光電探測技術(shù)2016

1、第二章：紫外與可見探測技術(shù),第一節(jié)：概述第二節(jié)：紫外與可見探測器分類第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,,,,第一節(jié)：概述,,,1.1 自然輻射源,1.2 人工輻射源,1.3 典型的紫外探測應(yīng)用,,固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征僅與溫度有關(guān)。,固體在溫度升

2、高時(shí)顏色的變化,物體輻射總能量及能量按波長分布都決定于溫度。,,熱輻射現(xiàn)象,第一節(jié)：概述,,黑體輻出度實(shí)驗(yàn)曲線,第一節(jié)：概述,黑體是一個(gè)能完全吸收并向外完全輻射入射在它上面的輻射能的理想物體。,Eb=Cb（T/100）4式中 Cb——黑體的輻射系數(shù)，是用來表征黑體向外發(fā)射輻射能力的熱物理常數(shù)；Cb=5.67W/（m2*K4）,,黑體應(yīng)用: 測溫領(lǐng)域 輻射溫度計(jì),黑體模型的原理： 一個(gè)球殼形

3、的空腔，使空腔壁面保持均勻的溫度，并在空腔上開一個(gè)小孔。射入小孔的輻射在空腔內(nèi)要經(jīng)過多次的吸收和反射，而每經(jīng)歷一次吸收，輻射能就按照內(nèi)壁吸收率的大小被減弱一次，最終能離開小孔的能量是微乎其微的，可以認(rèn)為所投入的輻射完全在空腔內(nèi)部被吸收。,第一節(jié)：概述,,,,第一節(jié)：概述,,紫外光電探測對敏感材料的要求,紫外線熱輻射能量最高點(diǎn)在10000K以上,不利于熱探測器性能的最優(yōu)化，因此，紫外探測器多以光子型原理實(shí)現(xiàn)探測。,第一節(jié)：概述,,紫外光的

4、特點(diǎn),,,254nm紫外光的能量比 555nm可見光光子能量大1倍多,紫外與物質(zhì)相互作用特點(diǎn)：穿透能力弱。尤其是200nm以下的短波紫外，只能在真空中傳輸。紫外輻射的熒光效應(yīng)。紫外光電效應(yīng)。,第一節(jié)：概述,,光電探測器分類：紫外探測器,紫外光譜的特點(diǎn),,人工的紫外線光源有多種氣體的電弧(如低壓汞弧、高壓汞弧)，紫外線有化學(xué)作用能使照相底片感光，熒光作用強(qiáng)，日光燈、各種熒光燈和農(nóng)業(yè)上用來誘殺害蟲的黑光燈都是用紫外線激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光

5、的。,紫外線可以防偽,還有生理作用，能殺菌、消毒、治療皮膚病和軟骨病等。紫外線的粒子性較強(qiáng)，能使各種金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)。,,太陽紫外線通過時(shí)的大氣特點(diǎn)：真空紫外（UVD） 氧氣強(qiáng)烈的吸收波長小于200nm的紫外光，只有在太空中才存在這個(gè)波段的紫外光，因而稱為真空紫外；短波（UVC:200－280nm） 日光中含有的短波紫外線幾乎被臭氧層完全吸收，基本上到達(dá)不了地球的近地表面工作在這個(gè)波段的紫外探測稱為日盲紫外探測器；避開

6、了最強(qiáng)大的的太陽紫外所造成的干擾。,第一節(jié)：概述,,太陽紫外線通過時(shí)的大氣特點(diǎn)：中波紫外線（UVB:280－320nm） 中波紫外線極大部分被皮膚表皮所吸收，對皮膚可產(chǎn)生強(qiáng)烈的光損傷，長久照射皮膚會出現(xiàn)紅斑、炎癥、皮膚老化，嚴(yán)重者可引起皮膚癌。中波紫外線又被稱作紫外線的曬傷（紅）段，是應(yīng)重點(diǎn)預(yù)防的紫外線波段。長波紫外線（UVA:320－400nm) 穿透性遠(yuǎn)比中波紫外線要強(qiáng)，引起皮膚變黑，因而也被稱做“曬黑段”。日光中

7、含有的長波紫外線有超過98%能穿透臭氧層和云層,將我們的皮膚曬黑。,第一節(jié)：概述,,太陽、地球表面、天空、外層空間和星體都既可能是輻照源 也可能是干擾源。1.太陽,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.1 自然輻射源,太陽中心溫度：1.5?107K，壓強(qiáng)10?1016Pa，內(nèi)部發(fā)生氫轉(zhuǎn)換成氦的聚變反應(yīng)，輻射總功率3.8 ? 1026 W，地球接收1.7 ? 1016 W,核反應(yīng)層、輻射層、對流層,,,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.1自然

8、輻射源,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.1自然輻射源,4.閃電,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,1.氣體放電光源,電子在1～100V/cm的電場中加速，激發(fā)和電離，能級躍遷輻射出紫外能量，電弧單位長度功率范圍0.1～400W/cm；弧光燈適用的填充氣體范圍從氫氣到氙氣，包括汞－氬氣和鈉－氬氣，大部分輸出在紫外波段（特別接近254nm）。氫和氘燈在紫外波段能產(chǎn)生強(qiáng)連續(xù)光譜，短波輸出主要受限于窗口的光源透過能力。,,低壓放電

