{f_{s}}{\sqrt{f_{b}}} \sqrt{t} \cdot \sqrt{τ_{s}} \cdot \sqrt{G} \cdot \frac{1}{\sqrt{n_{p i x}}} (5) \end{array}$

在不考虑系统口径、焦距、量子效率、系统透过率等影响因素,系统的探测能力主要由探测信噪比决定,信噪比越大,系统的探测能力越强.从式(5)可以看出:

(1)信噪比与目标信号光谱滤波透过率系数成正比,与背景光谱滤波透过率系数均方根值成反比;

(2)信噪比与积分时间的均方根值成正比;

(3)信噪比与衰减片透过率的均方根值成正比;

(4)信噪比与相机增益的均方根值成正比;

(5)信噪比与相机BIN模式成正比,如采取2×2,SNR提高2倍.

因此,在积分时间和透过率不变的情况下,通过光谱滤波、BIN模式和相机增益可以提高系统的探测信噪比,从而提高系统的探测能力.

1.2 极限探测能力

在光电系统的工程设计研制过程中,通常需要先根据系统的相关参数对该系统的极限探测能力进行分析.为此,针对光谱滤波、BIN模式和相机增益3种模式下的极限探测能力进行了分析.

设最小可探测信噪比阈值为Tsn,根据式(5)可得

$S_{0} = \sqrt{B_{0}} \cdot c s \cdot Τ_{s n} (6)$

其中, $c s = \frac{\sqrt{f_{b} \cdot n_{p i x}}}{f_{s} \cdot \sqrt{t \cdot G \cdot τ_{s}}} .$

在工程应用上,针对已知口径(D)、目标星等(m)、背景亮度(Bb)等参数可以简便计算S0和B0[6]

$S_{0} = a \cdot q_{s} \cdot (\bar{λ} / h c) \cdot τ \cdot 3.9 \times 10^{- 9} \cdot 2.512^{- m} (7)$

其中, $\bar{λ}$ 为平均波长;h为普郎克常数6.63×10-34;c为光速.

$B_{0} = \frac{π^{2}}{16} d^{2} q_{b} (\bar{λ} / h c) n_{p i x} B_{b} \cdot (1 - ε^{2}) (D / f)^{2} \cdot τ (8)$

其中,D为系统通光口径;f为光学系统焦距;ε为光学系统的遮拦比.

由于大气湍流的影响,通常目标成像都不在单个像素之内,对目标成像光斑覆盖像元数进行计算,长期曝光点光源图像的角半径为

$\begin{array}{l} θ_{1 / 2} = \sqrt{(1.22 λ / D)^{2} + (1.22 λ / r_{0})^{2} + σ_{t i l t}^{2}} (9) \\ σ_{t i l t}^{2} = 0.184 (D / r_{0})^{5 / 3} (λ / D)^{2} (10) \end{array}$

式中,σ2tilt为湍流引起的倾斜方差;D为系统的口径;r0为大气相干长度.则可求得目标成像光斑覆盖像元数npix为

$n_{p i x} \approx (\frac{2 θ_{1 / 2}}{α})^{2} (11)$

最终得到基于光谱滤波、BIN模式和相机增益3种模式下的系统极限探测星等为

$m \approx - 21.03 - 2.5 \lg [\frac{h c}{S_{0} η \bar{λ} t_{0} τ_{0}} \sqrt{B_{0}} \cdot c s \cdot Τ_{s n}] (12)$

2 仿真分析

根据式(5)和式(12),利用MATLAB软件进行了3种模式下的极限探测能力模型的编程实现,以光电望远镜为例,选取了适当的典型参数,对系统在光谱滤波、相机BIN和相机增益3种模式下的极限探测能力进行了仿真分析.

2.1 参数设置

(1)光电系统参数

设光电望远镜系统通光口径为0.5 m,光学透过率大于0.8,CCD平均量子效率大于80%,通光光谱为380～900 nm,具有600～900 nm(0.6 um截止)、700～900 nm(0.7 um截止)、800～900 nm(0.8 um截止)滤波波段.

(2)光谱滤波参数

太阳的色温近似为5 900 K,非自发光空间目标光来自太阳,其光谱特性与太阳辐射的光谱特性近似,目标和背景光谱的光照特性见图1,不同滤光片的光谱透过率见表1[7].

