CN103698018B - 一种带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器，属于红外成像领域。本发明包括铂硅红外焦平面列阵和电子倍增结构；其中铂硅红外焦平面列阵用于将探测红外信号并将红外信号转换为电信号，电子倍增结构用于将电信号进行倍增放大；所使用的铂硅红外焦平面列阵具有铂硅肖特基势垒型光敏元、垂直移位寄存器以及水平移位寄存器；电子倍增结构是在所述铂硅红外焦平面列阵的硅衬底上扩展一块长条形区域，该长条形区域上具有n个倍增区；电子倍增结构的一端通过在硅衬底上布线与水平移位寄存器的信号输出端连接或者与垂直移位寄存器的信号输出端连接。本发明适用于提高铂硅红外焦平面探测器的灵敏度。

Description

一种带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器
技术领域
本发明涉及带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器，适用于提高铂硅红外焦平面列阵的灵敏度，属于红外成像领域。
背景技术
肖特基势垒探测器(SchottkyBarrierDetector，SBD)是红外光子探测器的一种类型，其代表性材料主要有钯硅(Pd2Si)、铂硅(PtSi)和铱硅(IrSi)，其中以制冷铂硅肖特基势垒中波红外焦平面列阵应用最为广泛。
制冷铂硅肖特基势垒中波红外焦平面列阵利用成熟的集成电路工艺技术和铂硅良好响应均匀性的优点，可制作高像元密度的大规模铂硅红外焦平面探测器。
相比光谱响应范围同为3～5μm的另外两种红外焦平面探测器，碲镉汞(HgCdTe)和锑化铟(InSb)红外焦平面探测器，铂硅红外焦平面探测器的主要优势有：(1)容易制作大规模列阵，如4096×4096；(2)均匀性好，通常小于1％；(3)响应光谱范围宽，如1～5μm；(4)制造成本低；(5)时间稳定性高，如24h。
但是，铂硅红外焦平面探测器的量子效率低，典型值仅为1％，这导致其在红外成像系统中的应用受到了限制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器，解决了传统的铂硅红外焦平面列阵因量子效率低导致热灵敏度不高的问题，改善了铂硅红外焦平面探测器的热灵敏度。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器，包括铂硅红外焦平面列阵和电子倍增结构，所使用的铂硅红外焦平面列阵具有铂硅肖特基势垒型光敏元、垂直埋沟CCD移位寄存器以及水平埋沟CCD移位寄存器；铂硅红外焦平面列阵用于将探测红外辐射并将红外辐射信号转换为电信号，电子倍增结构用于将所述电信号进行倍增放大；
电子倍增结构是在所述铂硅红外焦平面列阵的硅衬底上扩展一块长条形区域，该长条形区域上具有n个倍增区；电子倍增结构的一端作为输入端具有a或b两种连接方式：
a、通过在硅衬底上布线与所述水平埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接；
b、通过在硅衬底上布线与所述垂直埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接；
当采用第a种连接方式时，电子倍增结构的另一端作为输出端，与读出放大器连接，形成铂硅红外焦平面探测器的输出端；
当采用第b种连接方式时，电子倍增结构的另一端连接水平埋沟CCD移位寄存器的一位，水平埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接读出放大器作为探测器的输出端。
优选地，倍增区尺寸一致，在每个倍增区内进行掺杂，掺杂浓度为ρ；其中n为倍增级数，根据探测器灵敏度要求确定放大倍数G，则G＝(1+α)n；其中α的取值在区间[1.01,1.015]之内。ρ由铂硅红外探测器的量子效率以及倍增驱动时序电压幅值初步确定，并通过试验多次调整倍增驱动时序电压幅值与倍增级数的值，直至所获得的放大倍数满足要求。
所述铂硅红外焦平面列阵采用77K液氮制冷。