9、燈,高壓弧光燈,脈沖弧光,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,2.發(fā)光二極管,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,2.發(fā)光二極管,,組分與能帶關(guān)系,,,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,2.發(fā)光二極管,,光的吸收與發(fā)射原理差異,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,2.發(fā)光二極管,,簡單的LED驅(qū)動電路,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,3.紫外激光器,半導(dǎo)體紫外激光器：具有更高的

10、峰值功率，較低能耗，脈寬窄，無溫度和光學(xué)補(bǔ)償，中紫外波段（AlGaN）紫外輻射激發(fā)效率最高。發(fā)展方向：小體積，功耗（mW量級）。,,,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,3.紫外激光器,氣體紫外激光器：脈沖準(zhǔn)分子，連續(xù)離子，氦－鎘及金屬蒸氣激光器，波長取決于氣體混合物類型。常用ArF(193nm), KrCl(222nm)等。頻率10～100Hz,脈寬ns量級，功率10～100W。,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻

11、射源,3.紫外激光器,半導(dǎo)體紫外激光器,固體紫外激光器：氙燈泵浦，氪燈泵浦及激光二極管（LD）泵浦全固態(tài)激光器等。LD全固態(tài)激光器效率高、性能可靠、體積小,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,3.紫外激光器,激光器LD和發(fā)光二極管LED主要差別：發(fā)光二極管輸出非相干光；半導(dǎo)體激光器輸出相干光。,,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,4.導(dǎo)彈,飛行發(fā)動機(jī)羽煙是探測、識別和跟蹤來襲導(dǎo)彈的最佳輻射源,,,第一節(jié)：概述

12、,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,4.導(dǎo)彈（典型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈）,5.飛機(jī),第一節(jié)：概述,1.3 典型的紫外探測應(yīng)用,1.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈告警,第一節(jié)：概述,1.3 典型的紫外探測應(yīng)用,1.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈告警,第一節(jié)：概述,1.3 典型的紫外探測應(yīng)用,2.天基紫外預(yù)警,,,第一節(jié)：概述,1.3 典型的紫外探測應(yīng)用,3.紫外安全通信,第一節(jié)：概述,1.3 典型的紫外探測應(yīng)用,4.紫外探測系統(tǒng)其它應(yīng)用,,紫外寬譜偵查,紫外超光譜偵查,紫外制導(dǎo),第二節(jié)：紫外與可

13、見探測器分類,第二節(jié)：紫外與可見探測器分類,第二節(jié)：紫外與可見探測器分類,第二節(jié)：紫外與可見探測器分類,第二節(jié)：紫外與可見探測器分類,第二節(jié)：紫外與可見探測器分類,,典型紫外光探測:SiC紫外探測器,間接帶隙3.23eV，截止波長380nm。SiC的熱導(dǎo)率、臨界擊穿電場、電子飽和速度等都比Si的高很多，與Si相比更適合于制造紫外光探測器。◆ 用SiC制作的紫外光探測器對可見光和紅外光不敏感，這對于在可見光和紅外光背景中探測紫外輻射是

14、非常重要的。◆ 但由于SiC具有間接帶隙，使得探測器靈敏度受到限制。,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,（a）點(diǎn)接觸型 （b）面接觸型,肖特基二極管的結(jié)構(gòu),SiC肖特基結(jié)紫外探測器,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,SiC P(I)N結(jié)紫外探測器,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,通過

15、調(diào)節(jié)i層的厚度使之等于待測波長的吸收系數(shù)的倒數(shù)，光電探測器就能在該波長下獲得最大的響應(yīng)度，即可以調(diào)節(jié)峰值響應(yīng)波長。,,SiC 雪崩探測器,APD單元,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,APD線性陣列,,,One pixel,40 pixels,,2014年諾貝爾獎授予基于GaN的藍(lán)光LED,郝綺勇,天野皓,中村修二,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,典型紫外光探測：GaN基紫外探測器,,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,研究歷程：第一階段

16、：探索如何生長質(zhì)量較好的 GaN外延層; 第二階段：利用GaN和中低 Al 組分的AlxGa1-xN材料研制不同類型的紫外探測器，這一時(shí)期器件性能較差; 第三階段：主要集中在用高 Al 組分AlxGa1-xN材料( x ＞ 0.38) 研制日盲型紫外探測器; 第四階段：主要是探索制造高性能日盲器件并藉此生產(chǎn)實(shí)用化的二維日盲焦平面陣列。,,第三節(jié)：常見光電探測器的器件結(jié)構(gòu)原理,,AlGaN光電導(dǎo)型紫外探測器,,第三節(jié)：典型紫外