(3)相机增益

相机增益G的取值与相机的满井电荷数有关,采取增益使增益后的光子数不能大于满井电荷数,设满井电荷数为N0,则最大G的表达式可近似为

$G = \frac{Ν_{0}}{Ν_{s} + Ν_{b}} = \frac{Ν_{0} n_{p i x}}{S t + B t} (13)$

从表达式可以看出,当背景和信号光子数达到相机的满井电荷数时,相机的增益将无效,也就是说存在一个临界背景阈值.

(4)BIN

电视相机采用2×2 BIN模式,改变了目标像所占像元数(BIN模式表示像元合并,该模式下单个像元为原始状态下的4个,即npix减小4倍.)根据式(2)可以知道SNR变为原来的2倍.

2.2 仿真分析

系统的探测概率Pd可用下式表示[8]

$Ρ_{d} = \frac{1}{\sqrt{2 π}}$ $\int_{(Τ Ν R - S Ν R)}^{\infty}$ exp(-u2/2)du (14)

其中,TNR为阈值信噪比;SNR为探测信噪比.虚警概率和阈值信噪比TNR之间的关系式为

$\frac{1}{p_{f}} = \sqrt{3} \exp (Τ Ν R^{2} / 2) (15)$

系统的探测概率、信噪比和虚警率之间的关系曲线如图2所示.

从图2可以看出,当SNR取6时,系统的探测概率高,且虚警率低,为此工程应用上通常考虑SNR取6.结合相关参数,根据式(12)对系统探测能力进行了仿真,不同积分时间、不同天空背景下分析结果见图3;针对工程设计中特定天空背景的比对分析结果见表2.

从图3分析结果可以看出,系统的探测能力随着积分时间的增加而增强,随着天空背景亮度的增强而减弱.从表2的结果可以看出,在天空背景为10 W·m-2Sr-1条件下,采用光谱滤波技术(0.6 um以下截止),光电系统的探测能力得到约0.5等星提高;采用相机BIN模式,探测能力得到1.1等星的提高;采用相机增益模式,探测能力再次得到0.9等星的提高;即综合采用光谱滤波、相机BIN和相机增益3种技术,光电系统的探测能力得到2.5等星的提高.

3 结论

文中针对光电系统白天探测技术进行了研究,从探测基本原理出发,给出了光电系统探测模型;从探测模型分析得出;白天对空间目标进行观测时,采用光谱滤波、相机BIN、相机增益3种技术可以提高光电系统的探测能力,提出了基于该3种模式下的极限探测能力模型.同时,利用该模型进行了仿真分析.仿真结果表明,综合采用3种技术,相比与原始状态,光电系统的白天探测能力得到了很大的提高.在实际工程应用中,为提高系统的探测能力,建议光电系统采用600～900 nm、700～900 nm、800～900 nm滤波波段,在图像处理软件中增加相机增益功能和BIN模式功能.该模型可应用于光电系统的设计以及应用分析.

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混合型光电探测器篇5

1.1 光波导概述

从科学意义上来看, 光纤和平面继承光波导都隶属于光波导的范围, 其大致由芯层、衬层以及包层所组成, 就一般情况而言芯层的折射率是要略大于包层折射率的。由于光是在芯层里面进行的传播, 所以光波导在这里是以“模式”的形式而存在。

结合实践经验来看, 这里提到的模式是一种相对比较特殊的光场分布, 对于直波导来说, 这种光场分布在波导里面一旦发生, 就能够非常稳定的以其基本形态不变的状态传播下去。

1.2 数值计算方法

针对波导设计和特性的计算环节, 一般情况下我们运用的都是解麦克斯韦方程组来求得具体数值。

我们已经知道麦克斯韦是一组偏微分方程, 因此具体的解法实质上就是研究偏微分方程的数值解法;大体上来看解法有两种:

有限元法和有限差分法;这两种解法的核心思想都是将一个连续性、整体化的问题通过离散的形式来进行解答;

具体步骤可以分为两类:

1) 求解区域作网格划分, 运用有限网格的节点来实际取代连续区域;

2) 将微分算子离散化、进而使得解答的整个过程成为线性代数的解答形式。

2 硅基微纳光波导的设计和分析

光波导是光集成期间的重要组成要素之一, 它的特点和具体性能直接影响着光集成器件的实际功能以及尺寸等方面;以材料上的差异来进行区分, 主要可以分为硅基光波导、铌酸锂光波导等。经过科学研究硅基材料具有其他材料所不能相比的成本低的优势, 因此, 我们将主要的注意力放在硅基光上。

