256×256焦平面阵列读出电路数字控制研究

随着探测器阵列规模的快速发展,探测器阵列信号的整帧读出时间加长,在实时成像和光谱测试等方面遇到一些问题。文章主要针对256×256红外焦平面阵列进行数字控制研究,并着重对读出电路多通道输出控制方式进行讨论。该控制模式成功应用在256×256焦平面阵列读出电路中,在同样的主钟控制下,使帧读出时间缩短为原来的2／3（双通道输出）和2／5（四通道输出）,在实际测试和检验中得到很好的效果。     

基于MEMS的非制冷红外探测器读出电路的设计

基于MEMS的非制冷红外探测器广泛用于军用和民用领域,其中作为探测器核心部件的焦平面探测阵列的读出电路等关键技术的研究至为重要.设计了一块240×320的焦平面探测阵列的读出电路,此电路能够抑制MEMS工艺的波动,减小探测器环境温度的影响.采用HHNEC 0.5 μm 工艺对此设计流片,其测试结果达到预期目标.芯片输出电压为1.5～3.5 V,每帧图像输出时间为16.32 ms,可以保证每秒61帧图像输出.     

320×256元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格长波红外焦平面探测器

报道了320×256元In As/Ga SbⅡ类超晶格长波红外焦平面阵列探测器的研制和性能测试.采用分子束外延技术在Ga Sb衬底上生长超晶格材料,器件采用PBIN结构,红外吸收区结构为14 ML(In As)/7 ML(Ga Sb),焦平面阵列光敏元尺寸为27μm×27μm,中心距为30μm,通过刻蚀形成台面、侧边钝化和金属接触电极生长,以及与读出电路互连等工艺,得到了320×256面阵长波焦平面探测器.在77 K温度下测试,焦平面器件的100%截止波长为10.5μm,峰值探测率为8.41×109cm Hz1/2W-1,盲元率为2.6%,不均匀性为6.2%,采用该超晶格焦平面器件得到了较为清晰的演示性室温目标红外热成像.     

320 × 256 InGaAs短波红外焦平面阵列探测器

研制了320×256 InGaAs焦平面阵列(FPA)探测器,它由InGaAs光电二极管阵列(PDA)与Si CMOS集成读出电路(ROIC)通过In凸点倒焊技术混合集成。背照射工作方式下其响应光谱范围为0.9~1.7μm。为实现InGaAs PDA与所设计的可调积分电容跨阻抗反馈放大器接口电路良好匹配,分析讨论了InGaAs光电二极管响应度、暗电流、结电容等光电特性对表征InGaAs FPA的主要性能指标的影响,优化了InGaAs光电二极管单元结构设计。采用优化结果研制的320×256 InGaAs FPA,在室温下的峰值探测率达到6×1012cm.Hz1/2.W-1,动态范围达到68 dB。     

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。     

近红外256×1元InGaAs焦平面探测器无效像元研究

采用分子束外延方法生长的PIN型InP/InGaAs/InP双异质结材料制备了正照射256×1元近红外探测器,并与128×1奇偶两路读出电路互连,制备了近红外256×1元焦平面探测器.针对近红外InGaAs焦平面探测器中的无效像元问题,通过光学显微镜、扫描电镜和电学测试将无效像元进行分类,并分析了无效像元产生的原因.研...     

256×1线列InGaAs短波红外焦平面的研究

利用分子束外延(MBE)方法生长的掺杂InGaAs吸收层PIN InP/InGaAs/InP双异质结外延材料,通过台面制作、硫化后覆盖聚酰亚胺钝化、电极生长等工艺,制作了台面构造的256×1正照射InGaAs探测器阵列。测试了器件的I-V特性与响应光谱,得出器件的暗电流Id、零偏压电阻R0、G因子;通过信号和噪声的测试,计算出了在278K时的平均峰值探测率为1.33×1012cmHz1/2W-1。256元InGaAs探测器阵列与CTIA结构L128读出电路相互连,经封装后成功制备256×1线列InGaAs短波红外焦平面,在室温(300K)时测得256元响应信号,其响应不均匀性为19.3%。     