17、與可見探測器件,AlGaN MSM型紫外探測器,,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,AlGaN PIN結(jié)紫外探測器,,,,（1）光電二極管通常在反偏置條件下工作，即光電導(dǎo)工作模式。優(yōu)點(diǎn)是可以減小光生載流子渡越時(shí)間及結(jié)電容，可獲得較寬的線性輸出和較高的響應(yīng)頻率。（2）制作光電二極管的材料很多，有硅、鍺、砷化鎵、碲化鉛等，在可見光區(qū)應(yīng)用最多的是硅光電二極管。,典型可見光探測：硅光電二極管,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,1、硅光電二極管的

18、工作原理,硅光電二極管工作在光電導(dǎo)工作模式。在無光照時(shí)，若給p-n結(jié)加上一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，流過p-n結(jié)的電流稱反向飽和電流或暗電流。,當(dāng)硅光電二極管被光照時(shí)，則在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子將被內(nèi)建電場拉開，在外加電場的作用下形成了以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動為主的光電流。光照越強(qiáng)，光電流就越大。,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,1、硅光電二極管的工作原理,硅光電二極管可分為以N型硅為襯底的2CU型和以P型硅為襯底的2DU型兩種結(jié)構(gòu)形式。,,,第三

19、節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,1、硅光電二極管的工作原理,,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,2、硅光電二極管表面電流產(chǎn)生原因,（1）SiO2防反射膜中有少量鈉鉀氫等正離子，靜電感應(yīng)使得P-Si表面產(chǎn)生感應(yīng)電子層，使得P層表面與N層連通，在反偏條件下流出，增大前極暗電流（2）2CU管子的正離子靜電感應(yīng)無法在N型襯底表層產(chǎn)生與P型導(dǎo)電類型相同的導(dǎo)電層，不可能出現(xiàn)表面漏電流，無需環(huán)極。,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,第三節(jié)：典型紫外與

20、可見探測器件,光電二極管,光電三極管,無光照時(shí)，PN結(jié)硅光電二極管的正、反向特性與普通PN結(jié)二極管的特性一樣。其電流方程為：,I0為反向飽和電流,有光照時(shí)，光生電流表達(dá)式為：,光電二極管全電流為：,光電三極管的工作原理分為兩部分：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,CMOS(Complementary Metal Oxide Semicond

21、uctor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器出現(xiàn)于1969年,它是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、數(shù)字信號處理器和計(jì)算機(jī)接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件，這種器件的結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、成品率高和價(jià)格低廉，有著廣泛的應(yīng)用前景。CCD(Charge-coupled Device,電荷耦合元件),典型可見光探測：CMOS圖像傳感器,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,CMOS成像器件的組成像敏單元結(jié)構(gòu)

22、工作流程和輔助電路,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu),第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的；像敏單元陣列由光電二極管陣列構(gòu)成。如圖中所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個(gè)像敏單元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分別由兩個(gè)方向的地址譯碼器進(jìn)行選擇；輸出信號送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號輸出。,CMOS成像器件的組

23、成,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu),第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,圖像信號的輸出過程：在Y方向地址譯碼器（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏單元上的模擬開關(guān)（圖中標(biāo)志的Si,j），信號將通過行開關(guān)傳送到列線上；通過X方向地址譯碼器（可以采用移位寄存器）的控制，輸送到放大器。由于信號經(jīng)行與列開關(guān)輸出，因此，可以實(shí)現(xiàn)逐行掃描或隔行掃描的輸出方式。也可以只輸出某一行或某一列的信號。,典型可見光探測：CMOS

24、圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu),第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,注意：在CMOS圖像傳感器的同一芯片中，還可以設(shè)置其他數(shù)字處理電路。例如，可以進(jìn)行自動曝光處理、非均勻性補(bǔ)償、白平衡處理、γ校正、黑電平控制等處理。甚至于將具有運(yùn)算和可編程功能的DSP器件制作在一起形成多種功能的器件。,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu),第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,像敏單元結(jié)構(gòu)指每個(gè)成像單元的電路結(jié)構(gòu)，是CMOS圖像傳感器的核心組件。像敏單元結(jié)構(gòu)有兩種

25、類型，即被動 （無源）像敏單元結(jié)構(gòu)和主動（有源）像敏單元結(jié)構(gòu)。,CMOS成像器件的像敏單元結(jié)構(gòu),典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu),第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,只包含光電二極管和地址選通開關(guān)兩部分。,被動像敏單元結(jié)構(gòu),典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu),第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,被動像敏單元結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是固定圖案噪聲（FPN）大、圖像信號的信噪比較低。主動像敏單元結(jié)構(gòu)是當(dāng)前得到實(shí)際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。它與被動像敏單

26、元結(jié)構(gòu)的最主要區(qū)別是，在每個(gè)像敏單元都經(jīng)過放大后，才通過場效應(yīng)管模擬開關(guān)傳輸，所以固定圖案噪聲大為降低，圖像信號的信噪比顯著提高。,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu),第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,場效應(yīng)管T1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號線上，當(dāng)復(fù)位脈沖到來時(shí)，T1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時(shí)復(fù)位；當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，T1截止，光電二極管開始積分光信號。T2為源極跟隨器，它將光電二極管的高阻抗輸出信號進(jìn)行電流放大。