2.1 测试传播损耗和耦合损耗

首先要制作宽度不相同的光波导来进行通光测试, 为了更够更加准确的得到传播损耗和耦合损耗, 研究的方法采用的是截断法。具体的操作是:

采用锥形透镜光纤将光耦合到波导中。其中, TLF的模场直径为3~4um。

测量结果参见图1;

通过对图1的观察, 我们能够很准确的求出传播损耗和耦合损耗。又如图2所示。

波导的宽度不断减小, 传播损耗大致就呈线性增大的态势。当波导的宽度从4降到1.8的时候, 传播能耗是在增加的。

此外, 由于波导侧向折射率差值相对比较大, 此外, 侧壁的粗糙程度对于传播损耗有着很直接的影响;我们在实际操作中可以运用优化光刻技术来改进侧壁的粗糙程度。

3 基于硅纳米线微环谐振器的超高密度波分复用器

就目前的发展态势来看, 世界上主要的一些通信设备共影响所开发的IP包路由器, 可以实现在单通道40Gb/s的数据速率, 就当前科学技术来看, 这已经达到了一个极值, 再想进一步提高难度非常大。为了克服这一难题全光数据处理方式随之出现。

为了能够容纳更多的路由信息而同时又不至于占用太多的宽带资源, 标签的波长之间只有非常小的间隔, 一般在1550nm波段只为0.1nm。在接收端口, 还应该采用与之相应的超高密度波分复用滤波器识别这些标签所包含的路由信息, 这也是为了方便下一步对数据进行的处理工作。

4 总结和建议

本文对于硅基纳光波导进行了一个简要的研究、分析。并且对硅纳米线光波导进行了运算方法上的探索, 对于其设计方式也结合自身实践经验做出了概述。并由此测算出了其优越的弯曲性能和提高器件集成度的出色能力。

基于硅纳米线光波导来看, 在阵列末端引入双追星辅助波导结构能够一实现在不增加器件尺寸的前提下, 明显提高器件通道的均匀性的目的。这也为我们最终实现硅纳米超高密度波分复用器提供了可能。

针对本论文所探讨出的内容, 结合实践经验对后续相关工作提出以下建议:

1) 关于深刻蚀二氧化硅脊形光波导一直是一个难点, 结合文章分析和实践经验来看, 我们可以通过对薄膜沉积工艺的调整, 来增大芯层和包层之间的相对折射率差, 这样就能够最大程度的保证在不增大泄露损耗的前提下, 减小膜层厚度和刻蚀深度, 最终达到减小侧壁散射损耗的目的。

2) 基于硅纳米线为环谐振器的超高密度波分复用器, 应该有意识的减小通道损耗。

首先, 同样是对硅纳米光线波导的制作工艺进行一定程度上的调整, 以减小其传播损耗为目的;其次, 将目前使用的单环结构改为更为科学, 消光比更高的高阶微环谐振器, 这也从侧面反映出当两者具有相同的通道损耗时, 高阶微环的通道间串扰更小。

5 结束语

如果要最终实现在中短距离通信以及互连领域中广泛运用集成光子器件的理想, 就必须通过客观的方式来提供我们自身的科技综合能力。在研究领域必须必须在以下几个方面进行更深层次的研究:首先, 如何能够更进一步降低集成光子器件的成本, 使其能够实现大规模的产业化经营;其次, 进一步改进光子器件的性能, 尤其是在降低有源器件功耗的方面, 更应该引起相关科研人员的注意;再者, 集成光子器件的理想用途还有很多, 我们应该不懈努力继续发掘出其本身具有的潜力, 使之更好的为我们服务。

结合发展历程来看, 光子学的研究和产业化进程, 都深刻的影响着人们的日常生活以及社会经济的发展。

摘要：随着科学技术综合水平的不断提高, 通信技术和信息已经越来越多的深入到人们生活的各个方面, 并且深远的影响着社会经济的发展。就光通信技术这一点来说, 人们不仅仅是希望它作用于长距离通信应用, 而希望它延伸至中、短距离的通信以及互连领域。基于此, 光通信中的集成光电子器件也就受到了各方面的广泛关注。如何降低其成本并提高其工作效率也成为了我们研究的重心, 基于此本文将对与其关系甚密的硅基微纳光波导集成型滤波器和光电探测器做一个系统的概述。

