解析新型量子光電探測器的讀出與顯示

 1.引言

目前工業(yè)、醫(yī)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(yīng)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(shí)響應(yīng)率大于10A/W，響應(yīng)率隨光照功率增大減小。針對探測器特性和探測器陣列規(guī)模設(shè)計(jì)了2×8元讀出電路，探測器和讀出電路對接后的樣品工作在77K條件下。探測器偏壓為-1.5V，積分時(shí)間為200μs時(shí)探測器率達(dá)到1.38×1010cmHz1/2/W，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。為驗(yàn)證探測器和讀出電路及對接樣品的實(shí)用性，最后設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集卡和成像系統(tǒng)，給出了測試結(jié)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(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，為此在光電測試平臺(tái)采用keithley 4200-SCS半導(dǎo)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(gè)-0.8V的閾值電壓，探測器偏壓大于-0.8V后響應(yīng)電流迅速增大，在-0.8V~-3V區(qū)間相應(yīng)電流隨偏壓變化緩慢。正向偏置時(shí)探測器響應(yīng)電流相對較小。測試得77K，-1.5V時(shí)探測器暗電流小于10-13A，暗電流較小有利于降低噪聲，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(shí)探測器的響應(yīng)率，結(jié)果顯示探測器的響應(yīng)率遠(yuǎn)大于1A/W，偏壓為-1V時(shí)響應(yīng)率大于10A/W，說明探測器量子效率和光電增益較大。測試結(jié)果還顯示探測器的響應(yīng)率隨光照功率增大減小，這個(gè)特性有利于提高成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

探測器的工作偏壓對焦平面工作有重要影響，需要仔細(xì)選擇和嚴(yán)格控制。

圖3顯示探測器偏壓為-1V時(shí)動(dòng)態(tài)阻抗較大，大動(dòng)態(tài)阻抗表示探測器響應(yīng)電流隨工作偏壓變化較小，降低了探測器工作偏壓的穩(wěn)定性要求，提高了探測器陣列響應(yīng)的一致性。因此探測器陣列與讀出電路對接后選擇-1V為工作電壓。

2.2 讀出電路

根據(jù)探測器特性設(shè)計(jì)讀出電路，結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括行選開關(guān)、電容互阻放大器(CTIA)、相關(guān)雙采樣電路(CDS)、列選開關(guān)和輸出緩沖器。采用CTIA結(jié)構(gòu)為列放大器可以穩(wěn)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，然后列放大器復(fù)位，使積分電容放電，探測器上電極的電位復(fù)位到復(fù)位電位。復(fù)位后列放大器開始積分，CDS電路采樣和保持列放大器的復(fù)位信號和積分信號。最后在列選開關(guān)的控制下依次選通采樣保持電路，通過輸出緩沖器依次輸出八個(gè)探測器積分信號。

接著重復(fù)上面的讀出過程，開始另一行探測器的讀出。

3.測試結(jié)果

3.1 探測器陣列與讀出電路對接測試

采用CSMC 0.6μm DPDM工藝設(shè)計(jì)并流片2×8讀出電路，CTIA積分電容設(shè)計(jì)為6pF.通過Si轉(zhuǎn)接基板實(shí)現(xiàn)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(nèi)加液氮制冷后固定在光學(xué)平臺(tái)上，采用He-Ne激光器作為光源，發(fā)出的光經(jīng)過衰減聚焦照射到器件表面。電路的工作電源和各個(gè)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(shè)定為2.5V，公共電極設(shè)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(shí)間從20μs變化到200μs時(shí)讀出電路輸出電壓的變化，結(jié)果讀出電路的線性度好于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(guān)系如圖7所示，光照功率大于800nW時(shí)讀出電路飽和。

探測器陣列與讀出電路對接后測試得噪聲特性如圖8所示，噪聲隨積分時(shí)間增大減小，平均噪聲為 0.91mV，對接后樣品的信噪比為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(guān)，輸入端探測器工作頻率為1/2Tint[2]。 當(dāng)積分時(shí)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(shí)間有利于提高焦平面的探測率。圖9是探測率與積分時(shí)間的關(guān)系，隨積分時(shí)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(shí)間為200μs時(shí)探測器率達(dá)到 1.38×1010cmHz1/2/W，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，為進(jìn)一步大面陣讀出電路和探測器陣列的研制提供了依據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集與成像系統(tǒng)

為了驗(yàn)證對接后樣品的工作性能，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集電路和成像系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖10所示。系統(tǒng)包括stm32處理器、上位機(jī)和顯示器、對接后的焦平面陣列和光電測試平臺(tái)。Stm32處理器輸出讀出電路驅(qū)動(dòng)控制信號，并利用自身集成的ADC完成讀出電路輸出模擬信號的數(shù)字化，然后通過USB接口把數(shù)字化的信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。通過VisualStudio6.0設(shè)計(jì)可視化圖形界面，用灰度圖顯示表示16個(gè)探測器單元的響應(yīng)。

圖11分別給出了弱光條件和強(qiáng)光條件時(shí)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(shí)間為100μs，當(dāng)光照較弱時(shí)輸出電壓較小，16探測器單元顯示的相應(yīng)的點(diǎn)亮度較低，光照較強(qiáng)時(shí)，相應(yīng)點(diǎn)的顯示亮度變亮。

4.結(jié)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(gè)-0.8V的閾值電壓，偏壓大于閾值電壓后器件響應(yīng)率遠(yuǎn)大于1A/W，且響應(yīng)率隨光照功率增大減小。2×8探測器陣列與設(shè)計(jì)的讀出電路通過Si基板對接，對接后的焦平面陣列線性度好于99.5%，信噪比達(dá)到67dB，探測器偏壓為-1.5V，積分時(shí)間為200μs時(shí)探測器率達(dá)到1.38×1010cmHz1/2/W，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。采用設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡和成像系統(tǒng)驗(yàn)證了對接樣品的實(shí)用性，為進(jìn)一步大面陣讀出電路和探測器陣列的研制提供了有益的參考。