27、T3用做選址模擬開關(guān)，當(dāng)選通脈沖到來時(shí)，T3導(dǎo)通，使被放大的光電信號輸送到列總線上。,主動像敏單元結(jié)構(gòu),典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu),第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,復(fù)位脈沖首先來到，T1導(dǎo)通，光電二極管復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，光電二極管進(jìn)行積分光信號；積分結(jié)束時(shí)，T3管導(dǎo)通，信號輸出。,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu),第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,半導(dǎo)體的發(fā)展,

28、寬禁帶半導(dǎo)體材料（Eg>2.3eV）,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,1.SiC材料,SiC晶型結(jié)構(gòu)有α、β型二種，α型為六方晶型，β型為立方晶型。溫度低于1 600℃時(shí)，SiC以β-SiC存在；溫度高于1600℃時(shí)，β-SiC通過再結(jié)晶緩慢轉(zhuǎn)變成α-SiC的各種型體（4H、6H等）。,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,,SiC材料研究進(jìn)展,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,1）采用升華法制備SiC晶體來開發(fā)各種

29、器件的時(shí)期；2）SiC的外延生長等基礎(chǔ)研究時(shí)期；3）接近相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用要求的當(dāng)前研究開發(fā)時(shí)期。,,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,SiC薄膜的制備方法,薄膜質(zhì)量的高低將直接關(guān)系到其光電性能，進(jìn)而影響其在微電子中的應(yīng)用，因此，制備高質(zhì)量的薄膜尤其重要，同時(shí)也是一項(xiàng)非常困難的工作。,,化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition),,低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）,熱燈

30、絲化學(xué)氣相沉積（HFCVD）,等離子化學(xué)氣相沉積（PECVD）,磁控濺射,E⊥靶面，B∥靶面,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,二次電子與氣體分子碰撞以后，損失能量，其運(yùn)動軌跡會稍微偏離陰極而靠近陽極（陰陽極間距的1/100左右），這樣必須經(jīng)多次碰撞后二次電子才能到達(dá)陽極（基片）。一方面增加了碰撞電離的幾率，另一方面對基片的損傷小。 e2電子可直接到達(dá)陽極，但其比例很少。 氣體電離后的正離子轟擊靶，打出新

31、的e1電子，重復(fù)上述過程。,磁控濺射靶的類型,,適合大面積,靶材利用率高，膜厚分布均勻,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,分子束外延（MBE）,定義：把所需外延薄膜的各個(gè)組分材料，放在噴射爐中，在10-8－10-10 Pa超高真空條件下，讓組分的原子或分子按一定比例噴射在熱襯底上外延生長成膜。實(shí)質(zhì)：多源反應(yīng)蒸發(fā)法，發(fā)展于70年代。特點(diǎn)： 1、真空度高，殘余氣體污染很小，生長速率可以很低，精確控制，可獲得原子級厚度與平整度的外

32、延層，很適合研究薄膜生長的過程的研究。2、襯底溫度可較低（減少生長應(yīng)力，減弱雜質(zhì)擴(kuò)散），因此外延層界面十分清晰，適合異質(zhì)外延。3、可分別控制每個(gè)組分的分子束流，從而精確控制生長層的厚度、組分和摻雜分布。這是VPE、LPE難以做到的。4、分子束外延是動力學(xué)過程，它是將入射的中性粒子（原子、分子）一個(gè)一個(gè)地堆積在襯底上生長成膜，而不是一個(gè)熱力學(xué)過程。所以它可生長熱平衡方法不能生長的薄膜。,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,分子束外

33、延（MBE）,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,SiH4,,CVD,定義：利用熱、等離子體、紫外線、激光、微波等各種能源，使氣態(tài)物質(zhì)經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)薄膜。它的反應(yīng)物是氣體，生成物之一是固體。特征：必須有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生；但PVD中也可能有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，主過程是蒸鍍、濺射這樣的物理搬運(yùn)過程。關(guān)鍵：高純源物質(zhì)、優(yōu)化的沉積條件。,本質(zhì)上是氣—固多相化學(xué)反應(yīng)，所以經(jīng)歷(1) 反應(yīng)物分解，產(chǎn)生氣態(tài)的活性原子；(2) 活性原子向基板表面輸

34、運(yùn)擴(kuò)散；(3) 活性原子被基板表面所吸附，并沿表面擴(kuò)散；(4) 活性原子在基板表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)薄膜； (5) 氣體副產(chǎn)物通過基板表面向外擴(kuò)散，解吸而脫離表面。 其中速率最慢的步驟，決定整個(gè)CVD過程。,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,GaN基材料,,◆ GaN的禁帶寬度為3.4eV，是直接帶隙半導(dǎo)體，它的熱導(dǎo)、熱穩(wěn)定性、化學(xué)惰性、擊穿電