关键词：通信技术,硅基微纳光波导集成型滤波器,光电探测器

参考文献

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混合型光电探测器篇6

近年来,随着硅光子学技术的加速发展,实现具有更短传输距离,更高带宽和集成度的光互连技术成为了人们追求的目标。其所面临的难题之一在于制作高响应度、高响应速度大3 d B带宽、低暗电流密度,响应波长在通信波段1.3~1.55μm的近红外光电探测器,从而实现光电集成[1,2]。室温下,锗的禁带宽度为0.67 e V,具有较高的载流子迁移率(其电子与空穴迁移率分别为3 900 cm2/V·s以及1 900 cm2/V·s)[3],相应的光电器件响应速度高,且制备工艺和COMS工艺兼容。其中,硅基锗金属-半导体-金属(MSM)光电探测器结构相对简单,具有低电容和易于集成的特点,因而引起了极大关注。但MSM一般具有较高的暗电流密度,尤其锗的带隙较窄,所形成的肖特基势垒高度也较低,同时,锗在空气中不稳定,很容易被氧化,并具有较高的表面态密度。这些因素都会形成更大的暗电流,导致等效噪声功率增加,降低器件性能[4]。因此。暗电流抑制是硅基锗MSM光电探测器的研究重点。

MSM光电探测器的暗电流主要来源于肖特基势垒的热电子或空穴的发射电流,以及越过肖特基势垒的隧道电流[3],因此提高肖特基势垒高度是抑制器件暗电流的一种有效方法。一般是采用“势垒增强技术”,即在半导体有源层和金属电极中间加入一层半导体薄膜或绝缘介质膜,增加肖特基势垒高度。另一方面,也可通过设计非对称电极,如非对称金属叉指电极[5],掺杂分离[6]等结构,利用具有不同功函数的金属作为电极,提高肖特基势垒高度。斯坦福大学的Ali K. Okyay等人[7]则提出了利用非对称面电极的结构来抑制MSM的暗电流。在此基础上,本文探究了提高硅基锗MSM光电探测器性能的方法,采用圆形与环形的电极结构,通过改变电极的半径参数来研究非对称面电极结构对暗电流的影响。本文采用ATLAS器件仿真组件进行结构的三维仿真,并通过实验验证了非对称面电极结构对暗电流的抑制效果。

1 原理

MSM光电探测器由一对背对背的肖特基二极管串联组成,在非对称面电极结构MSM中,两电极分别采用圆形与环形结构(R1,R2,R3),如图1所示。其中R1表示圆形电极半径,R2、R3分别表示环形电极的内径与外径。金属Ti/Au电极总厚度为0.2μm,锗有源层厚度为1μm,硅衬底厚度为3.9μm,两者之间的硅锗缓冲层厚度为0.1μm。

在同一偏压下,非对称面电极回路中电流相等,保证了电流连续性。圆形电极与环形电极相比,面积较小,具有较大的电流密度J以及电场强度,因此MSM器件的耗尽层能够不断向面积较大的电极处扩展,从而可以有效地降低穿通电压VRT(偏压增加时两个二极管耗尽层宽度一个增加,一个减小,但耗尽层总宽度增加,当两耗尽层相接触,此时相应的电压为穿通电压VRT),并有效降低器件的暗电流[8]。

另一方面,在加偏压的情况下,金属半导体界面会产生肖特基下降效应?Φ,实际肖特基势垒高度如下:

Φ0为未加偏压时的肖特基势垒高度,对于环形电极而言,加正偏压时,肖特基势垒高度降低,但因其电场强度E较小,减弱了肖特基下降效应△Φ,从而提高了实际肖特基势垒高度,并抑制了器件暗电流。

2 仿真

本文采用ATLAS器件仿真系统对硅基锗MSM光电探测器进行仿真工作,ATLAS软件基于Maxwell微分方程组,在设计的网格空间中通过迭代的方法计算界面载流子的传输特性,可以仿真半导体器件的光电热行为。器件参数设计如下:金属Ti电极的厚度为0.2μm(由于仿真主要考虑肖特基势垒,不涉及实际测试,因此电极材料未用金属Au),锗有源层厚度为1μm,硅衬底厚度为3.9μm,两者之间还有一层硅锗缓冲层以实现硅锗之间晶格常数的过渡,其厚度为0.1μm。MSM器件型号表述为R1-R2-R3,其中R1, R2, R3的定义如图1所示。

