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。     

高性能弹用碲镉汞红外焦平面读出电路

研制出一种高性能弹用凝视型碲镉汞(MCT)中波红外焦平面CMOS读出电路(ROIC)芯片。读出电路采用快照(Snapshot)积分模式,具有积分后读出(ITR)、积分同时读出(IWR)、长/短帧组合(COMBINED)积分和长/短帧插入(INTERLACED)积分4种模式可选功能,有效解决高灵敏度和大动态范围的矛盾;其他特征包括抗晕、多级增益可选、串口功能控制,以及全芯片电注入测试功能。该读出电路采用0.35?m DPTM标准CMOS工艺,工作电压5.0 V。测试结果体现了良好的性能:在77 K条件下,全帧频可到250 Hz(插入积分模式),功耗典型值为20 mW。     

双色焦平面红外探测器相对光谱串音研究

提出了一种评价双色探测器的相对光谱串音的模型及测试方法。为验证模型及测试方法的可行性,采用分子束外延锗基叠层异质结构碲镉汞薄膜材料,研制了微台面结构短波/中波双色红外焦平面探测器原理器件,进行了相对光谱串音测试,归纳出3种主要的相对光谱串音模式,并结合材料、器件结构和工艺特点,分析了相对光谱串音的成因。     

双色红外焦平面读出电路信号输入级初探

文章通过对双色红外焦平面结构、工作模式、各种信号输入级电路的研究,提出了顺序和同步工作的两种焦平面读出电路结构,输入级都是直接注入方式。短波( SW)和中波(MW)二个波段的光电流分别在各自的电容上积分,然后输出到后级电路,初步获得了电路的仿真结果。     

双色红外焦平面研究进展

介绍了叠层双色红外焦平面的发展背景和适用的材料体系,及其在国际上的发展现状,重点论述了叠层双色探测器结构类型及其探测特点,最后介绍了国内碲镉汞叠层双色焦平面的研究进展。报道了基于n⁺_-p-P-P-N多层异质结Hg_1-xCd_xTe材料的叠层中波/短波（256×1）×2红外双色焦平面器件研制及性能。在77 K液氮温度下,红外焦平面探测器的两个波段的截止波长λ_c分别为2.8 μm和3.9 μm,中波/短波焦平面的平均单色探测率D*_λp分别为1.8×10¹¹ cmHz^1/2/W和9.6×10¹⁰ cmHz^1/2/W。     

双色红外焦平面阵列读出电路设计

根据P-N-N-P型叠层双色红外焦平面阵列探测器结构及其等效电路,提出了一种128×128同时积分、同时读出型双色红外焦平面读出电路原理及实现方式。单元电路采用直接注入结构作为输入级,在给定的单元面积内获得了较大的积分电容,满足了单元电路内中、短波两个独立的积分信号通道的需求。仿真结果表明该电路满足预定的设计要求,积分时间可调,读出速率大于等于5MHz,中、短波输出电压的线性度均达到99%以上,功耗约68mW。     

128×128短波/中波双色红外焦平面探测器

首次在国内报道了128×128面阵短波/中波(SW/MW)双色碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面探测器(infraredfocal plane arrays,IRFPAs)的研究成果.基于由采用分子束外延(MBE)和原位掺杂技术生长的p-p-P-N型碲镉汞(Hg1-xCdxTe)多层异质结材料,通过B+注入、台面腐蚀、台面侧向钝化和爬坡金属化,以及双色探测芯片与读出电路(Readout Integrated Circuit,ROIC)混成互连等工艺,得到了128×128面阵双色焦平面探测器.通过湿化学腐蚀方法的优化,将光敏元尺寸为(50×50)μm2的双色微台面探测器的占空比提高了一倍.该面阵双色红外焦平面探测器具有较好的均匀性和正常的光电特性.在液氮温度下,二个波段的光电二极管截止波长λc分别为2.7μm和4.9μm,对应的峰值探测率Dλ*p分别为1.42×1011cmHz1/2/W和2.15×1011cmHz1/2/W.     

短/中波双色碲镉汞红外焦平面探测器研究

报道了基于分子束外延碲镉汞短/中波双色材料、器件的最新研究进展。采用分子束外延方法制备出了高质量的短/中波双色碲镉汞材料,并优化了材料的质量,材料表面缺陷密度控制在500个/cm-2以内,通过扫描电子显微镜可以看出各层之间界面陡峭,使用傅里叶红外变换光谱仪(FTIR)、X射线衍射(XRD)等方法对材料进行了表征,基于此材料制备出了短/中波碲镉汞双色器件,器件测试性能良好。     

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.     

具有像素累积功能的384×288焦平面读出电路

研制出一种长波凝视型384×288焦平面CMOS读出电路(ROIC).读出电路输入级单元电路采用像素累积(PA)功能以提高信噪比(SNR),并具有抗晕功能以提高探测器的适应性;读出电路采用快照(Snapshot)积分模式,具有积分后读出(ITR)和积分同时读出(IWR)两种模式可选功能;其他特征包括积分时间可调、多级增...     

短/中波双色碲镉汞红外探测器制备研究

报道了基于分子束外延的短/中波双色碲镉汞材料及器件的最新研究进展.采用分子束外延方法制备出了高质量的短/中波双色碲镉汞材料,并通过提高材料质量将其表面缺陷密度控制在300 cm-2以内.在此基础上进一步优化了芯片制备工艺,尤其是在减小像元中心距方面作了优化.基于上述多项材料及器件工艺制备出了320×256短/中波双色碲...     

