碲镉汞焦平面器件CMOS读出电路的发展

通过对近年来的部分文献资料进行归纳分析,介绍了碲镉汞焦平面器件CMOS读出电路(ROIC)的发展动态.讨论了读出电路的有关概念.列出了部分前放电路的单元结构,并分析了它们的工作特点.介绍了积分时间、积分电容以及多路传输等因素对读出电路设计的影响.     

碲镉汞红外焦平面器件技术进展

近十年碲镉汞第二代红外焦平面探测器应用呈现爆发式增长,也是第三代焦平面技术快速发展的十年。文中对近十年来碲镉汞红外焦平面探测器技术的发展进行了简单的回顾,并结合碲镉汞红外焦平面探测器的应用,对在碲镉汞红外焦平面探测器技术方面的研究工作和工程应用进行了总结,最后,对未来碲镉汞红外焦平面探测器技术的发展进行了展望。     

碲镉汞双色红外焦平面读出电路研究进展

介绍了碲镉汞（MCT）双色红外焦平面探测器的研制背景,及美、英、法等西方发达国家的发展现状。从读出电路（ROIC）设计角度出发,重点阐述了上述3个发达国家的碲镉汞双色焦平面器件结构类型和相应读出电路设计特点。最后介绍了国内昆明物理研究所在碲镉汞双色焦平面读出电路研究方面取得的进展。昆明物理研究所研制出两种碲镉汞双色焦平面读出电路,一种是适用于双铟柱半平面器件结构的128×128双色信号同步积分读出电路,另外一种是适用于单铟柱叠层器件结构的640×512双色信号 TDMI（时分多路积分）读出电路。两种读出电路芯片在77 K 条件下正常工作,主要功能及性能指标与国外同类产品相当。     

128元长波碲镉汞焦平面器件

本文概要叙述了１２８元长波碲镉汞焦平面器件的原理及研制工艺；ＣＭＯＳ互连后测试结果：峰值Ｄλ＾＊＝３．４×１０＾１０ｃｍＨｚ＾１／２Ｗ＾－１，Ｒｖλ＝１．２×１０＾８Ｖ／Ｗ，利用１２８元长波碲镉汞焦平面器件研制成功的热像仪成像情况。     

非制冷红外焦平面CMOS读出电路设计

在过去的10年里红外焦平面阵列成像技术逐渐进入了成熟期,从红外焦平面的发展背景出发,简要介绍了一种新颖的非制冷焦平面成像技术,论述了读出电路在红外焦平面信号传输中的作用并介绍了其基本框图,分析了国内外焦平面读出电路的现状,最后提出了一些在红外焦平面阵列读出电路设计中所需要注意的问题。     

256×256混合碲镉汞红外焦平面阵列

开发了混合碲镉汞256×256焦平面阵列,以满足高性能中波红外成象系统的灵敏度、分辨率及视场的需要。这种混合的探测器阵列制作在可减少或消除与硅读出电路热膨胀不匹配性的基片上。读出装置采用掩模加工的 CMOS开关场效应管电路,电路的电荷容量大于10~7个电子和有20MHz 数据率的单视频输出。这种大型凝视焦平面阵列具有高的量子效率、可调谐的吸收波长和宽的工作温度范围,大大优越于与其竞争的各种传感器。成熟的 PACE-1工艺采用蓝宝石探测器基片,已制作出256×256元中波红外阵列,在4.9μm 截止波长时,其实验室获得的平均 NETP 值为9mK,象元尺寸为40μm 和工作温度为80K。根均方探测器响应不均匀性小于4%,象元的输出大于99%。最新开发的PACE-3工艺用硅作探测器基片,完全消除了与硅读出电路的热不匹配性。一种640×480的混合阵列正在开发中。     

长波红外2048元线列碲镉汞焦平面器件

介绍了长波红外2048元线列碲镉汞焦平面器件的制备技术和达到的性能参数.探测器采用离子注入平面pn结制备光敏元,通过间接倒焊技术和读出电路互联,采用8个256元焦平面模块拼接2048元线列焦平面器件.光敏元的响应截止波长达到9.9μm,相应的RoA达到10Ωcm2,平均峰值探测率达到9.3×1010cmHz1/2 W-1,响应不均匀性为8%,有效光敏元率大干99.5%.     