35、場和帶隙寬度都可與SiC相比。◆ GaN還具有高的輻射電阻、易制成歐姆接觸和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這對制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的器件非常重要。,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,,◆ 三元合金AlxGa1-xN的禁帶寬度隨Al組分的變化可以從GaN(x＝0)的3.4eV連續(xù)變化到AlN(x=1)的6.2eV，因此理論上講利用這種材料研制的紫外探測器的截止波長可以連續(xù)地從365nm變化到200nm，是制作紫外探測器的理想材料之一。,GaN基材料,第四節(jié)

36、：紫外與可見探測用敏感材料制備,,,GaN基材料,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,外延生長：,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,GaN基材料外延技術(shù)難點(diǎn)：,1. 襯底和GaN晶格失配和熱失配大，導(dǎo)致外延生長出來的GaN有較多的晶格缺陷、位錯(cuò)和翹曲等；2. NH3裂解溫度很高，GaN材料的生長溫度下，只有小部分NH3被裂解；3. GaN材料的生長溫度很高，必須考慮熱擴(kuò)散造成的影響；4. TMAl等源與NH3之間存在著嚴(yán)重的

37、預(yù)反應(yīng)；5. 較難獲得高載流子濃度的p-GaN材料。,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,什么樣的wafer是好產(chǎn)品？Si為例,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）定義： 利用金屬有機(jī)化合物熱分解反應(yīng)進(jìn)行氣相外延生長薄膜的CVD技術(shù)。著眼點(diǎn)：選擇特殊的反應(yīng)，來降低反應(yīng)溫度。原料：金屬的烷基，芳基，烴基，乙酰丙酮基衍生物。,,,,,金屬有機(jī)化合物,氫化物,,,第四節(jié)：紫外與

38、可見探測用敏感材料制備,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,液態(tài)金屬有機(jī)源,特點(diǎn)：（1）沉積溫度低，減少自污染，提高純度。（2）有利于外延薄膜和極薄膜的生長。 超晶格，異質(zhì)結(jié)（3）適用范圍廣，主要用于Ⅲ－Ⅴ， Ⅱ－Ⅵ， Ⅳ－Ⅳ 族化合物半導(dǎo)體材料，GaAs、ZnSe、SiC、BaTiO3、BST、YBCO……,,缺點(diǎn)：（1）原料有劇毒；（2）反應(yīng)溫度不能太低，否則有氣相反應(yīng)；（3）均

39、勻性、重復(fù)性差。,MOCVD,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,AlXGa1-XAs MOCVD裝置原理圖,MOCVD,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,◆ ZnO是一種新型的Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV。ZnO和GaN同為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有相近的晶格常數(shù)和Eg，且ZnO具有更高的熔點(diǎn)和激子束縛能以及良好的機(jī)電耦合性和較低的電子誘生缺陷。,ZnO

40、材料,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,◆ ZnO薄膜的外延生長溫度較低，有利于降低設(shè)備成本，抑制固相外擴(kuò)散，提高薄膜質(zhì)量，也易于實(shí)現(xiàn)摻雜。◆ ZnO薄膜所具有的這些優(yōu)異特性，使其在紫外光探測、表面聲波器件、太陽能電池、可變電阻等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?！?ZnO薄膜傳感器具有響應(yīng)速度快、集成化程度高、功率低、靈敏度高、選擇性好、原料低廉易得等優(yōu)點(diǎn)。,ZnO材料,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,金剛石是禁帶寬度為5.4

41、5eV的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有高載流子遷移率、高擊穿電壓、高熱導(dǎo)率、高摻雜性和化學(xué)惰性，是非常適合于制備探測器件的材料。由于金剛石膜的禁帶寬度比GaN大，在短于230nm的紫外光部分，金剛石膜探測器有很大的光譜響應(yīng)，且具有很強(qiáng)的可見光盲性，它的光生電流比Si探測器高得多，信噪比及信號穩(wěn)定性也比Si的強(qiáng)。,金剛石材料,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,電極的暗電流<10pA，器件響應(yīng)時(shí)間&

42、lt;20µs,,,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外探測器的發(fā)展歷史,,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,第一代紫外探測器,第一代紫外探測器（硅基）以單陽極光電倍增管為核心探測器件，不具備成像功能，稱為概略型。體積小、重量輕、低功耗等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是分辨率差、靈敏度低。典型器件有：美國艾連特公司的AAR-47,以色列拉斐爾公司的Guitar-300，南非的MAWS等,,光電倍增管,AAR-47激光告警系統(tǒng)

43、,,,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,,第二代成像型紫外探測器,第二代紫外探測器以硅CCD和微通道光電倍增管（MCP-PMT)為代表,視場小于光電倍增管，噪聲小，信噪比比概略型提高了幾個(gè)數(shù)量級。精度高，識別能力強(qiáng),動態(tài)范圍更寬，信噪比比CCD型略高，對某些元素檢測的極低下限高于CCD;價(jià)格高，體積大,硅CCD原理圖,MCP-PMT原理圖,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢

