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短波红外辐射是指波长为0.9 ~3 μm的红外辐射,广泛存在于自然界中,其主要来源有自然环境的反射和高温物体的辐射等。常见的用于制造短波红外焦平面探测器的材料主要包括:InGaAs,HgCdTe和InAs等。其中InGaAs器件因其优异的综合性能,比HgCdTe器件更高的电子迁移率,更低的衬底与外延材料间的晶格失配,高灵敏度,能够在室温和近室温工作,工艺成熟等优点被广泛应用于军事、工业、医学等领域[1]。
随着材料工艺水平和CMOS工艺水平的不断提高,InGaAs探测器向着高分辨率、高灵敏、多波段、数字化等方向发展,其中数字化InGaAs探测器技术是一个重要的发展方向。数字化InGaAs探测器技术不同于传统的在模拟域读出光电信号再在片外的成像电路上进行数字化的工作模式,其通过将光电流信号在片内数字化,实现信号的数字化传输,一方面可以突破模拟信号传输带宽对于探测器分辨率和帧频的限制,另一方面可以降低信号传输过程中的串扰、噪声等对于探测器性能的影响,从而提高探测器的各方面性能。
文中首先简单介绍了国内外InGaAs探测器技术发展现状,然后介绍了用于640×512面阵规格,15 μm像元中心距的数字化读出电路,最后给出了数字化InGaAs探测器组件的测试结果和成像图片。
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640×512列级ADC数字化读出电路采用0.35 μm标准CMOS工艺实现。
在利用0.35 μm标准工艺实现数字化读出电路晶圆之后,将读出电路芯片与InGaAs探测器阵列芯片通过铟柱倒装互联实现InGaAs数字化焦平面探测器组件。探测器芯片照片和封装如图7所示。基于自主开发的测试平台,对所设计的探测器组件进行了测试,测试方法是通过测试电路板为探测器组件提供所需的偏置电压和驱动信号,然后通过CameraLink接口将数据采集到PC端并进行计算,最终得到测试结果。
在无光照的条件下,经过大量的图像数据采集测得读出电路在常温下的RMS噪声为1.5 LSB,约等于230 μV,小于传统模拟读出电路的噪声,如图8(a)所示。
通过固定光电流输入,改变积分时间的方法对读出电路的线性度进行了测算。读出电路对相同的光电流进行不同时间的积分以获得不同的电压信号,然后将该电压通过列级ADC量化,最后输出至片外,所以其输出值的线性度表征了读出电路的注入级电路、读出单元电路的输出buffer、以及ADC的线性度,也即整个读出电路的线性度。图8(b)展示了在均匀黑体前,不同积分时间下的探测器输出曲线,拟合曲线的标准差为0.15%,表明了读出电路具有较好的线性度。
得益于列级ADC和数据传输电路的低功耗设计,在60 Hz帧频下整个读出电路的功耗仅为94 mW,与传统的模拟读出电路功耗相当。
表1归纳了所介绍的数字化InGaAs探测器组件的性能指标与国外产品的对比。从指标上看文中介绍的数字化InGaAs探测器组件在面阵规格、量子效率和ADC位数等方面与国外各大厂商的产品基本处于同一技术水平,但探测率相比国外厂商仍有差距。
所设计的数字化InGaAs探测器组件搭配不同的光学镜头制作成了成像样机,如图9(a)所示。采用不同的光学镜头就可以实现不同环境的应用需求。图9(b)和图9(c)展示了白天室外近景和远景的成像效果,由于数字化探测器较好的信噪比和抗干扰性,成像清晰无杂波干扰。
Parameter This work SCD Cardinal 640 Sensor Unlimited CSX 640 Sofradir Snake SW Format 640×512 640×512 640×512 640×512 Pitch/μm 15 15 12.5 15 Spectral range/μm 0.9-1.7 0.9-1.7 0.7~1.7 0.9-1.7 Quantum efficiency 65%@1.6 μm 80%@1.55 μm 65 %0.9 µm-1.6 µm 70 %1 µm-1.6 µm Detectivity, D* /cmHz1/2W-1 1×1012@300 K -- 2.8×1013@293 K -- Reading mode IWR IWR IWR IWR ADC 14 14 -- -- Max frame rate/Hz 120 350 -- 300 Table 1. Comparison of performance among different InGaAs detector products