固体热释电红外成象转换器_CarlosB_Roundy.pdf

固体热释电红外成象转换器?【提要】本文介绍了一种制作固体热释电红外探测器列阵的技术,并且着重讨论了与一般的热释电探测器 列阵,特别是与固体热释电探测器列阵相关的四个主要问题?灵敏度,?空间分辩率,?衬底的热负载,?工艺上切实可行的制作技术。可 以证明,在一个分立的寄存器中将高斩光率和 电子信号积分组合起来,就能够得到很好的灵敏度和高的空 问分辩率。企分辩率是?线对?厘米?象元线度为?微米?的情况 下,最佳斩光率可以高到足以使衬底只有很小的?或者没有?热负载效应。所以,混合式探测器可 以使用简便的倒装?户一?爪?联接或者导线联接工艺制作。以最近报道的?多路传输电子学性能为墓础所做的计算表明,当等效帧频是?赫、空间分辩率是?线对?厘米和有 电子信号积分时,可得到的最 小分辩温度是?。在同样空间分辩率的条件下,这一性能比目前最新工艺水平的热释电摄象管的性能要好?倍左 右。我们制作了一种有自扫描场 效应 晶体管?多路传输电子线路的?元线性探测器 列阵?单元线度为?密耳?密耳?,报道了初次制得的列阵的性能。上述技术已获得专利。一、前?二?目在过去十年中,热释电红外探测器作为一种有效的多用途的红外探测器,得到了非常迅速的发展。与此相 应,用于红外成象的热释 电摄象管也随之迅速发展起来。虽然多年以前人们就预 见到了全 固体热释 电成象转换器的优点,但是,在制造可供使用的器件时,由于受到实际工艺问题限制,这种器件一直难以实现?。制作全固体热释 电探测器 列阵所面临的四个主要问题是?灵敏度、空间分辨率、固体衬底的热负载以及工艺上 切实可行的制作技术问题。?热释电摄象管同样存在着灵敏度和 空间分辨率问题?。本文将提供一种能够解决上述四个问题的技术。这种技术就是以较快的速率斩断红外辐射,以降低每帧的热扩散。调整斩光速率?以下简称斩光率?与热释 电材料的热学性能相匹配,就 可 以针对所需要 的空问分辨率获得均匀的响应。采用高斩光率还能阶低还趁热释 电材料的热扩散,这样,在扫过一帧的时间内,就不会有热传到衬底上,因此,衬底不呈现出显著的热负载效应,从而可以采用通常那种不考虑热绝缘特性的、工艺上最容易实行的制作技术。由于快速斩光率下的积分时间短,在空间分辨率低的情况 下,灵敏度可能有很大的损失。但是,因斩光率远远大于通常的视见帧频,所以,许多帧的信号可以在分立的电子寄存器中积累起来,以补偿大部分损失的信噪 比。对 于等效帧频为?赫的信号积分,根据已发表的关于?多路传输电子系统噪声特性的数据计算出?线对?厘米时的噪声等效温度为?。二、调制传递函数在研制固体热释 电探测器列阵过程中,核心问题是受热调制传递函数?盯了厂?限制的空间分辨率问题。许多研究人 员已经推导出一些计算各种不同边界条件下的几月方的 公式。其中最适合于固体热释 电列阵的是?,?、?。,?、?儿。?。?凡,以及?了?二?和子 厂二。从?推导的公式。?导出的完整的表达式,能够计算出 热释 电列阵和多路传输电子系统之间有聚合物绝缘层情况下的横向空间分辨率和衬底热负载效应。?”也推导出了类似的表达式,适用于热释 电晶片压接在锗窗口上的情况。在这一表达式中,由锗的接触热阻取代了?公式中的聚合物绝缘体。两种表达式都适用于 目前发展工作中采用的倒装型联按。?了?。人。?爪讨论了被吸收的辐射热和横向扩 散热之间的相位关 系。如果采用固体信号读出电路?下 面将讨论?,交替半帧相减,那 么在适当的斩光率下,可得到横向扩散热的最佳相位鉴别。?和不?的最先推导出悬 空热释 电靶面的?,但他们的推导不是很严密的,因为没有考虑到固体衬底的热负载,因此,他们得到的最终公式就不可能象前面提到的公式那样精确。但是,他们的公式能够给出近似的横向热扩散特性,并且具有便于表述所涉及的原理 的形式,因此,它对于 下面的讨论是有用的。衬底的热负载将单独予以考虑。本文尽量利用简单的物理概念,导出简便的数学表达式,以便人们能够直接看到所涉及的原理。当文献 中利用更为严格的表达式时,并不能得到对限制参数的更确切的了解。