對一種響應(yīng)近紅外的新型量子光電探測器特性進行測試和分析，給出了2×8探測器陣列和讀出電路的對接測試結(jié)果，設(shè)計初步的成像系統(tǒng)采集顯示焦平面輸出。探測器有一個-0.8V的閾值電壓，偏壓大于閾值電壓后器件響應(yīng)率遠大于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)計的讀出電路通過Si基板對接后在77K條件測試，讀出電路的線性度好于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(yīng)用的要求。設(shè)計了數(shù)據(jù)采集卡和成像系統(tǒng)驗證了對接樣品的實用性。
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,積分時間為200μs時探測器率達到1.38×1010cmHz1/2/W,達到實際應(yīng)用的要求。為驗證探測器和讀出電路及對接樣品的實用性，最后設(shè)計了數(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)計提供重要依據(jù)，為此在光電測試平臺采用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-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。正向偏置時探測器響應(yīng)電流相對較小。測試得77K,-1.5V時探測器暗電流小于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是不同光照功率時探測器的響應(yīng)率，結(jié)果顯示探測器的響應(yīng)率遠大于1A/W,偏壓為-1V時響應(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，這個特性有利于提高成像系統(tǒng)的動態(tài)范圍。
探測器的工作偏壓對焦平面工作有重要影響，需要仔細選擇和嚴(yán)格控制。
圖3顯示探測器偏壓為-1V時動態(tài)阻抗較大，大動態(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)計并流片2×8讀出電路，CTIA積分電容設(shè)計為6pF.通過Si轉(zhuǎn)接基板實現(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,積分時間從20μs變化到200μs時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于提高焦平面的探測率。圖9是探測率與積分時間的關(guān)系，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(yīng)用的要求，為進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)
為了驗證對接后樣品的工作性能，進一步設(shè)計了數(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、上位機和顯示器、對接后的焦平面陣列和光電測試平臺。Stm32處理器輸出讀出電路驅(qū)動控制信號，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。通過VisualStudio6.0設(shè)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(yīng)。
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(dāng)光照較弱時輸出電壓較小，16探測器單元顯示的相應(yīng)的點亮度較低，光照較強時，相應(yīng)點的顯示亮度變亮。
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-0.8V的閾值電壓，偏壓大于閾值電壓后器件響應(yīng)率遠大于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(yīng)用的要求。采用設(shè)計的數(shù)據(jù)采集卡和成像系統(tǒng)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制提供了有益的參考。
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