多功能红外焦平面读出电路设计

主/被动成像系统具备多种成像模式,集成度高、成本低、系统运行效率高,应用前景良好。设计了一种64×64规模的多功能红外焦平面阵列读出电路,在30 μm像元中心距的限制下实现了日光标准成像、微光成像、异步激光脉冲检测和二维激光测距四种成像功能。基于TSMC 0.35 μm工艺,完成了多功能读出电路的芯片设计与流片验证。电路复用设计和像素共享架构显著降低了版图面积。CTIA的T型开关有效减小漏电流,改善了红外被动成像电路的动态范围,高增益模式下动态范围达60 dB,低增益模式下动态范围达68 dB。并且满阱电荷容量分别为203 ke?和1.63 Me?。三级push-pull运放和MOS反馈电阻使RTIA兼具高增益和小尺寸。芯片测试结果表明,电路具备主/被动成像功能,性能良好,可应用于红外焦平面激光雷达成像系统。     

短波高光谱红外焦平面系统电路设计

分析了高光谱应用下的一种1024×256短波红外探测器组件读出电路设计。针对高光谱弱信号红外探测应用,该电路采用CTIA像元结构,达到72%的量子效率,并有效抑制了复位结构带来的漏电效应,使线性度和输出摆幅得到显著的提高。并通过列级和输出级的优化设计,得到了良好的噪声性能。     

碲镉汞雪崩焦平面器件

碲镉汞雪崩光电二极管以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点成为第3代红外光电探测器的重要发展方向之一.制备了截止波长3.56μm的雪崩光电二极管焦平面器件,面阵规模为16×16.焦平面器件在0～6V偏压下有效像元率大于90%,非均匀性小于20%.6 V偏压下NEPh约为60,过剩噪声因子为1.2.     

格雷码在焦平面CMOS读出电路中的应用

介绍了一种利用格雷码在焦平面CMOS读出电路中实现灵活读出方式,并且改善芯片整体性能的设计思想,采用的仿真设计工具是Cadence IC 5.0.在分析格雷码特征的基础上,利用格雷码的反射性和单步循环特性设计了一种不同于传统结构的新型读出电路,并给出了相应的仿真波形.该读出电路以较简单的结构实现了四种顺序的读出方式,同时降低了芯片功耗并提高了稳定性.     

一种多功能大面阵读出电路数字模块设计方法

介绍了一种红外焦平面读出电路数字模块的设计方法。数字模块除了包括读出电路所必须的行选和列选信号之外,仅使用一位控制管脚,就可以实现读出电路的开窗、翻转、通道选择、工作方式选择、增益控制、功耗控制等多种功能,这种单管脚输入的设计方法可以有效的避免外围管脚过多带来的噪声等方面的影响,提高大面阵读出电路的稳定性和可靠性。电路设计选用0.18μm的工艺,采用全定制设计方法,阵列规模1280×1024。仿真结果证明电路可以正常实现所设计的功能,适用于大面阵红外焦平面阵列。     

A Highly Sensitive Multi-element HgCdTe e-APD Detector for IPDA Lidar Applications

