摘要：新型紫外技術(shù)是繼激光探測(cè)技術(shù)和紅外探測(cè)技術(shù)之后發(fā)展起來的又一新型探測(cè)技術(shù)。因此,紫外技術(shù)及紫外攝像器件的開發(fā)研究對(duì)于現(xiàn)代國(guó)防和人民生活都有著極其重要的意義。本文集中介紹了3種紫外器件的發(fā)展水平及應(yīng)用領(lǐng)域,并著重對(duì)SiC、GaN紫外探測(cè)器、紫外CCD、紫外攝像機(jī)以及紫外數(shù)字照像機(jī)等紫外器件在國(guó)防及其它領(lǐng)域中的應(yīng)用作了較詳細(xì)的介紹。

    關(guān)鍵詞：紫外探測(cè)器  紫外CCD  紫外攝像機(jī)  數(shù)字照相機(jī)

1 引言

早在50年代,人們即開始了對(duì)紫外探測(cè)技術(shù)的研究。紫外探測(cè)技術(shù)是繼紅外和激光探測(cè)技術(shù)之后發(fā)展起來的一軍民兩用光電探測(cè)技術(shù)。紫外探測(cè)技術(shù)在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,特別是近幾年在皮膚病診斷方面有著獨(dú)特的應(yīng)用效果。利用紫外探測(cè)技術(shù)在檢測(cè)診斷皮膚病時(shí)可直接看到病變細(xì)節(jié)。也可用它來檢測(cè)癌細(xì)胞、微生物、血色素、白血球、紅血球、細(xì)胞核等,平種檢測(cè)不但迅速、準(zhǔn)確,而且直觀、清楚。但是,由于電子器件的靈敏度低,一起未能廣泛的應(yīng)用。直到90年代,日本開發(fā)出雪崩倍增靶（HARP）攝像管、使得紫外攝像器件獲得了較高的靈敏度和較合適的光譜范圍,紫外攝像器件也因此而獲得廣泛的應(yīng)用。

由于HARP靶攝像管本身體積大,功耗大、工作電壓高,所以,由它組裝的紫外成像系統(tǒng)的體積也較大,而且功耗和成本高,因此限制了紫外成像系統(tǒng)的應(yīng)用�；�于這種情況,在紫外探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域,人們一直在開發(fā)和研究能滿足應(yīng)用需要的紫外探測(cè)器、紫外傳感器、紫外CCD等固體紫外攝像器件,并且取得了較大進(jìn)展。在軍事上,它主要用于紫外告警、紫外通訊、紫外/紅外復(fù)合制導(dǎo)和導(dǎo)彈探測(cè)等方面。

2 紫外探測(cè)器件

2.1 紫外探測(cè)器

a.SiC紫外探測(cè)器

該產(chǎn)品是SiC的光激勵(lì)型紫外探測(cè)器。因?yàn)樗�只�?duì)波長(zhǎng)40nm以上的光選擇性吸收,所以不需要可見光、近紅外光的保護(hù)濾光片,與硅探測(cè)器相比,其紫外光的吸收要大兩個(gè)數(shù)量級(jí),并且不需要表面加工處理,可保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。另外,靈敏度和暗電流在使用溫度條件內(nèi)幾乎不受溫度變化的影響,可在700K的高溫下使用。

b.GaN基紫外探測(cè)器

由于GaN材料在365nm（紫外光）波段具有很尖的截止響應(yīng)特性,因而降低了對(duì)濾波器的要求,這使得GaN基的光探測(cè)器具有能夠在不受長(zhǎng)波長(zhǎng)輻射的影響下,在紫外光波段監(jiān)測(cè)太陽訊盲區(qū)（Solar Blind）的特性。目前美國(guó)APA光學(xué)公司已經(jīng)在這種新型器件是在藍(lán)寶石襯底上采用GaN肖特基二極管制作而成的。

GaN基紫外探測(cè)器的應(yīng)用包括火焰?zhèn)鞲�、臭氧監(jiān)測(cè)、血液分析儀、水銀燈消毒控制、激光探測(cè)器及其它要求具有太陽盲區(qū)特性方面的應(yīng)用。

2.2 紫外傳感器

1999年初,美國(guó)科羅拉多（Colorrado）洲衛(wèi)生保健制器公司推出一種可準(zhǔn)確測(cè)量太陽紫外線的傳感器,并已以市場(chǎng)出售。