32×32长波碲镉汞红外焦平面信号读出电路

３２×３２长波碲镉汞红外焦平面信号读出电路倪云芝，江美玲，曾萌，王新德，梁平治（上海技术物理研究所上海２０Ｏ０８３）采用ＣＭＯＳ技术，研制成功了一个适用于３２×３２长波碲镉汞光伏探测器列阵的信号读出电路。由于长波ＭＣＴ二极管的结阻抗较低，很难在自身的...     

卫星用高光谱红外焦平面读出电路设计

研制出一款高性能卫星用高光谱红外焦平面CMOS（complementary metal oxide semiconductor）读出电路ROIC（readout integrated circuit）芯片。读出电路设计包括任意行选择功能以及行增益单独调制功能,满足高光谱应用对读出电路提出的新要求。读出电路7档增益可选,适用于中波与短波碲镉汞HgCdTe（MCT）芯片;其他功能包括边积分边读出IWR（integration while reading）,抗晕,串口功能控制以及全芯片电注入测试功能。读出电路采用0.35 m曝光缝合工艺,电源电压5 V,测试结果表现出良好的性能:在77 K条件下,全帧频可达450 Hz,功耗可调且典型值为300 mW。本文介绍了在读出电路设计的基本架构,提出设计中遇到的问题以及相应的解决方法,在文末给出了电路的测试结果。     

中/长波切换工作模式的双色量子阱红外焦平面研制

报道了中/长波切换工作模式的双色量子阱红外焦平面研制。通过特殊设计的器件和读出电路结构,获得了可对中波波段和长波波段选择的切换架构。突破了双色量子阱材料、器件以及读出电路等关键技术,研制出384288规模、25 m中心距双色量子阱红外焦平面探测器。在70 K条件下器件性能优良,噪声等效温差为28 mK(中波)和30 mK(长波),响应峰值波长分别为5.1 m(中波)和8.5 m(长波)。室温目标红外成像演示了探测器的双色探测功能。     

中长双色红外焦平面探测器组件技术研究

在(211)B碲锌镉衬底上,采用分子束外延生长制备了PPP型中长双色碲镉汞材料,通过台面孔刻蚀、侧壁钝化等工艺,实现中长双色640×512红外焦平面探测器组件研制。中长双色碲镉汞材料测试结果表明,表面宏观缺陷(2～10μm)密度统计分布约773 cm^-2,同时对材料进行了XRD双晶衍射半峰宽(FWHM)测试和位错腐蚀坑(EPD)统计,XRD测试FWHM约31.9 arcsec,EPD统计值约为5×105 cm^-2;双色器件芯片台面刻蚀深度达到8μm以上,深宽比达到1∶1以上,侧壁覆盖率达到72.5%。中长双色红外焦平面组件测试结果表明,中波波长响应范围为3.6～5.0μm,长波波长响应范围为7.4～9.7μm,中波向长波的串音为0.9%,长波向中波的串音为3.1%,中波平均峰值探测率达到3.31×1011 cm·Hz1/2/W,NETD为17.7 mK;长波平均峰值探测率达到6.52×1010 cm·Hz1/2/W,NETD为32.8mK;中波有效像元率达到99.46%,长波有效像元率达到98.19%,初步实现中长双色红外焦平面组件研制。     

同时模式的中波/长波碲镉汞双色红外探测器

采用光刻胶喷涂技术,突破了碲镉汞双色探测器加工的非平面离子注入和金属化开口等工艺.基于分子束外延(MBE)和原位掺杂技术生长的p3-p2-P1型碲镉汞(Hg1-xCdxTe)多层异质结材料,通过MW光电二极管n型注入区的开口刻蚀、非平面的MW/LW同步B+注入、台面侧向钝化和爬坡金属化,得到了同时模式的128×128面阵MW/LW双色探测器.在液氮温度下,MW/LW双色探测器两个波段的光电二极管截止波长λc分别为5.10μm和10.10μm,对应的峰值探测率Dλp*分别为2.02×1011cmHz1/2/W和3.10×1010cmHz1/2/W.通过对同时模式双色探测器材料与芯片结构的优化设计,HgCdTe双色探测器MW向LW、LW向MW的光谱串音分别抑制到了3.8%和4.4%.     

128×128短波/中波双色红外焦平面探测器

首次在国内报道了128×128面阵短波/中波（SW/MW）双色碲镉汞（HgCdTe）红外焦平面探测器（infrared focal plane arrays, IRFPAs）的研究成果.基于由采用分子束外延（MBE）和原位掺杂技术生长的ppPN型碲镉汞（Hg1-xCdxTe）多层异质结材料,通过B+注入、台面腐蚀、台面侧向钝化和爬坡金属化,以及双色探测芯片与读出电路（Readout Integrated Circuit,ROIC）混成互连等工艺,得到了128×128面阵双色焦平面探测器.通过湿化学腐蚀方法的优化,将光敏元尺寸为（50×50）μm2的双色微台面探测器的占空比提高了一倍.该面阵双色红外焦平面探测器具有较好的均匀性和正常的光电特性.在液氮温度下,二个波段的光电二极管截止波长λc分别为2.7μm和4.9μm,对应的峰值探测率D*λp分别为1.42×1011cmHz1/2/W和2.15×1011 cmHz1/2/W.     

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。     

双色碲镉汞红外焦平面探测器发展现状

主要介绍了双色碲镉汞红外焦平面阵列的应用需求和国外发展现状,对其工作模式、器件结构、器件制备的关键工艺技术、双色读出电结构进行了阐述说明。     

32×32双色红外探测器同步读出电路设计

双色（中短波）同步工作模式的红外探测器,其输出光电流信号为中波信号和中短波混合信号。文中提出了一种电压信号相减的电路结构,可在中波和中短波信号同步积分后,将两个波段的积分电压信号进行相减,得到单独的短波信号,实现信号分离的过程,并对32×32规模的电路进行了仿真验证,电路在仿真中有良好的性能。