本文计算的实际对象假定是为一个?微米象元 的分辨率,因此,着重讨论空间分辨率为?线对?厘米?相应 于单元尺寸为?微米?时如何确定最佳的噪声等效温度?万?但要注意的是,当空间分辨率较低时,总可以获得较低的噪声等效温度,利用本文所报导的方程很容易进行计算。?”,一,尹均才?乡?”里耘一一?、描滋?图?的 电子响应率?说 明在三种斩光率和 电子信号积分条件下?两个相邻元件之间的电子数差值与每厘米线对数的关系。?、一?、?己丝匕述丝立?、二?卜卜匕卜?甘卜仁妞?之侧两锡出智它每丫、已朴姚筑。月。止二、?考戈,了外?更长?刹用万?。?,和附?人。?的调制传递函数,方程?的电子响应率之差与可分辨象元密度的关系。?附录?中导出?。?。一?下花?了火?。?人?。?一?不丁梦丁?“?一?二?。口八工下、“”。“一?二?给出了可分辨象元之间?。,?式中?二?一?二、?尸?,?、对“?热 释电晶体的电流 响应举?一二万?万一?女?如?勺?“尸?热释电系数?库仑?厘米?、度?密度?克?厘米?,?比热?焦耳?克?热释电晶体厚度?厘米?。二斩光频率?电子 电荷?线对?厘米左?热扩散率?厘米?秒?。,?调制传递函数方程?给出了电子响应率?卜,以简化本文中涉及 的 它与固体器件噪声之间的关系。图?是?刀在两种斩光频率为?赫?热释 电光导摄象管通常使用 的频率?和?赫?在调制传递函数?,?中,?一?线对?厘米,?。?二?“?时,上述电 子响应率?电子数?瓦?与空间分辨率?的关系。由图可知,在低空间分辨率时,?。赫时的响应率比?赫时的响应率低?倍,而在?线对?厘米时,前者仅比后者低了了倍。因此,在预定空间分辨率?即?线对?厘米?的情况下,快速斩光对响应率没有显著的影响。三、电子信号积分将探测器列阵发出的信号在电子寄存器中积分,其空间频率高频分量灵敏度的提高程度是用其它方法所不能达到的。众所周知,可以把一连串数据储存在寄存器里,然后通过把相继 从各帧中得到的点相加来提高信噪比。在典型的情况下,这种提高量与被积分的帧数的平方根成 正比?附录?是噪音改 进 的详细情况?。从寄存器得到的等效帧频与被积 分帧数成反 比。因此,要对于热释 电探测 器得 到给定的几对 线 的空间分辨率,则要求斩光频率高于典型 的观察帧频,这样,就能进行电子信号积分,以改进 整个探测器的灵敏度。热释户则刹所几口一?扮巴皿一?峨树伽劫品图艺多路传输之后,山图象转换器列阵发出的?、号的电子积分 系统的方框图图?是一个方框图,它表示在每个探测器信号最初读出以后,这种信号积分是如何逐 次完成的。图?表示在探测器信号读出之前电子积分是如何并行完成 的,这种电路 可以与探测器列阵读出电路做在同一片集成电路上。?,、?二,卜卜卜 已、?卜卜尸?甲一一、?喇喇?捌捌二二二二二二又认,?厂一一否勺?参照图?,当辐射斩光器打开时,热释电元件产生一个正 的信号电荷和噪声电荷分量。在开启的半帧终了时,电子开关?关闭,电荷传输到积分电容器?,。上。当斩光 器遮挡时,热电探测器元件冷却,并产生一个负的信号电荷,在遮挡半帧结束时,电子 开关?关 闭,并且,电荷被传输到积分 电容器?。上。这一过 程在斩光 器 的?帧内不断重复,且在?。和?。上 分别加有正的和负的信号,其值可以增大到每帧的?倍。但是,噪声是不相关的,因此 它只增加到每帧的?”倍。在信号的二帧以后,所有积分 开关万?全闭合,积分 的正信号和负信号被传递到多路传输列阵中。信号通过多路传输列阵后,在输出端作差分的组合,差分放大器使信号相加,同时减去 固定图象噪声,例如开关瞬间产生的噪声。在多路传输列阵信号读出期间,开关?打开,信号积分过 程 可 以在电容器?。和?。上连续进行。这样,信号读出比较慢,而且噪声带宽也比较窄。从 图?可以看到快速斩光和电子信号积分的效果。在一个?列阵上,当斩光率为?赫时,再 积分?帧,我们最后得到的是一个?赫的等效帧频。从?线对?厘米到?线对?厘米的空间分辨率增加了?倍,在?线对?厘米处,灵敏度也改进 了大约?倍。