44、,,第三代成像型紫外探測器,以GaN基，ZnO，SiC等寬禁帶半導(dǎo)體為敏感材料的紫外探測器具有響應(yīng)度高，尺寸小，視場大，可陣列成像，速度快，成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)。,GaN基紫外探測器,ZnO紫外探測器,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),導(dǎo)彈中的紫外輻射,導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機(jī)的羽煙由于熱輻射和化學(xué)熒光輻射可產(chǎn)生一定的紫外輻射，且由于后向散射效應(yīng)及導(dǎo)彈運(yùn)動特性，其輻射可被探測系統(tǒng)從各個(gè)方向探測到。紫外告警就是通過探測導(dǎo)彈羽

45、煙的紫外輻射，確定導(dǎo)彈來襲方向并實(shí)時(shí)發(fā)出警報(bào)，使被保護(hù)平臺及時(shí)采取對抗措施．如規(guī)避、施放紅外干擾彈或通知交聯(lián)武器(如紅外定向干擾機(jī))實(shí)施干擾,導(dǎo)彈尾焰就是熱的火箭廢氣的運(yùn)動形狀以及在火箭噴嘴外的小粒子燃燒的拖尾。其形狀在結(jié)構(gòu)、速度、溫度方面都是不規(guī)則的。按縱向，羽焰可以分成不同的區(qū)域，包括近場區(qū)域、瞬時(shí)區(qū)域和遠(yuǎn)場區(qū)域。羽焰通?？雌饋硎敲髁恋幕鹧妫竺嬗幸粋€(gè)冒煙的拖尾。羽焰的尺寸和形狀隨飛行緯度和導(dǎo)彈速度的不同變化非常大 。,第五節(jié)：紫外

46、與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),紫外告警的特點(diǎn),紫外告警是光電技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的一個(gè)新分支，從20世紀(jì)60年代一直到70年代初，國外已經(jīng)開始進(jìn)行利用紫外波段探測洲際導(dǎo)彈發(fā)射的研究工作，為此，人們對紫外輻射理論進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)了大氣傳輸計(jì)算程序，掌握了紫外波段的大氣傳輸特性。但后來研究遇到了障礙，人們的興趣再次轉(zhuǎn)向紅外告警。1983年，美國重新考慮利用導(dǎo)彈羽煙的紫外輻射來探測導(dǎo)彈，并在一些基礎(chǔ)研究工作上取得了進(jìn)展，其中

47、一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是紫外探測器。經(jīng)過幾年的開發(fā)，美國Loral公司研制成功世界上第一臺導(dǎo)彈紫外告警系統(tǒng)，于1988年裝備部隊(duì)并在海灣戰(zhàn)爭中得到成功應(yīng)用。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),美國紫外告警系統(tǒng)進(jìn)展,MAW-2000型導(dǎo)彈告警系統(tǒng) 由美國 Grintek Aviotronics 公司研制的MAW-2000型紫外告警系統(tǒng)，是一種工作在紫外波段的無源導(dǎo)彈發(fā)射探測與逼近告警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可探測逼近的地空和空空威

48、脅導(dǎo)彈并能適時(shí)告警。當(dāng)探測到逼近的導(dǎo)彈時(shí)，立即啟動箔條和紅外干擾彈投放裝置，自動對威脅實(shí)施干擾。它可借助機(jī)載的電子戰(zhàn)設(shè)備顯示器向機(jī)組人員顯示來襲導(dǎo)彈的方向，同時(shí)發(fā)出音響告警信號。特征：全無源探測；虛警率低；不需要飛行中的再校正；無低溫冷卻；瞬間啟動，不需要冷卻時(shí)間；先進(jìn)的自測試法。,主要技術(shù)性能： 每一傳感器空間視場：94°（錐形）；探測距離：對肩射式導(dǎo)彈＞5km；多威脅探測能力：接近10個(gè)目標(biāo)；重量：每個(gè)傳

49、感器：3.1kg，控制器：2.5kg；傳感器尺寸：192mm×120mm×120mm。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),無源導(dǎo)彈告警裝置 由美國 Lockheed Martin 公司紅外成像系統(tǒng)分公司研制的無源導(dǎo)彈告警裝置能識別假目標(biāo)，當(dāng)在最佳對抗距離時(shí)探測并識別逼近導(dǎo)彈威脅，向電子對抗投放裝置發(fā)出信號。其告警系統(tǒng)無源探測來自導(dǎo)彈尾焰的光電信號，而非威脅產(chǎn)生的虛警由光譜選擇和信號處理算法來

50、消除。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),紫外告警設(shè)備的分類,第1代概略型紫外告警設(shè)備 以單陽極光電倍增管為核心探測器件,探測導(dǎo)彈羽煙的紫外輻射能量,具有體積小、重量輕、低虛警、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是角分辨率差、靈敏度較低 。概略型紫外告警的典型設(shè)備是美國的AN/AAR—47。 第2代成像型紫外告警設(shè)備 以像增強(qiáng)器為核心探測器,精確接收導(dǎo)彈羽煙紫外輻射,并對所觀測的空域進(jìn)行成像探測,