256元InGaAs线列红外焦平面及扫描成像

报道了用分子束外延(MBE)方法生长掺杂InGaAs的PIN InP/InGaAs/InP外延材料,通过台面制作、硫化处理、ZnS/聚酰亚胺双层钝化、电极生长等工艺,制备了256元正照射台面InGaAs线列探测器,278K时平均峰值探测率为1.33×1012 cmHz1/2W-1.测试了不同钝化方式探测器典型Ⅰ-Ⅴ曲线和探测率,硫化可以减小探测器暗电流,ZnS/聚酰亚胺双层钝化效果最好.并对ZnS/聚酰亚胺双层钝化InGaAs探测器进行了电子辐照研究.256元InGaAs探测器阵列与两个CTIA结构128读出电路互连并封装,在室温时,焦平面响应率不均匀性为19.3%.成功实现了室温扫描成像,图像比较清晰.     

320×256中波红外焦平面器件低噪声采集系统设计

根据320×256中波红外焦平面器件内部电路结构特点以及输出微弱模拟信号的特点,系统从低噪声和抗干扰的角度出发,设计了由电源模块、驱动电路、A/D转换电路、数据处理电路、时序控制模块等模块组成的低噪声中波红外焦平面图像数据采集系统。通过噪声测试和成像实验得到,在26℃的室温下,测得的电路噪声为0.1 m V,在1000?s积分时间时系统噪声1.5 m V,各个像元的SNR在62~65 d B之间。     

320×256元InAs/GaSb II类超晶格中波红外双色焦平面探测器

报道了320×256元InAs/GaSb II类超晶格红外双色焦平面阵列探测器的初步结果.探测器采用PN-NP叠层双色外延结构,信号提取采用顺序读出方式.运用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料,双波段红外吸收区的超晶格周期结构分别为7 ML InAs/7 ML GaSb和10 ML InAs/10 ML GaSb.焦平面阵列像元中心距为30μm.在77 K时测试,器件双色波段的50%响应截止波长分别为4.2μm和5.5μm,其中N-on-P器件平均峰值探测率达到6.0×10~(10) cmHz~(1/2)W~(-1),盲元率为8.6%;P-on-N器件平均峰值探测率达到2.3×10~9 cmHz~(1/2)W~(-1),盲元率为9.8%.红外焦平面偏压调节成像测试得到较为清晰的双波段成像.     

128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面探测器

报道了128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面阵列探测器的研究成果.实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料.红外吸收区结构为13 ML(InAs)/9 ML(GaSb),器件采用PIN结构,焦平面阵列光敏元大小为40 μm×40μm.通过台面形成、侧边钝化和金属电极生长,以及与读出电路互连等工艺,得到了128×128面阵长波焦平面探测器.在77 K时测试,器件的100％截止波长为8μm,峰值探测率6.0×109 cmHz1/2 W-1.经红外焦平面成像测试,探测器可得到较为清晰的成像.     

128x128元InAs/GaSb II类超晶格红外焦平面探测器

报道了128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面阵列探测器的研究成果.实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料.红外吸收区结构为13 ML(InAs)/9 ML(GaSb),器件采用PIN结构,焦平面阵列光敏元大小为40μm×40μm.通过台面形成、侧边钝化和金属电极生长,以及与读出电路互连等工艺,得到了128×128面阵长波焦平面探测器.在77 K时测试,器件的100%截止波长为8μm,峰值探测率6.0×109cmHz1/2W-1.经红外焦平面成像测试,探测器可得到较为清晰的成像.     

