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解析新型量子光电探测器的读出与显示

gecimao 发表于 2019-06-06 08:51 | 查看: | 回复:

  目前工业、医疗、天文和军事对近红外探测和成像有大量需求,本文介绍了一种响应近红外的新型高增益GaAs/InGaAs量子。首先测试和讨论了探测器的I-V特性,探测器偏压为-1.5V时响应率大于10A/W,响应率随光照功率增大减小。针对探测器特性和探测器阵列规模设计了2×8元读出电路,探测器和读出电路对接后的样品工作在77K条件下。探测器偏压为-1.5V,积分时间为200s时探测器率达到1.38×1010cmHz1/2/W,达到实际应用的要求。为验证探测器和读出电路及对接样品的实用性,最后设计了数据采集卡和成像系统,给出了测试结果。

  探测器的I-V特性可以为读出电路设计提供重要依据,为此在光电测试平台采用keithley 4200-SCS半导体特性测试仪测试探测器特性。探测器阵列为2×8元,单元探测器面积为80×80m.测试过程中作为公共电极的衬底电位固定,扫描单元探测器一端的电压。

  图1是器件的I - V特性,与Q W I P器件不同,特性曲线明显非对称。探测器有一个-0.8V的阈值电压,探测器偏压大于-0.8V后响应电流迅速增大,在-0.8V~-3V区间相应电流随偏压变化缓慢。正向偏置时探测器响应电流相对较小。测试得77K,-1.5V时探测器暗电流小于10-13A,暗电流较小有利于降低噪声,提高探测率和信噪比。C-V特性测得探测器的电容约7.5pF.

  图2是不同光照功率时探测器的响应率,结果显示探测器的响应率远大于1A/W,偏压为-1V时响应率大于10A/W,说明探测器量子效率和光电增益较大。测试结果还显示探测器的响应率随光照功率增大减小,这个特性有利于提高成像系统的动态范围。

  图3显示探测器偏压为-1V时动态阻抗较大,大动态阻抗表示探测器响应电流随工作偏压变化较小,降低了探测器工作偏压的稳定性要求,提高了探测器阵列响应的一致性。因此探测器阵列与读出电路对接后选择-1V为工作电压。

  根据探测器特性设计读出电路,结构如图4所示,包括行选开关、电容互阻放大器(CTIA)、相关双采样电路(CDS)、列选开关和输出缓冲器。采用CTIA结构为列放大器可以稳定探测器工作偏压,提高注入效率和线性度,CDS电路可以抑制固定图形噪声。

  读出电路工作过程如下:首先选通一行探测器与CTIA列放大器连接,然后列放大器复位,使积分电容放电,探测器上电极的电位复位到复位电位。复位后列放大器开始积分,CDS电路采样和保持列放大器的复位信号和积分信号。最后在列选开关的控制下依次选通采样保持电路,通过输出缓冲器依次输出八个探测器积分信号。

  采用CSMC 0.6m DPDM工艺设计并流片2×8读出电路,CTIA积分电容设计为6pF.通过Si转接基板实现读出电路与2×8元探测器阵列对接,如图5所示。对接样品安装在杜瓦内加液氮制冷后固定在光学平台上,采用He-Ne激光器作为光源,发出的光经过衰减聚焦照射到器件表面。电路的工作电源和各个模拟电压通过外部测试电路提供,测试中探测器单元电极电位设定为2.5V,公共电极设定为3.5V,探测器工作电压为-1V.

  图6显示了光照功率为117nW,积分时间从20s变化到200s时读出电路输出电压的变化,结果读出电路的线.输出电压与光照功率的关系如图7所示,光照功率大于800nW时读出电路饱和。

  探测器阵列与读出电路对接后测试得噪声特性如图8所示,噪声随积分时间增大减小,平均噪声为 0.91mV,对接后样品的信噪比为67dB.噪声的特性与读出电路输入端探测器和列放大器工作频率相关,输入端探测器工作频率为1/2Tint[2]。 当积分时间增大,探测器和列放大器的工作频率下降,减小了噪声带宽,读出电路的输出噪声减小,因此延长积分时间有利于提高焦平面的探测率。图9是探测率与积分时间的关系,随积分时间增大,噪声减小,因此探测率增大。探测器偏压为-1.5V,积分时间为200s时探测器率达到 1.38×1010cmHz1/2/W,达到实际应用的要求,为进一步大面阵读出电路和探测器阵列的研制提供了依据。

  为了验证对接后样品的工作性能,进一步设计了数据采集电路和成像系统,系统框图如图10所示。系统包括stm32处理器、上位机和显示器、对接后的焦平面阵列和光电测试平台。Stm32处理器输出读出电路驱动控制信号,并利用自身集成的ADC完成读出电路输出模拟信号的数字化,然后通过USB接口把数字化的信号传输到上位机。通过VisualStudio6.0设计可视化图形界面,用灰度图显示表示16个探测器单元的响应。

  探测器工作偏压为- 1 。 5 V , 积分时间为100s,当光照较弱时输出电压较小,16探测器单元显示的相应的点亮度较低,光照较强时,相应点的显示亮度变亮。

  测试分析了一种新型量子光电探测器特性,探测器有一个-0.8V的阈值电压,偏压大于阈值电压后器件响应率远大于1A/W,且响应率随光照功率增大减小。2×8探测器阵列与设计的读出电路通过Si基板对接,对接后的焦平面阵列线s时探测器率达到1.38×1010cmHz1/2/W,达到实际应用的要求。采用设计的数据采集卡和成像系统验证了对接样品的实用性,为进一步大面阵读出电路和探测器阵列的研制提供了有益的参考。

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