进一步地，当所述电子倍增结构的一端作为输入端通过在硅衬底上布线与所述水平埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接时：
铂硅红外焦平面列阵包括A×B个铂硅肖特基势垒型光敏元、A个垂直埋沟CCD移位寄存器以及一个水平埋沟CCD移位寄存器；所述垂直埋沟CCD移位寄存器具有B位，每一位均连接一个铂硅肖特基势垒型光敏元；水平埋沟CCD移位寄存器具有A位，每一位连接一个垂直埋沟CCD移位寄存器的信号输出端。
进一步地，当所述电子倍增结构的一端作为输入端通过在硅衬底上布线与所述垂直埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接时：
所述带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器包括C个电子倍增结构；铂硅红外焦平面列阵包括C×D个铂硅肖特基势垒型光敏元、C个垂直埋沟CCD移位寄存器和P个水平埋沟CCD移位寄存器；垂直埋沟CCD移位寄存器具有D位；垂直埋沟CCD移位寄存器的每一位均连接一个铂硅肖特基势垒型光敏元。
当P＝1时，所述水平埋沟CCD移位寄存器具有C位；每个垂直埋沟CCD移位寄存器均通过一个电子倍增结构连接至水平埋沟CCD移位寄存器中的一位。
当P>1时，每个垂直埋沟CCD移位寄存器均连接一个电子倍增结构，将电子倍增结构进行顺序等量分组，每组中的电子倍增结构对应连接至同一个水平埋沟CCD移位寄存器中的一位，水平埋沟CCD移位寄存器的位数与每组的电子倍增结构的数量相同。
有益效果：
1、本发明使用带电子倍增结构的硅CCD作为铂硅红外焦平面列阵的读出电路，让信号在电子倍增结构中倍增放大，而读出噪声仅在放大器中产生，因此读出噪声不变，从而提高探测器的信噪比、同时提高了灵敏度，解决了铂硅红外焦平面探测器热灵敏度低导致其应用受限的问题，并且拓展铂硅红外焦平面探测器在气体成像检漏方面的应用。
2、本发明通过设计多抽头读出的方式，能够选择根据需要，有选择地对信号进行倍增，实现了多功能、多用途的带电子倍增结构的铂硅红外焦平面探测器设计。
附图说明
图1为铂硅肖特基势垒红外焦平面探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例1带有单个电子倍增结构的铂硅红外焦平面探测器结构示意图；
图3为本发明实施例2带有多个电子倍增结构的铂硅红外焦平面探测器结构示意图；
图4为本发明实施例2带有多个电子倍增结构多抽头的铂硅红外焦平面探测器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明所提出的一种带电子倍增结构的铂硅红外焦平面探测器，该种探测器设计的基本思想为：使用传统的铂硅红外焦平面列阵，本实施例中所针对的传统的铂硅红外焦平面列阵结构如图1所示，具有铂硅肖特基势垒型光敏元、垂直埋沟CCD移位寄存器以及水平埋沟CCD移位寄存器；在该传统的铂硅红外焦平面列阵的硅衬底上扩展一块长条形区域，该长条形区域上具有n个倍增区，每个倍增区尺寸相同，在每个倍增区内进行掺杂，掺杂浓度为ρ，由此形成电子倍增结构。铂硅红外焦平面列阵用于将探测红外信号并将红外信号转换为电信号，电子倍增结构用于将电信号进行倍增放大。
电子倍增结构的一端作为输入端具有a或b两种连接方式：
a、通过在硅衬底上布线与所述水平埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接；
b、通过在硅衬底上布线与与所述垂直埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接。
当采用第a种连接方式时，电子倍增结构的另一端作为输出端与读出放大器连接，形成探测器的输出端；；
当采用第b种连接方式时，电子倍增结构的另一端连接水平埋沟CCD移位寄存器的其中一位，水平埋沟CCD移位寄存器的信号输出端作为输出端与读出放大器连接，形成探测器的输出端。
令n为电子倍增结构的电子倍增级数，根据探测器灵敏度要求确定放大倍数G，则G＝(1+α)n；ρ由铂硅红外焦平面列阵的量子效率以及倍增驱动时序电压幅值初步确定，并通过仿真试验多次调整倍增驱动时序电压幅值与倍增级数的值，直至所获得的放大倍数满足要求。