該傳感器裝有兩個(gè)刻度儀,一個(gè)是用來顯示日光浴者的皮膚類型,因?yàn)椴煌�的皮膚類型的抗輻射能力不同;另一個(gè)刻度儀是顯示護(hù)膚指數(shù)的,即日光浴者使用的防曬制器的效能指數(shù)。使用這種傳感器可以測(cè)量出太陽紫外強(qiáng)度和對(duì)皮膚或浴衣的照射量以及日光照射時(shí)間的安全量。綜可以使日光浴者當(dāng)場(chǎng)即可測(cè)出紫外線對(duì)皮膚的輻射程度,并能告訴人們什么時(shí)候的日光最適合日光浴。

1999年日本大坂氣體公司在MOVPEE生長(zhǎng)的AlxGal-xN上制備成低強(qiáng)度紫外光電探測(cè)器。在低位錯(cuò)密度層（6×10 7～1×10 9cm -2）上制備的金屬—半導(dǎo)體—金屬（MSM）探測(cè)器可顯示非常低的暗電流（在10V下低于50fA）,并在紫外和可見光之間得到了3個(gè)數(shù)量級(jí)的衰減比,其截止波長(zhǎng)在X=0和X=0.43時(shí)分別為365nm和270nm。另外,該公司還利用AlGaN研制成AlGaN紫外（365nm）光電二極管陣列。

2.3 紫外CCD

一般紫外輻射的波長(zhǎng)范圍為100nm～400nm。紫外（UV）光子在硅中的吸收系數(shù)是很高的。由于CCD是MOS結(jié)構(gòu)器件,SiO2柵介質(zhì)和多晶硅（Poly-Si）柵對(duì)UV光子均有較高的吸收系數(shù)。因此,CCD用于UV光子探測(cè)是非常困難的,因?yàn)閁V光子幾乎不能到達(dá)硅襯底。

為了避免UV光子在CCD表面多層結(jié)構(gòu)中被吸收,目前采用的方法是：

（1）在CCD表面淀積一層對(duì)UV光子敏感的磷光特質(zhì),并通過適當(dāng)選擇磷光物質(zhì),將紫外信息轉(zhuǎn)換成與CCD光譜響應(yīng)相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。這種磷光物質(zhì)可以選擇暈苯。當(dāng)受波長(zhǎng)小于0.4μm(400nm)的紫外輻射激發(fā)時(shí),暈苯發(fā)出熒光,其在可見光譜的綠光波段,峰值接近500nm。CCD在覆蓋暈苯前后的光譜響應(yīng)如圖1所示;

（2）采用背面照射方式,要形成電荷載流子的產(chǎn)生區(qū)和收集區(qū),CCD襯底必須減薄,減薄后的厚度典型值約為10μm。當(dāng)然,減薄工藝及隨后進(jìn)行的精細(xì)處理增加了制作難度,但對(duì)UV探測(cè)而言是值得的。背面減薄引起的一個(gè)主面難題是在硅的腐蝕表面通常有高濃度的復(fù)合中心。UV光子在靠近硅背面的表面處被吸收以產(chǎn)生電子空穴對(duì)。許多光電子在被收集到CCD正面之前已被復(fù)合掉。為了解決此問題,通過注入在已減薄的CCD背面形成一很淺的P層的方法可產(chǎn)生一個(gè)附加電場(chǎng),從而將光生電子驅(qū)趕到正面而不被復(fù)合掉。當(dāng)然,注入后再進(jìn)一步進(jìn)行高溫處理對(duì)器件不利,但可以采用快速激光退火來解決;

（3）采用深耗盡CCD方法。采用輕摻雜、高電阻率被底,CCD柵下的耗盡區(qū)被擴(kuò)展至硅片背而。由背面入射的UV光子產(chǎn)生的電子被耗盡區(qū)中的電場(chǎng)掃進(jìn)正面。這種深耗盡CCD方法不僅避免了多晶硅柵的吸收,而且避免了常規(guī)摻雜濃度背照CCD必須的減薄。耗盡方法的另一優(yōu)點(diǎn)是硅片后的高溫工序可以進(jìn)行,并可獲得各種各樣的鈍化結(jié)構(gòu)。

