320×256中/长波双色IRFPAs读出电路设计

中波与长波探测器的光电流及动态输出阻抗存在数量级的差别。为满足积分时间及读出信号信噪比的要求,采用像元间多电容共享的方案,设计了一种高集成度的320256双色红外焦平面读出电路。该电路选用直接注入(DI)结构作为中波输入级,而长波输入级则选用了缓冲注入(BDI)结构。其缓冲放大器采用单边结构,具有高增益、低功耗、低噪声的特点,降低了输入阻抗,提高了注入效率。基于HHNEC 0.35 m 2P4M标准CMOS工艺,完成了芯片的设计与制造。经测试,引入电容共享方案后其有效电荷容量达到70 Me-/像元,电路各项功能正常,在光照条件下,芯片呈现出高的灵敏性。在2.5 MHz读出速率下,中波及长波输出电压范围均大于2 V,非线性小于1%。在100 f/s帧频下,整体功耗小于170 mW。     

钝化界面植氢优化的碲镉汞中波红外探测芯片

报道了在钝化界面进行低能等离子体植氢优化的n+-on-p碲镉汞(HgCdTe)中波(MW,mid-wavelength)光伏红外探测芯片的研究成果.基于由采用分子束外延技术生长的HgCdTe薄膜材料,通过注入阻挡层的生长、注入窗口的光刻、形成光电二极管的B+注入、钝化介质膜的生长、优化钝化界面的等离子体植氢、金属化和铟...     

红外探测器背景抑制读出结构设计研究

长波红外焦平面探测器一般工作在高背景下,信号电流小于背景电流,器件本身暗电流也较大,信号读出时积分电容极易饱和,这都不利于获得理想的信噪比.通过在读出电路输入级中增加电流抑制结构,可有效提高积分时间,改善动态范围和对比度.本文介绍了红外焦平面读出电路中几种典型的背景电流及暗电流抑制技术,依次叙述不同结构背景及暗电流抑制的实现原理,并比较各个结构的优缺点,针对不同电路结构的特点,通过典型电路仿真分析,确定了它们在各种红外焦平面读出电路输入级中的应用范围.     

应对第三代红外焦平面技术挑战的HgCdTe分子束外延

叙述了围绕第三代红外焦平面的需求所进行的HgCdTe分子束外延的一些研究结果.75mm HgCdTe薄膜材料的组分均匀性良好,80K下截止波长偏差为0.1μm.对所观察到的HgCdTe表面缺陷成核机制进行了分析讨论,获得的75mm HgCdTe材料平均表面缺陷密度低于300cm-2.研究发现As的表面黏附系数很低,对生长温度十分敏感,在170℃下约为1×10-4.计算表明,As在HgCdTe中的激活能为19.5meV,且随(Na∑Nd)1/3的增大呈线性下降关系,反比系数为3.1×10-5meV·cm.实验发现Hg饱和蒸汽压下,对应不同的温度240,380,440℃,As在HgCdTe中的扩散系数分别为(1.0±0.9)×10-16,(8±3)×10-15,(1.5±0.9)×10-13cm2/s.采用分子束外延生长的HgCdTe材料已用于红外焦平面探测器件的研制,文中报道了一些初步结果.     

HgCdTe干法刻蚀的掩模技术研究

文章报道了HgCdTe微台面列阵ICP干法刻蚀掩模技术研究的初步结果.首先采用常规光刻胶作为HgCdTe材料的ICP干法刻蚀掩模.扫描电镜结果发现,由于刻蚀的选择比低,所以掩模图形退缩严重,刻蚀端面的平整度差,台面侧壁垂直度低.因此采用磁控溅射生长的SiO2掩模进行了相同的HgCdTe干法刻蚀.结果发现,SiO2掩模具有更高的选择比和更好的刻蚀端面.但是深入的测试表明,介质掩模的生长对HgCdTe表面造成了电学损伤.最后通过优化生长条件,获得了无损伤的磁控溅射生长SiO2掩模技术.     