大面阵CMOS快照模式焦平面读出电路设计分析

针对一款大面阵(640×512元)快照模式制冷型红外焦平面用的读出电路进行了初步分析验证.该读出电路采用改进DI结构,先积分后读出的积分控制模式,像素尺寸为25μm×25μm,芯片已在0.5μm双硅双铝(DPDM)标准CMOS工艺下试制.首先对该电路结构及工作原理进行分析,并对输入级等电路的传输特性进行仿真验证,最后给出探测器阵列与读出电路芯片互连后的测试结果.结果表明该读出电路适用于小像素、大规模的红外焦平面阵列.     

新型量子光电探测器读出与显示

对一种响应近红外的新型量子光电探测器特性进行测试和分析,给出了2×8探测器阵列和读出电路的对接测试结果,设计初步的成像系统采集显示焦平面输出。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基板对接后在77K条件测试,读出电路的线性度好于99.5%,信噪比达到67dB,探测器偏压为-1.5V,积分时间为200μs时探测器率达到1.38×1010cmHz1/2/W,达到实际应用的要求。设计了数据采集卡和成像系统验证了对接样品的实用性。     

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.     

三维成像用128×2线性模式APD焦平面探测器设计

设计了一种用于激光三维成像的128×2线性模式APD焦平面探测器,器件包括硅基APD焦平面阵列和读出电路。硅基APD焦平面阵列采用拉通型n⁺-p-π-p⁺结构,像元中心距为150μm,工作在线性倍增模式。读出电路采用单片集成技术,将前置放大电路、TDC计时电路和ADC等功能模块集成在单一硅片上。整个线性模式APD焦平面探测器可实现128×2阵列规模的激光信号并行检测,并采用LVDS串口输出激光脉冲信号的飞行时间信息和峰值强度信息。测试结果显示,该线性模式APD三维成像探测器可同时获取时间信息和强度信息,成像功能正常。     

320×240元非制冷红外焦平面阵列读出电路

采用1.2 μm DPDM n阱CMOS工艺设计并研制成功320×240热释电非制冷红外焦平面探测器读出电路.该读出电路中心距为50 μm,功耗小于50 mW,主要由X、Y移位寄存器、列放大器、相关双采样电路等构成,采用帧积分工作方式.经测试,研制的读出电路性能指标达到设计要求.给出了单元读出电路的电路结构、工作过程和参数测试结果.采用该读出电路和热释电红外探测阵列互联后,获得了良好的红外热像.     

256×256 Si微透镜阵列与红外焦平面阵列单片集成研究

基于标量衍射理论设计了8位相菲涅尔衍射微透镜阵列.利用多次曝光和离子束刻蚀技术在大规模面阵(256×256)PtSi红外焦平面阵列的背面制作了单片集成微透镜阵列样品(单元面积为30μm×40μm).测试结果表明,单片集成微透镜的红外焦平面阵列样品的信噪比提高了2.0倍.     

一种新型的高均匀性非制冷红外读出电路研究

针对非制冷红外探测器系统,设计了一种高均匀性的读出电路(ROIC)结构。由于非制冷红外焦平面阵列中微测辐射热计的制作工艺存在偏差导致探测器输出存在非均匀性,其中列条纹尤为明显。所提出的读出电路能有效地消除列条纹、提高均匀性。该ROIC已在0.5?m CMOS工艺下成功流片,并应用到阵列大小为320×240的非制冷微测辐射热计焦平面上。测试结果表明:固定图像噪声(FPN)仅为0.088V,无明显列条纹。该ROIC在高均匀性的非制冷红外探测器上有着广泛的应用。     

320×256长波红外探测器低噪声采集系统设计

针对320×256长波红外焦平面探测器工作原理和输出信号特点,从低噪声角度出发,设计了长波红外探测器采集系统,着重解决了如何在满足驱动能力条件下降低噪声问题.对提供精密偏置电压和输出信号处理过程给出了详细的设计思路和实现方法.实验结果表明,系统获得了较好的噪声特性,在300K和310K黑体照射下、探测器积分80μs且远未饱和情况下,平均噪声等效温差为80mK.