圖1給出了CCD表面淀積磷光體前后的光譜響應(yīng)。

圖2給出深耗盡CCD的剖面結(jié)構(gòu)。背面注入的P+層可通過降低器件暗電流和增加量子效率來改善CCD背面的特性。這種深耗盡CCD襯底的厚度大約為150μm,電阻率為4kΩ.cm～10kΩ.cm。

深耗盡CCD方法的缺點(diǎn)是暗電流長(zhǎng),暗電流隨空間電荷區(qū)的體積線性增加。在室溫時(shí)暗電流較大,但暗電流將隨溫度的降低顯著下降。對(duì)大多數(shù)學(xué)科的UV應(yīng)用來說,都很容易實(shí)現(xiàn)致冷,因而暗電流不再是一個(gè)問題。

紫外CCD是將硅CCD減薄后涂熒光物質(zhì)把紫外光耦合進(jìn)器件的,它可使器件具有在波長(zhǎng)從真空紫外到近紅外波段攝像的能力。1997年美國(guó)國(guó)家航空航天局研制成功新穎的256×256像元GaN紫外CCD,它是把GaN紫外光探測(cè)器與硅CCD多路傳輸器通過銦柱倒裝互連而成的混合紫外CCD。從發(fā)展趨勢(shì)來看,隨著GaN、SiC和AlGaN紫外光探測(cè)器工藝技術(shù)的不斷改善,GaN、SiC和AlGaN紫外CCD將是今后紫外成像器件的主要發(fā)展方向。并將廣泛用于軍民兩用領(lǐng)域,特別是在軍事上（如紫外告警、紫外通訊、紫外/紅外復(fù)合制導(dǎo)等）的應(yīng)用更將引起軍方的極大關(guān)注。

紫外CCD攝像機(jī)是以δ(delta)摻雜CCD技術(shù)為基礎(chǔ)的,它包括一個(gè)2.5nm厚的硅摻雜層,該摻雜層用分子束外延（MBE）生長(zhǎng)在一個(gè)薄的CCD背面,δ摻雜能增強(qiáng)對(duì)由紫外光子照射產(chǎn)生的電子的探測(cè)能力,效率幾乎可達(dá)200%,為增強(qiáng)0.3～0.7μm的靈敏度,可在傳感器陣列涂上抗反射涂層,這樣可使激活區(qū)的畫面?zhèn)鬟f達(dá)到256×512像元,有效速度為30幀/秒,為便于攝像機(jī)操作,其中還可裝入實(shí)用的電子部件。

1998年,日本濱板公司開發(fā)成功了新型紫外固體攝像器件—薄型背照式電荷耦合器件（BT—CCD=Back Thinned Charge Coupled Device）,由于采用了特殊的制造工藝和特殊的鎖相技術(shù),該BTCD不僅具有固體攝像器件的一般優(yōu)點(diǎn),而且具有噪聲低,靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。

BTCCD是一種薄型背照式攝像器件,它主要由三部分組成：垂直CCD移位寄存器,水平CCD移位寄存器和鎖定放大器。在時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下,信號(hào)電荷由垂直CCD移位寄存器一步一步地輸送到水平CCD移位寄存器,再由鎖相（定）放大器變換成電壓信號(hào)輸出。其框圖如圖3所示。

其中鎖相放大器作用較重要,它有很高的電荷—電壓變換靈敏度和很低的噪聲,因而它的信噪比和靈敏度都很高。

BTCCD有很高的紫外光靈敏度,它在紫外波段的量子效率如圖4所示。從圖中可以看到,在紫外波段,量子效率超過40%,可見光部分超過80%,甚至可以達(dá)到90%左右�？梢�,BTCCD不僅可工作于紫外光,也可工作于可光。因此BTCCD是一種很優(yōu)秀的寬波段攝像器件。

BTCCD之所以有很高的靈敏度,這主要是由其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。首先,與FI-CCD相比,硅層厚度從數(shù)百微米減薄到20μm以下;其次,它采用背照射結(jié)構(gòu),因此紫外光不必再穿越鈍化層。

另外,濱松公司又開發(fā)出MOS（Metal Oxide Semiconductor）攝像器件,這種紫外線MOS攝像器件的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,制造也相對(duì)容易。它的量子效率如圖5所示。它在紫外區(qū)的量子效率可達(dá)30%,并有較高的紫外光靈敏度。

BTCCD攝像器和MOS攝像器的比較如表1所列。從表1看到,BTCCD確有很高的性能。

表1 BT-CCD和MOS攝像器的比較