51、識別分類威脅源,具有識別能力強(qiáng)、探測靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。它不但可以引導(dǎo)紅外彈投放器和定向紅外干擾機(jī),且具有很好的態(tài)勢估計(jì)能力 。典型的成像型告警設(shè)備是美國AN/AAR—54（V）。 第2代成像型紫外告警設(shè)備與第1代紫外告警設(shè)備最大的不同之處就是紫外傳感器部分，它主要由像增強(qiáng)器，中繼光學(xué)系統(tǒng)和CCD陣列器組成。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),美國紫外告警系統(tǒng)進(jìn)展,AN/AAR-47型導(dǎo)彈告警系統(tǒng) 由

52、美國 Lockheed Martin 公司紅外成像系統(tǒng)分公司研制的AN/AAR-47型導(dǎo)彈告警裝置能探測來襲導(dǎo)彈的紫外輻射，并能為飛行員指示威脅導(dǎo)彈的距離和方位。AN/AAR-47型導(dǎo)彈告警器是一種小型、輕量無源紫外威脅告警系統(tǒng)，可用于保護(hù)直升機(jī)和低空飛機(jī)免受來襲導(dǎo)彈的攻擊。,主要技術(shù)性能：360°方位角（由6個(gè)傳感器給出）；功耗：75w（4個(gè)傳感器系統(tǒng)，每個(gè)傳感器4w，處理器59w）；尺寸：傳感器為120mm×20

53、0mm；處理器為203mm×257mm×204mm；重量：4個(gè)傳感器系統(tǒng)：14kg，傳感器：每個(gè)1.5kg，處理器：7.9kg。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,美國紫外告警系統(tǒng)進(jìn)展,AN/AAR-54（V）無源導(dǎo)彈告警系統(tǒng)（PMAWS） 美國 Northrop Grumman 公司電子傳感器與系統(tǒng)分部和英國國防部研制的AN/AAR-5

54、4（V）無源導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)，可用于各種飛機(jī)和地面等平臺，可為戰(zhàn)術(shù)和運(yùn)輸飛機(jī)、直升機(jī)和裝甲戰(zhàn)車提供先進(jìn)的導(dǎo)彈告警。該系統(tǒng)還能夠?yàn)槎ㄏ蚣t外對抗（DIRCM）系統(tǒng)提供導(dǎo)彈跟蹤信息和目標(biāo)指示。由于采用威脅自適應(yīng)設(shè)計(jì)，所以能夠使用通用的硬件和軟件。該系統(tǒng)的到達(dá)分辨角為1°，明顯降低了虛警率，其探測距離為現(xiàn)有紫外告警系統(tǒng)的2倍。AAR-54（V）在高雜波環(huán)境下可同時(shí)對抗各種威脅，可在全天候、各種高度下運(yùn)行。該系統(tǒng)是由全視角、高分辨率紫外

55、傳感器和一個(gè)可調(diào)制的電子設(shè)備組成，可使用1~6個(gè)傳感器來提供全方位探測。在飛行過程中，該系統(tǒng)能進(jìn)行內(nèi)測，為單個(gè)傳感器或電子線路的損壞提供可更換部件，進(jìn)行一級保養(yǎng)。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),其他國家紫外告警系統(tǒng)進(jìn)展,德國 - AN/AAR-60型導(dǎo)彈發(fā)射探測系統(tǒng) 由德國利頓公司研制的MILDS AN/AAR-60型導(dǎo)彈發(fā)射探測系統(tǒng)能夠探測并告警潛在來襲導(dǎo)彈，指明到達(dá)方向和離開時(shí)顯示導(dǎo)彈尾

56、焰的紫外輻射，使用先進(jìn)軟件算法告警和探測實(shí)時(shí)威脅。MILDS AN/AAR-60型導(dǎo)彈發(fā)射探測系統(tǒng)由4~6個(gè)傳感器組成，每個(gè)傳感器包括預(yù)處理、信號處理和通信處理器。主機(jī)包括傳感器混合的附加功能。威脅告警包括來襲導(dǎo)彈的方位、高度以及每個(gè)導(dǎo)彈的優(yōu)先性。 主要技術(shù)性能：視場：每個(gè)傳感器95°；高度：每個(gè)傳感器95°；反應(yīng)時(shí)間：＜0.5s；分辨率：1°；尺寸：120mm×120mm

57、15;120mm；重量：每個(gè)傳感器2kg 。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),,德國 - MILDS Ⅱ型導(dǎo)彈探測系統(tǒng) 由德國Daimler-Benz航天公司和美國Litton應(yīng)用技術(shù)公司聯(lián)合研制的MILDS Ⅱ型導(dǎo)彈探測系統(tǒng)，可用于探測來襲導(dǎo)彈的逼近，指示導(dǎo)彈的到達(dá)方向和時(shí)間。它可自動實(shí)施自衛(wèi)措施，如投放紅外干擾彈，啟動紅外干擾機(jī)以及機(jī)動飛行等。MILDS Ⅱ型可在“太陽光譜盲區(qū)”對導(dǎo)彈羽焰

58、中的紫外輻射進(jìn)行無源探測，并可對其高分辨率成像。通過先進(jìn)的軟件處理系統(tǒng)可判定威脅并進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。 主要技術(shù)性能 探測方法：無源紫外成像； 最大探測距離：普通導(dǎo)彈時(shí)≥5km； 探測概率：99%； 虛警率：1/90min； 響應(yīng)時(shí)間：＜0.5s； 角分辨率：＜1°；