四、热学设计许多研究人 员都考虑过与衬底有紧密热触点的热释 电探测器 的热负载效应。最适 合于本工作的是?和?洲推导的公式,它不仅包括了进入衬底的纵向扩散,也包括了探测器平面 内的横向扩散。厂洲?推导出的第三个公式仅仅考虑基 底 的影 响,在计算中没有考虑到不同类型基底的热学性能。图?是倒装型结构,它可 以最终用于高斩光率以及电子信号积 分技术,要注意它与半导体工业中采用的倒装联接的相似之处,这种联接法也用来联接致冷的半导体红外探测器与?多路传输电子学线路?。在附录?中,推导出一个简单的、适用于最坏情况的表达式。它表示有无穷大 的热容和热传导率的、与热释电探测器背面 的接触热阻为零的散热器 的影响,这一结 果由?式表示?刀?对?下蔽丁了二万一?为?“?式中,?。是基底无热损耗时的高频电流响应率,刚好能分辨”个象元?即方程?中?。二?兀。?。?犷?二?弓“式中,?是可分辨象元的尺寸,它等于?。因此,当?二?二时,电流响应率尸?是探测器 厚度。在辐射 斩光率快得时,上述表达式就变成?释龟舀必?。如果我们再假设?微米?线对?厘米?,并假设探测器 的厚度?!微米,那么,电流响应率仅 仅下降8%。(从 附 录1.5可以看出,对于5 0微米象元,最低NE T时的最 佳斩光 率是f。二了了2二。Zh,a=z/(2二 n)=26微米)。实际上,其影响并不象方程(2)和(3)所示的那样严重。首先,图4中接触电极下面的硅不是一个无穷大的热容,同样地,固定尺/厂宝莎/升批叙路舒独喻印尔酣撰尼一一少于厂一一,宁二 矫曰,/针林肠片.上片电寿)联接热释电品体与半导体固体多路传输电路的 电极结构寸的倒装联接衬垫的接触电阻也并不为零。确实,热必须横向流经热释电晶体的每一个元件,流 经细线传到外面。这就表示 了Log朋所设 想的那种有限触点热阻,并给出了略低于方程(2)和(3)所示 的频率的平坦 的电流响应率。在实际探测器厚度和高斩光率电子学积分图式 中,热释电列阵的制作技术与衬底的热负载无关。倒装法、导线联接法或者其它 的工艺技术都可以作为热释电列阵与多路传输衬底的连接法,因此,不需要用外加的技术也能将热释电探测器和固体衬底隔热。因为许多热释电材料不能很好地吸收1一1 0微米光谱范围内的辐射,所以,通常要有一个吸收涂层来展宽光谱响应,吸收体(诸如黑漆、炭黑)不适合目前应用,因为它们的热容大而且将热传递到探测器晶体上也比较慢。在这种应用中,薄金属膜吸收层提供了一个很好的热匹配。热容忽略不计,热传导时间很快,这样能够探测和分辨亚毫微秒的激光脉冲。但是,典型 的吸收率仅仅在5 0一6 0%左右。在可见光和直到1 5微米的红外范围内,要取得9 0%以上的吸收,还 应当考虑使用蒸发金黑 层,这些低密度金属涂层 的热容和热传导时间都很好,但是,涂层 的横向传导率可能太大足 以降低空间分辨率。这一特点还需要加以研究。五、多路传输电子学工艺我们考虑了四种目前可以用于热释电红外探测器列阵的固体工艺,它们是:自扫描场效应 晶体管开关(S S F E T)、斗链式器件(B B D)、表面沟道 电荷藕合器件(S C C D)和隐埋沟道电荷糊合器件(B C CD)。每一种的价值都要略加讨论。日前,自扫描F E T开关被用在试验模型器件 中以读出热释 电探测器列阵发出 的信号。图5是探测器 的联接图,尽管这些商品器件的固定图象噪声是高的,典型值为106个电子,但是已报道均方 根噪声低于30 0个电子9。理论 电荷 传 输噪声由。o:=(4/3)KT C。%/口给出,式中,C。是每一个F E T寻址后 的视频线路充电电容,K是玻尔兹曼常数,T是温度(K)。因为所有的F E T的漏极与此线路联接,所公公公公公公公公公公公公公公公)J J J口口口)J J J花花l l l l l l l l l l l l l l l一一一一一一刊刊刊挤挤 声一一一一 诊诊 r_ _ _ _ _ _ _图5热 释 电探测器与固休多路传输线路相 联接的 线 路图以,其电容相加,噪声变成:n c:=(4/3)KT对C二猫/q其中,M是 列阵元件的数 口,CF是F E T漏极电容,对于10 0元列阵并且C二是0.0 5尸F时,我 们算得l l c,二 10 0 0个电子(均方根值)。