An HgCdTe electron avalanche photodiode (e-APD) detector has been developed for lidar receivers, one application of which is integrated path differential absorption lidar measurements of such atmospheric trace gases as CO₂ and CH₄. The HgCdTe APD has a wide, visible to mid-wave-infrared, spectral response, high dynamic range, substantially improved sensitivity, and an expected improvement in operational lifetime. A demonstration sensor-chip assembly consisting of a 4.3 μm cutoff HgCdTe 4 × 4 APD detector array with 80 μm pitch pixels and a custom complementary metal–oxide–semiconductor readout integrated circuit was developed. For one typical array the APD gain was 654 at 12 V with corresponding gain normalized dark currents ranging from 1.2 fA to 3.2 fA. The 4 × 4 detector system was characterized at 77 K with a 1.55 μm wavelength, 1 μs wide, laser pulse. The measured unit gain detector photon conversion efficiency was 91.1%. At 11 V bias the mean measured APD gain at 77 K was 307.8 with σ/mean uniformity of 1.23%. The average, noise-bandwidth normalized, system noise-equivalent power (NEP) was 1.04 fW/Hz^1/2 with a σ/mean of 3.8%. The measured, electronics-limited, bandwidth of 6.8 MHz was more than adequate for 1 μs pulse detection. The system had an NEP (3 MHz) of 0.4 fW/Hz^1/2 at 12 V APD bias and a linear dynamic range close to 1000. A gain-independent quantum-limited SNR of 80% of full theoretical was indicative of a gain-independent excess noise factor very close to 1.0 and the expected APD mode quantum efficiency.     

MBE HgCdTe on Alternative Substrates for FPA Applications

Results of first-principles calculations and experiments focusing on molecular beam epitaxy (MBE) growth of HgCdTe on the alternative substrates of GaAs and Si are described. The As passivation on (2 × 1) reconstructed (211) Si and its effects on the surface polarity of ZnTe or CdTe were clarified by examining the bonding configurations of As. The quality of HgCdTe grown on Si was confirmed to be similar to that grown on GaAs. Typical surface defects in HgCdTe and CdTe were classified. Good results for uniformities of full width at half maximum (FWHM) values of x-ray rocking curves, surface defects, and x values of Hg_1−x Cd _x Te were obtained by refining the demanding parameters and possible tradeoffs. The sticking coefficient of As₄ for MBE HgCdTe was determined. The effects of Hg-assisted annealing for As activation were investigated experimentally and theoretically by examining the difference of the formation energy of As_Hg and As_Te. Results of focal-plane arrays (FPAs) fabricated with HgCdTe grown on Si and on GaAs are discussed.     

GaN紫外焦平面CTIA结构读出电路小面积设计及仿真

随着GaN紫外焦平面的发展,焦平面的阵列规模越来越大,单元探测器的面积越来越小,对GaN紫外焦平面的读出电路进行设计,实现读出电路单元面积为37μm×37μm,阵列规模为8×8元.本设计采用电容反馈互阻抗放大器(CITA)结构作为输入级,列共用方式的采样保持电路,源级跟随器作为输出级,用移位寄存器来控制行、列选通并控制电路工作的时序.本文的整个电路设计基于Cadence设计平台,对电路进行了Spectre仿真,面阵的工作状况良好,保持良好的线性.     

HgCdTe红外焦平面用锥形节流致冷杜瓦组件

介绍了一种用于HgCdTe红外焦平面的致冷器杜瓦组件的设计和试验情况.该组件通过采用锥形结构,包括锥形杜瓦和锥形节流致冷器两部分,提高了降温速度,有效地缩短了组件的轴向尺寸,结构更加紧凑,尤其适用于轴向尺寸受到限制的红外导引头.     

碲镉汞红外焦平面响应图"交叉线"特征起源探讨

对碲镉汞红外焦平面热响应图"交叉线"特征起源进行了研究。基于碲镉汞的闪锌矿结构晶体滑移系统理论,讨论了不同滑移面与碲镉汞薄膜生长所用(111)B面和(211)B面交线的方向,从晶格失配和应力释放的角度探讨了碲镉汞薄膜表面交叉线形貌与X射线衍射交叉线貌相的起源与几何结构,分析了碲镉汞薄膜交叉线与材料晶体质量之间的关系,探讨了碲镉汞红外焦平面热响应图交叉线特征的起源及其与器件性能的关系。