59、 視場：水平360°，豎直70°；重量：LRU 2kg，全系統(tǒng)8kg。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),法國 - BAE系統(tǒng)公司通用導(dǎo)彈告警系統(tǒng) 法國《宇航防務(wù)》2006年4月10日報(bào)道，BAE系統(tǒng)公司贏得5200萬美元的合同，將為美國陸軍提供200套通用導(dǎo)彈告警系統(tǒng)(Common Missile Warning System，CMWS)，以保護(hù)陸軍固定翼和旋翼飛機(jī)免受紅

60、外制導(dǎo)導(dǎo)彈的威脅。CMWS是一種工作在紫外波段的凝視成像導(dǎo)彈告警系統(tǒng)，它與先進(jìn)威脅紅外對抗系統(tǒng)(Advanced Threat Infrared Countermeasures，ATIRCM)、先進(jìn)紅外曳光彈一起構(gòu)成了美國陸軍綜合紅外對抗套件——ATIRCM/CMWS。,,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),國內(nèi)紫外告警技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,缺乏基礎(chǔ)理論的研究 ： 中科院大氣物理所對太陽紫外輻射的一些觀測和

61、分析，且僅限于利用有關(guān)的計(jì)算軟件進(jìn)行的模擬分析，具體的試驗(yàn)研究還未見報(bào)道； 北京理工大學(xué)從20世紀(jì)80年代后期開始也開展了如火焰的光譜特性(包括紫外特性) 以及紫外通訊等方面的研究, 并收集了紫外探測的有關(guān)理論和應(yīng)用方面的大量資料, 為開展該方面的研究做了技術(shù)儲備 ； 北京理工大學(xué)又陸續(xù)對導(dǎo)彈羽煙紫外輻射機(jī)理、紫外成像探測器件、紫外信號的探測與處理技術(shù)等進(jìn)行了研究，這些工作為進(jìn)一步開展紫外告警技術(shù)研究奠定

62、了基礎(chǔ)。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),國內(nèi)紫外告警技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,我國紫外波段的探測器件與國外相比也有較大的差距： 由于國內(nèi)的CCD器件研制水平較低, 研制紫外固態(tài)成像器件也是很困難的。信息產(chǎn)業(yè)部第53研究所采用南京電子器件研究所研制的寬光譜紫外變像管與CCD耦合，研制了機(jī)載空—空紫外告警系統(tǒng) ，該系統(tǒng)目前已開始部分裝備某些型號的飛機(jī)。 東北電子技術(shù)研究所研制的SE-2型導(dǎo)彈逼近紫外告警

63、系統(tǒng)是在第3屆中國國際國防電子展覽會上公開展出的一種國產(chǎn)光電對抗設(shè)備。該設(shè)備采用被動成像型傳感器，角分辨率高、探測及識別能力強(qiáng)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中能極大提高固定翼飛機(jī)、直升機(jī)的戰(zhàn)場生存能力。另外，SE-2經(jīng)適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)后，還能裝備到坦克、裝甲車等多種作戰(zhàn)平臺上。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),SE-2 紫外告警系統(tǒng)組成框圖,,紫外告警設(shè)備通常由探測單元、信號處理分機(jī)兩部分組成，顯控單元可與其他電子設(shè)備共用。 SE-2

64、探測單元由4只探測頭組成（根據(jù)需要還可加選2只），每個(gè)視場為92°×92°，每兩個(gè)探頭間2°的重疊，四個(gè)探測頭共同形成360°×92°的全方位、大空域監(jiān)視。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),紫外告警設(shè)備與其他設(shè)備接口關(guān)系,4個(gè)探測頭輸出的信號經(jīng)合成和數(shù)據(jù)處理判斷有真實(shí)威脅后，信號經(jīng)控制單元送至總線，與其他探測頭和對抗設(shè)備進(jìn)行信息交換，確定出導(dǎo)

65、彈的類型（紅外、射頻）。如果飛機(jī)處于多威脅狀態(tài)，紫外告警將按威脅程度快速建立多個(gè)威脅的優(yōu)先級，經(jīng)相關(guān)處理，給出最佳對抗方案，并將威脅信息送到顯示器上，進(jìn)行綜合態(tài)勢估計(jì)。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),紫外告警系統(tǒng)多傳感器組合設(shè)計(jì) 360°的全方位周視探測要求,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),實(shí)

66、例計(jì)算結(jié)果(六傳感器組合)視場：360º×62º 探測盲區(qū)：7.4m 角分辨力：1.65mrad 探測概率：99％虛警時(shí)間：1次/90min作用距離：2.8km規(guī)避時(shí)間：10s,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),紫外告警技術(shù)的發(fā)展前景,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術(shù),裝備有復(fù)合告警系統(tǒng)的先進(jìn)戰(zhàn)機(jī),近十年來，國際上相繼出現(xiàn)了激光、紅外、紫外、雷達(dá)