非对称面电极的仿真思路主要是通过对两种不同形状的电极进行偏压设置,观察器件的暗电流特性,同时改变电极的结构参数来进一步定性地研究面电极结构对暗电流的抑制效应。由于不同结构有源区大小不同,因此选取器件的暗电流密度进行对比。仿真结果如图2所示,由于材料配置与结构的缘故,理论上硅基锗MSM的暗电流密度就不小于m A/cm2数量级,远远大于同材料的p-i-n光电探测器,雪崩光电二极管(APD)探测器等器件。

由图可见面电极采取不同结构参数时,对暗电流的抑制效应也不同。对比器件20-25-R3(环形电极外径可变)系列可发现,当有源区不变时,其外电极面积的改变对暗电流几乎无影响。另一方面,可观察到有源区间隙相对较宽的20-30-R3系列器件的暗电流抑制效果较好。原因可能在于同一偏压下较宽的有源区会形成较小的电场,从而产生较小的暗电流密度。由上述仿真结果可以得出,电极面积的非对称性与有源区的宽度两者对比,后者对暗电流密度的影响更明显,有源区增宽可以使得暗电流密度相应地降低。

3 实验及分析

硅基锗MSM光电探测器的制备流程如图3(a)所示。首先在硅基衬底上利用分子束外延(MBE)的方法,利用选择性外延生长法(SEG)生长半导体锗薄膜,研究发现,模板诱导的选择性外延以及横向过度外延生长手段能够有效降低硅上外延锗的线位错密度(TDD),获得晶体质量高,缺陷少的锗外延膜[9]。生长完毕后用标准RCA方法清洗样品基片,然后使用光刻的方法将掩膜板的电极图形转移到负性光刻胶表面,获得所需的电极沉积区域,接着用稀HF溶液去除锗膜表面氧化层,采用溅射法进行金属电极沉积。金属电极一共分为两层:首先溅射金属Ti,与锗形成肖特基势垒,厚度15 nm;第二层溅射金属Au用作测试电极,厚度35 nm。最后采用lift-off剥离电极区域外的残余光刻胶,钝化后完成MSM光电探测器的制备。图3(b)即为样品20-30-80的SEM图,从图中可见金属电极图形的边缘清晰光滑,形状符合设计要求,但由于掩膜版的阴影效应,有源区域的尺寸比设计值略小,设计值为10μm,实际值为8.96μm。

为了进一步探究非对称面电极的结构特性对器件暗电流的影响,将电极结构设计分为A组与B组,A组样品只改变环形电极外径R3,B组样品采用不同的R1和R2,即改变电极的非对称性及有源区的宽度。

器件的暗电流密度测试以及光谱响应测试采用Agilent 4155C半导体参数分析仪结合RF-1 CASCADEMICROTECH探针台进行,通过对电极的偏压扫描得到电流-电压(I-V)关系。由于器件有源区大小不同,因此用暗电流密度来表征器件的暗电流特性。图4(a)为A组器件的暗电流密度-电压(J-V)曲线。为利于观察,将纵坐标绝对值取log形式表示。由图可知,A组器件外电极尺寸的变化对暗电流的影响不明显,与仿真结果相同。图4(b)为B组器件暗电流密度(取log)随偏压变化的情况。由图可知,相比其他有源区宽5μm的器件,样品20-30-100有源区宽为10μm,并具有较低的暗电流密度,也很好地验证了仿真结果。

为了探究非对称面电极的暗电流抑制效应,本文设计了对称叉指电极MSM对照组并测试了器件电流特性,其电极形状为交叉指状,有一定的电极宽度与间距,如样品2-4的电极长50μm,宽2μm,间距4μm。实验选取各组样品进行对比,表2中列出了-1 V偏压下非对称电极硅基锗MSM探测器2-4、20-30-40、20-30-100样品的光电性能参数(未测样品2-4在1 550 nm的响应度)。

在-1 V偏压下,样品20-30-40和样品20-30-100的暗电流密度分别为4.47 A/cm2和4.99 A/cm2,样品2-4的暗电流密度为51.91 A/cm2,可见非对称面电极对暗电流的抑制效果比较显著。样品2-4在可见光632nm处的光/暗电流比仅为1.6左右,而样品20-30-40在632 nm与1 550 nm的光/暗电流比分别达32.77与22.94。可见非对称面电极结构具有更优的性能参数。