其中α的取值在区间[1.01，1.015]之内。
铂硅红外焦平面列阵采用77K液氮制冷。
实施例1
根据上述基本思想，如果电子倍增结构的一端作为输入端通过在硅衬底上布线与所述水平埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接时：
则所使用的铂硅红外焦平面列阵其在结构上包括A×B个铂硅肖特基势垒型光敏元、A个垂直埋沟CCD移位寄存器以及一个水平埋沟CCD移位寄存器；其中垂直埋沟CCD移位寄存器具有B位；水平埋沟CCD移位寄存器具有A位。
垂直埋沟CCD移位寄存器的每一位均连接一个铂硅肖特基势垒型光敏元，A个垂直埋沟CCD移位寄存器一一连接至水平埋沟CCD移位寄存器的每一位。
水平埋沟CCD移位寄存器具有信号输出端，该信号输出端连接电子倍增结构的输入端，电子倍增结构的输出端进行信号输出，然后连接输出放大器。具体结构如图2所示。
其工作原理为：铂硅肖特基势垒型光敏元响应目标红外辐射信号，并进行光电转换，把红外辐射信号转换成电信号，在转移栅的控制下，将电信号转移到垂直埋沟CCD移位寄存器中对应位，垂直埋沟CCD移位寄存器在垂直CCD时钟脉冲的驱动下，将电信号顺序转移至水平埋沟CCD移位寄存器，水平埋沟CCD移位寄存器在水平CCD时钟脉冲的驱动下，将电信号顺序输出至读出放大器，再由读出放大器输出。
本发明主要针对铂硅肖特基势垒红外焦平面探测器灵敏度低的不足，提出用电子倍增结构作为读出电路，则由于让信号在传输通道电离倍增放大，而读出噪声不会在电子倍增结构中产生，因此提高探测器的信噪比，同时提高探测器灵敏度。
其中电子倍增结构将电信号在传输通道进行倍增放大，放大的倍数记为增益G。
电子倍增结构可以放大信号，降低相对噪声，提高输出信号的信噪比，从而提高热灵敏度，改善了图像质量。
实施例2
针对上述基本思想，当电子倍增结构的一端作为输入端通过在硅衬底上布线与垂直埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接时，本实施例提供了一种带多个电子倍增结构的铂硅红外焦平面探测器结构，该实施例与实施例1不同的是：该探测器具有C个电子倍增结构；其中铂硅红外焦平面列阵包括C×D个铂硅肖特基势垒型光敏元、C个垂直埋沟CCD移位寄存器和P个水平埋沟CCD移位寄存器。垂直埋沟CCD移位寄存器具有D位。
垂直埋沟CCD移位寄存器的每一位均连接一个铂硅肖特基势垒型光敏元；每个垂直埋沟CCD移位寄存器均通过一个电子倍增结构连接至其中一个水平埋沟CCD移位寄存器中的一位。
当P＝1时，所述水平埋沟CCD移位寄存器具有C位；每个垂直埋沟CCD移位寄存器均通过一个电子倍增结构连接至水平埋沟CCD移位寄存器中的一位；具体如图3所示，每个垂直埋沟CCD移位寄存器通过电子倍增结构连接同一个水平埋沟CCD移位寄存器，则铂硅肖特基势垒二极管产生的红外信号经过垂直移位寄存器后即在电子倍增结构中进行倍增放大，放大后的信号进入水平移位寄存器中。
当P>1时，每个垂直埋沟CCD移位寄存器均通过一个电子倍增结构连接至其中一个水平埋沟CCD移位寄存器中的一位。该种结构如图4所示，每个垂直埋沟CCD移位寄存器连接一个电子倍增结构，将电子倍增结构按2的整数倍进行顺序等量分组，每组对应一个水平移位寄存器，每个水平移位寄存器的位数与每组电子倍增结构的数量相同，即该结构根据实际设计成为多抽头读出，由于垂直埋沟CCD移位寄存器的输出是按照顺序进行的，则该中多抽头读出的方式能够大大提高读出速度。
每个水平埋沟CCD移位寄存器均具有一个信号输出端，每个信号输出端均可作为输出端，可以通过连接一个输出放大器进行输出。
本实施例对于每个垂直CCD移位寄存器增加电子倍增结构，这样可以通过调节倍增电压从而有选择的进行倍增信号，还可以根据实际需要实现多抽头结构。从而实现多功能、多用途设计。