读出电路数字模块设计

文章介绍了一个读出电路的数字控制模块.该模块集成了众多的控制功能,包括积分时间的调控,对面阵中指定窗口的读出,并能够支持快照读出模式和滚动读出模式之间的选择.文章中详细介绍了实现窗口功能和滚动功能的算法;电路的整体结构及端口时序,并给出了整个系统的仿真结果;最后采用上海集成电路设计中心提供的0.6μm双硅双铝标准单元库对本设计进行了电路综合,并对本设计的版图规划和实现进行了简略的说明,验证了将该设计向大规模读出电路上集成的可行性.     

红外探测器背景抑制读出结构设计研究

长波红外焦平面探测器一般工作在高背景下，信号电流小于背景电流，器件本身暗电流也较大，信号读出时积分电容极易饱和，这都不利于获得理想的信噪比。通过在读出电路输入级中增加电流抑制结构，可有效提高积分时间，改善动态范围和对比度。本文介绍了红外焦平面读出电路中几种典型的背景电流及暗电流抑制技术，依次叙述不同结构背景及暗电流抑制的实现原理，并比较各个结构的优缺点，针对不同电路结构的特点，通过典型电路仿真分析，确定了它们在各种红外焦平面读出电路输入级中的应用范围。     

碲镉汞e-APD 焦平面数字化读出电路设计

HgCdTe e-APD 工作于线性模式,通过内雪崩倍增效应将一个微弱的信号放大多个数量级。介绍了一个具有列共用ADC 制冷型(77 K)数字化混成式HgCdTe e-APD FPA 读出电路,可以应用于门控3D-LARDAR 成像,有主被动双模式成像功能。Sigma-delta 转换器比较适合于中规模128128 焦平面列共用ADC。调制器采用2-1 MASH 单比特结构,开关电容电路实现,数字抽取滤波器采用CIC 级联梳状滤波器。采用GLOBALFOUNDRIES 0.35 m CMOS 工艺,中心距100 m。设计了量化噪声抵消逻辑消除第一级调制器量化噪声,采用数字电路实现。CIC 抽取滤波器的每一级寄存器长度以方差为指标截尾,以降低硬件消耗。并且数字抽取滤波器工作电压降低到1.5 V,可以进一步降低功耗。仿真显示sigma-delta 转换器精度大于13 bit,功耗小于2.4mW,转换速率7.7 k Samples/s。     

Kink效应对低温CMOS读出电路的影响

在深低温下(T＜50K),CMOS器件会出现Kink效应,即Ⅰ-Ⅴ特性曲线会发生扭曲.当漏源电压较大时(Vds＞4V),漏电流突然加大,电流曲线偏离正常的平方关系.本文通过实验表明,Kink效应对CMOS读出电路中的一些电路结构产生较严重的影响,Kink效应会导致源跟随器输出产生严重的非线性;对于共源放大器和两级运放,Kink效应会使其增益产生非线性.最后,针对影响低温读出电路性能的Kink效应进行分析和研究,提出在低温CMOS读出集成电路设计中如何解决这些问题的方案.     

集成式HgCdTe红外双色探测器列阵

首次报道了集成中波 1/中波 2 (MW1/MW2 )的HgCdTe红外双色探测器的材料生长、器件制备及其性能 .采用分子束外延 (MBE)技术 ,生长了p p P N型Hg1-xCdxTe多层异质结材料 .通过B+ 注入、台面腐蚀、爬坡金属化、台面侧向钝化及互连等工艺 ,得到了 80元的原理型HgCdTe红外双色探测器 .纵向上背靠背的 2个光电二极管分别有电极输出 ,确保了空间上同步和时间上同时的探测 ,并能独立地选择最佳工作偏压 .它适于常规的背照射工作方式 ,且有大的空间填充因子 .在液氮温度下 ,2个波段的光电二极管截止波长λc 分别为 3.0 4 μm和 5 .74 μm ,对应的R0 A值为 3.85× 10 5Ωcm2 和 3.0 2× 10 2 Ωcm2 .测得MW1、MW2的峰值探测率Dλp 分别为 1.5 7× 10 11cmHz1/2 /W和 5 .6 3×10 10 cmHz1/2 /W .得到 2个波段的光谱响应 ,且MW2光电二极管的光谱串音为 0 .4 6 % ,MW1光电二极管的光谱串音为 6 .34% .