鉴于光电探测器在通信波段的应用,本文研究了B组样品10-15-100的光谱响应特性。图5为-1 V偏压下硅基MSM光电探测器的暗电流以及在1 500?1 580 nm近红外波段的光电流。由于锗材料的吸收特性以及器件的测试误差,在近红外波段器件光电流有一定的波动,但总体呈上升趋势。样品10-15-100在-1 V偏压下暗电流为A,在近红外波段,光/暗电流比值最大达到8.36(1 560 nm),最小为4.51(1 500 nm)。在1 560 nm,响应度最大达0.14 A/W。

由于实验样品都在同一条件下制得,并具有相同的硅基锗衬底,因此材料缺陷,制备工艺及表面态对实验样品的影响可近似相同,在此条件下,实验结果的变化可以视为由于电极结构改变而造成的,而暂时忽略器件表面态等因素的影响。因此根据上述实验结果,我们可以得出,采用非对称面电极结构的硅基锗MSM光电探测器能够有效调整器件的暗电流密度。虽然与常规的p-i-n光电探测器相比,A/cm2级别的暗电流密度依然非常大,但是与传统叉指电极的MSM相比(参照Rouviere M等人[10]以及Vivien L等人[11]的结果,其暗电流密度分别达1?103A/cm2和6. 5?102A/cm2),A/cm2级别的结果已经较小。然而与Ali K. Okyay的结果相比,本文的结果还是较大,分析暗电流密度较大的原因如下:在硅基锗MSM光电探测器中,由于锗在空气中不稳定,容易形成表面氧化层,因此Metal/Ge界面具有较高的表面态密度,从而产生费米能级钉扎效应(Fermi level pinning,FLP)。这种情况下,金属半导体界面的肖特基势垒高度取决于半导体的能带,而与金属的功函数几乎无关[12,13]。对于锗而言,其禁带宽度为0.67 e V,带隙相对较窄,因此在FLP作用下,肖特基势垒高度会较低,从而产生较大的暗电流。制备硅基锗MSM时最好对锗表面进行钝化处理,如利用二氧化硅作钝化层进行合理钝化,减小表面态密度,提高器件性能。

4 结论

光电烟支检测器的设计篇7

在烟草加工生产过程中, 烟支质量的好坏直接影响最终产品的质量, 从卷接机输送到包装机的烟支因为种种原因会有各种次品。烟支检测器就是用于包装机上对烟包内单个烟支的装填情况 (空头检测) , 以及整个烟包的完整性 (缺支、缺嘴、反支检测) 进行检测, 并对存在缺陷的烟包发出剔除信号的检测系统。

近年来, 一方面由于电子技术的高速发展, 另一方面机械接触式检测器在运行过程中对烟支有损伤、易受环境影响产生误判断, 包装机上烟支检测方式逐步从机械接触式发展为非接触式光电检测, 其检测速度从低速到高速, 对信号的处理也越来越复杂, 而应用、维修却越来越简单。目前国外高速包装机大都采用红外线光电检测。

1 光电烟支检测器的工作原理

光电烟支检测器主要工作原理是烟包通过传感器前方, 传感器根据烟包内每支烟的装填情况以及完整性产生相应的检测信号送到控制系统, 系统再将检测信号与用户设置的剔除基准值进行比较, 判断烟包是否存在空头、缺支、反支等缺陷, 最后根据判断结果输出相应剔除信号。

传感器选用反射式红外光电传感器, 其具有响应速度块、检测灵敏度高等优点。当烟支的烟丝面或滤嘴面与光电传感器的距离发生变化时, 烟支对光的反射程度也发生变化, 传感器根据反射的强弱产生不同的电压信号, 系统通过电压信号的大小来判断烟支好坏。烟包中每一排烟对应一个传感器, 机器运行时, 烟支随着模盒在传感器前做平滑移动, 系统根据编码器提供的信号可以确定烟包内每支烟所在位置, 从而将每支烟的采样信号送入系统。

由于该系统用于高速包装机组, 数据处理量大, 要求控制系统具有很高的运行速度及集成度。系统采用主从两个处理器的方式:主处理器主要负责整个系统的控制及数据处理, 包括控制从处理器执行相应功能、显示等, 该处理器具有很高的运行速度、而且包含程序存储器及数据存储器;从处理器主要根据主处理器发送的命令执行相应的功能, 包括从传感器采集数据以及包装机系统的输入/输出等, 该处理器同样具有很高的运行速度, 内部集成了Flash存储器、A/D转换模块、I/O口等资源。