本发明所设计的带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器，将对铂硅红外焦平面探测器热灵敏度的改善问题转化成对倍增增益G的控制，而增加增益寄存器的级数，增大电压幅值，以及降低芯片温度等都可以提高增益G。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器，包括铂硅红外焦平面列阵，所使用的铂硅红外焦平面列阵具有铂硅肖特基势垒型光敏元、垂直埋沟CCD移位寄存器以及水平埋沟CCD移位寄存器；其特征在于，所述带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器还包括电子倍增结构和输出放大器；所述铂硅红外焦平面列阵用于探测红外信号并将红外信号转换为电信号，所述电子倍增结构用于将所述电信号进行倍增放大；
所述电子倍增结构是在所述铂硅红外焦平面列阵的硅衬底上扩展一块长条形区域，该长条形区域上具有n个倍增区；电子倍增结构的一端作为输入端具有a或b两种连接方式：
a、通过在硅衬底上布线与所述水平埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接；
b、通过在硅衬底上布线与所述垂直埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接；
当采用a种连接方式时，电子倍增结构的另一端作为输出端，与输出放大器连接，形成带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器的输出端；
当采用b种连接方式时，电子倍增结构的另一端连接水平埋沟CCD移位寄存器的一位，水平埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接输出放大器作为带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器的输出端；
所述倍增区尺寸一致，在每个倍增区内进行掺杂，掺杂浓度为ρ；其中n为倍增级数，根据探测器灵敏度要求确定放大倍数G，则G＝(1+α)n；其中α的取值在区间[1.01,1.015]之内；
ρ由铂硅红外焦平面探测器的量子效率以及倍增驱动时序电压幅值初步确定，并通过试验多次调整倍增驱动时序电压幅值与倍增级数的值，直至所获得的放大倍数满足要求；
所述铂硅红外焦平面列阵采用77K液氮制冷。
2.如权利要求1所述的一种带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器，其特征在于，当所述电子倍增结构的一端作为输入端通过在硅衬底上布线与所述水平埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接时：
所述铂硅红外焦平面列阵包括A×B个铂硅肖特基势垒型光敏元、A个垂直埋沟CCD移位寄存器以及一个水平埋沟CCD移位寄存器；所述垂直埋沟CCD移位寄存器具有B位，每一位均连接一个铂硅肖特基势垒型光敏元；所述水平埋沟CCD移位寄存器具有A位，每一位连接一个垂直埋沟CCD移位寄存器的信号输出端。
3.如权利要求1所述的一种带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器，其特征在于，当所述电子倍增结构的一端作为输入端通过在硅衬底上布线与所述垂直埋沟CCD移位寄存器的信号输出端连接时：
所述带电子倍增的铂硅红外焦平面探测器包括C个电子倍增结构；
所述铂硅红外焦平面列阵包括C×D个铂硅肖特基势垒型光敏元、C个垂直埋沟CCD移位寄存器和P个水平埋沟CCD移位寄存器；
所述垂直埋沟CCD移位寄存器具有D位；
所述垂直埋沟CCD移位寄存器的每一位均连接一个铂硅肖特基势垒型光敏元；
当P＝1时，所述水平埋沟CCD移位寄存器具有C位；每个垂直埋沟CCD移位寄存器均通过一个电子倍增结构连接至水平埋沟CCD移位寄存器中的一位；
当P>1时，每个垂直埋沟CCD移位寄存器均连接一个电子倍增结构，将电子倍增结构进行顺序等量分组，每组对应一个水平埋沟CCD移位寄存器，每组中的电子倍增结构对应连接至同一个水平埋沟CCD移位寄存器中的一位，所述水平埋沟CCD移位寄存器的位数与每组的电子倍增结构的数量相同。
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