斗链式器件也 很适用于联接热释电探测器 列阵,信号储存元件是分 立 的电容器,其一端联接在公共线上,另一端很容易联接一个金属细线,这样,适合于与外部探测器列阵连接。BBD器件的电荷传输噪声限。由n c二二(2mMKT C妇“2/q给出,式中,川是器件参数之2,M是列阵中元件的数目,C:是探测器电容和B B D储存电容之和。对于一个1 00元的、C:=0.1尸F的器件,计算得到的噪声是2500个电子。BBD的均方根噪声可以高于S S F E T的均方根噪声,但是S S F E T却有一个较高的、难以消除的 固定 图 象噪声。因此,要确定什么时候使用5 5尸E T,什么时候使用BBD工 艺,需要 细心研 究。CCD工艺的 固有噪声低于B B D,这是由于C C D只有在通向列阵的输出端上 才 产生电荷传输噪声l l cT,而B B D则在M个传输器 的每一 端都产生噪声。CCD列阵中的其它主要噪声源是表面沟道C CD(S C C D)的表面态陷阱以及隐埋沟道C C D(B C C D)的体内陷阱态。体内陷阱态密度比表面态密度要小,体内陷阱态使B C C D噪声低于S C C I)。但是,BCCD的电荷传输噪声高于S C CD1 1.1 2,而且,当接上 大 电容的探测器时,电荷传输噪声将起主要作用。对于这两种器件,都要小心设计信号输出,才 能达到理论上的低输出噪声。在选择使用工艺的时候,目标就是在高密度两维列阵上得到低噪声输出的能力。六、灵敏度热释 电探测器的优点是 不需要低温冷却,但是灵敏度低于致冷量 子探测器,因为有许多应用需要一种最低限度可分辨线对数、体积小且重 量轻的 光学仪器,一个成象系统的最终判据是在给定的空间分辨率时的灵敏度。附录1给出固体热释 电列阵灵敏度的推导,它包括了作为斩光率和 电 子积分 的 函数的电荷响应率的推导,也包括了多路传输电子学的四种可能 类型(刀刀D、兮习 4 百T、BCCD、SCCD)中的噪声的推导。附录2包括应用上述四种多路传输工艺,对5种代表性热释电材料的灵敏度和噪声等效温度的计算 方法。附录2的计算,是在假定斩光率刚好调到给出所要求的分辨率的情况下进行的,即:f。=丫了2二。“h;n二 10 0线对l厘米。分辨元件M是100,电子积分变换到1 5赫等效帧频,材料厚度是1 6微米。表1总括了计算的结果。表1固体热释电探测 器列阵的噪声等效温度计算值(空间分辨率100线对/厘 米,元件是100个,等效帧率是1 5 赫,光学参数是F门)热释电材料T G SS B N尸L Z TL犷T oO3尸犷F一一月09几D.。人一一0 0介J.任八U1532 2一一-d l匕n口八甘一2.1.1.1.O的舀月了八0.勺.,C 1 Un U八U.勺n U介DO口O.诩土n.nU八UBBDSSFETNET()BCC DSC C D图6是两个热释电摄象管商品和菲利浦实验室1 3的R和D管子 的噪声等效温度随空间分辨率的变化曲线。图中的点表示S BN 和TS使用固体电子线路后计算得到的值。卜卜一一阵二二卜 十H-什什一一+.卜1一+于 斗什J J J一一一一斗一一14千千r r r一一一!一一l翻i i iii i i1111 1 1一一l l l 1.一一rl,州州广广一一一1 1 1l(.洛娜遥巴撇撇班班班班班班班班班班班班班班班班班班班班班刹限能能能l l l一一广1 1 1111 1 1二二二厂厂,曰曰!111 1 1 1 1 1 1业业业业业业业业业姗姗目目目目目葬葬瀚瀚瀚目目翁解解厂厂一-州州广州州I J J J一 l 广Z Z Z1月 月l l ll l l 门门IJ J J1I JJ J J J J J J团团犷I】目目厂厂门门曰曰 l l l/曰曰河 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