为了方便用户对检测器运行情况的了解, 采用中文液晶显示技术, 通过液晶屏显示系统的相关信息, 用户可以对系统进行参数设置以及使用系统提供的一些辅助功能。

2 光电烟支检测器的组成

光电烟支检测器主要由控制组件、传感器组件、显示组件和电源组件四个部分组成, 其系统框图如图1所示。

控制组件负责整个系统的控制及数据处理, 在设计中采用两个主从处理器的方式。主处理器选用Rabbit公司的RCM3200模块, 该模块是一个集成了8bit的Rabbit3000单片机、512K的Flash存储器、512K的程序RAM、256K的数据RAM等功能的微处理器核心模块, 该处理器负责整个系统的控制及数据处理;从处理器选用Free Scale公司的16位DSP芯片DSP56F807, 该芯片的最大工作频率达到80MHZ, 而且内部包含了128K的Flash存储器、8路12bit的A/D转换通道、中断模块、定时器模块、32位I/O口等资源, 该处理器负责控制传感器进行数据采集、电源的自诊断以及接收包装机控制系统的复位信号等并输出剔除等信号到包装机。

传感器组件是烟支检测模块的关键部件, 传感器的性能对整个系统的性能起关键性作用。烟支存在的缺陷包括空头、缺嘴、缺支等, 其检测原理都是一样的, 当烟丝面或滤嘴面与传感器的距离发生变化时, 对光的反射程度也发生变化, 系统通过传感器反馈回来的信号强弱可以判断烟丝面或滤嘴面与传感器的距离大小, 从而确定当前烟支是否满足空头或缺支条件。反射式红外光电传感器的负载特性曲线如图2所示。

为了使光电传感器工作在最佳状态, 系统在获得传感器的反馈信号后, 通过系统里设计的一些功能, 达到观察、调节传感器的目的。第一是示波器功能, 当烟包通过时可以根据烟支的装填情况显示由光电管探测到的波形, 如图3所示;第二是所有的光电管的平均工作基准和平均剔除基准的工作点, 该功能可以对光电管的平均工作基准和平均剔除基准进行图形化检测, 修改当前选中传感器的平均剔除基准, 如图4所示;第三是模拟输入输出监控功能, 以图形显示光电管的瞬间电压和反馈电阻值, 光电管信号的动态信息以及检测到合格产品时的数值都通过瞬间电压 (细线) 来表示, 如图5所示。

显示组件作为人机交互界面, 采用液晶显示技术。显示组件主要包括:带有微处理器的控制板、液晶显示屏及带有LED指示灯和操作键盘的控制面板。控制板上的处理器采用ATMEL公司的ATmega 128单片机, 该单片机负责液晶显示屏的控制、键盘检测以及与主处理器通讯, 液晶显示屏使用象素为240×128的点阵式液晶显示屏, 操作面板共设计了19个按键。

电源组件为整个系统提供工作所需的各种电源, 包括8V、+12V、-12V、24V的电压源以及传感器工作所需要的95m A恒流源。电源组件使用一片8位单片机, 对各路电源进行监控, 并通过LED指示灯指示各路电源状态。

3 特点

该光电烟支检测器具有如下特点:

●是一种非接触检测, 适应于高速包装机, 最高可达1000包/分。

●运行稳定、可靠, 具有自动校准功能。

●高效的自诊断能力, 可以对传感器、编码器等发生的故障进行报警提示。

●适用不同烟包规格。只需在控制面板上做简单的操作即可 (包含767、776等多种规格) 。

●能实现对反支烟检测, 并进行剔除。

●采用数字化电路设计, 光电传感器的灵敏度调节既可单独进行, 也可整体调节。

●系统能自动获得各光电传感器的特征曲线, 可在运行中对这些微小差异进行补偿, 自动修正其中的差异。

●系统自带LCD液晶图形显示控制面板, 全中文操作界面, 可以显示系统运行信息, 并通过按键进行参数设置, 操作也十分简单, 同时还提供了多种辅助功能, 如“示波器”功能, 该功能可以实时显示烟包通过时光电传感器的响应曲线。

●具有强大的统计功能, 可以对产量、空头及缺支剔除情况进行详细的统计, 如剔除位置显示、采样值显示、坏烟剔除统计等。