紫外與可見探測技術(shù)概述、材料和發(fā)展趨勢

1、紫外與可見探測技術(shù)概述、材料和發(fā)展趨勢第一節(jié)：概述第二節(jié)：紫外與可見探測器分類第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢第一節(jié)：概述 1.1 自然輻射源 人工輻射源 典型的紫外探測應(yīng)用 固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征僅與溫度有關(guān)。固體在溫度升高時顏色的變化1400K物體輻射總能量及能量按波長分布都決定于溫度。800K1000K1200K熱輻射現(xiàn)象第一節(jié)：概述1700K1500K1300K1100K0 1 2 3 4 5 絕對黑體

2、的輻出度按波長分布曲線黑體輻出度實(shí)驗(yàn)曲線第一節(jié)：概述黑體是一個能完全吸收并向外完全輻射入射在它上面的輻射能的理想物體。Eb=Cb（T/100）4式中 Cb黑體的輻射系數(shù)，是用來表征黑體向外發(fā)射輻射能力的熱物理常數(shù)；Cb=5.67W/（m2*K4）黑體應(yīng)用: 測溫領(lǐng)域 輻射溫度計(jì)黑體模型的原理： 一個球殼形的空腔，使空腔壁面保持均勻的溫度，并在空腔上開一個小孔。射入小孔的輻射在空腔內(nèi)要經(jīng)過多次的吸收和反射，而每經(jīng)歷一次吸收，輻射能就按照內(nèi)壁吸收率的大小被減弱一次，最終能離開小孔的能量是微乎其微的，可以認(rèn)為所投入的輻射完全在空腔內(nèi)部被吸收。第一節(jié)：概述第一節(jié)：概述 紫外光電探測對敏感材料的要求紫外

3、線熱輻射能量最高點(diǎn)在10000K以上,不利于熱探測器性能的最優(yōu)化，因此，紫外探測器多以光子型原理實(shí)現(xiàn)探測。第一節(jié)：概述 紫外光的特點(diǎn)254nm紫外光的能量比 555nm可見光光子能量大1倍多紫外與物質(zhì)相互作用特點(diǎn)：穿透能力弱。尤其是200nm以下的短波紫外，只能在真空中傳輸。紫外輻射的熒光效應(yīng)。紫外光電效應(yīng)。第一節(jié)：概述光電探測器分類：紫外探測器紫外光譜的特點(diǎn)人工的紫外線光源有多種氣體的電弧(如低壓汞弧、高壓汞弧)，紫外線有化學(xué)作用能使照相底片感光，熒光作用強(qiáng)，日光燈、各種熒光燈和農(nóng)業(yè)上用來誘殺害蟲的黑光燈都是用紫外線激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光的。紫外線可以防偽,還有生理作用，能殺菌、消毒、治療皮膚病和

4、軟骨病等。紫外線的粒子性較強(qiáng)，能使各種金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)。太陽紫外線通過時的大氣特點(diǎn)：真空紫外（UVD） 氧氣強(qiáng)烈的吸收波長小于200nm的紫外光，只有在太空中才存在這個波段的紫外光，因而稱為真空紫外；短波（UVC:200280nm） 日光中含有的短波紫外線幾乎被臭氧層完全吸收，基本上到達(dá)不了地球的近地表面工作在這個波段的紫外探測稱為日盲紫外探測器；避開了最強(qiáng)大的的太陽紫外所造成的干擾。第一節(jié)：概述太陽紫外線通過時的大氣特點(diǎn)：中波紫外線（UVB:280320nm） 中波紫外線極大部分被皮膚表皮所吸收，對皮膚可產(chǎn)生強(qiáng)烈的光損傷，長久照射皮膚會出現(xiàn)紅斑、炎癥、皮膚老化，嚴(yán)重者可引起皮膚癌。中波紫外線

5、又被稱作紫外線的曬傷（紅）段，是應(yīng)重點(diǎn)預(yù)防的紫外線波段。長波紫外線（UVA:320400nm) 穿透性遠(yuǎn)比中波紫外線要強(qiáng)，引起皮膚變黑，因而也被稱做“曬黑段”。日光中含有的長波紫外線有超過98%能穿透臭氧層和云層,將我們的皮膚曬黑。第一節(jié)：概述太陽、地球表面、天空、外層空間和星體都既可能是輻照源 也可能是干擾源。1.太陽 第一節(jié)：概述紫外輻射源1.1 自然輻射源太陽中心溫度：107K，壓強(qiáng)101016Pa，內(nèi)部發(fā)生氫轉(zhuǎn)換成氦的聚變反應(yīng)，輻射總功率 1026 W，地球接收 1016 W核反應(yīng)層、輻射層、對流層第一節(jié)：概述紫外輻射源自然輻射源2.大氣無云大氣紫外輻亮度低于有云條件；在290320n

6、m范圍內(nèi)輻射亮度隨氣象條件有3個數(shù)量級的變化。（1）日輝：大氣組分吸收太陽輻射并再輻射；白天背景輻射主要在200300nm的輻射；（2）夜輝：白天吸收的太陽輻射在氧氣中儲存了一定能量在夜間釋放形成氣輝。3.氣輝第一節(jié)：概述紫外輻射源自然輻射源4.閃電第一節(jié)：概述紫外輻射源 人工輻射源1.氣體放電光源電子在1100V/cm的電場中加速，激發(fā)和電離，能級躍遷輻射出紫外能量，電弧單位長度功率范圍400W/cm；弧光燈適用的填充氣體范圍從氫氣到氙氣，包括汞氬氣和鈉氬氣，大部分輸出在紫外波段（特別接近254nm）。氫和氘燈在紫外波段能產(chǎn)生強(qiáng)連續(xù)光譜，短波輸出主要受限于窗口的光源透過能力。低壓放電燈高壓弧

7、光燈脈沖弧光第一節(jié)：概述紫外輻射源 人工輻射源2.發(fā)光二極管第一節(jié)：概述紫外輻射源 人工輻射源2.發(fā)光二極管組分與能帶關(guān)系第一節(jié)：概述紫外輻射源 人工輻射源2.發(fā)光二極管光的吸收與發(fā)射原理差異第一節(jié)：概述紫外輻射源 人工輻射源2.發(fā)光二極管簡單的LED驅(qū)動電路第一節(jié)：概述紫外輻射源 人工輻射源3.紫外激光器半導(dǎo)體紫外激光器：具有更高的峰值功率，較低能耗，脈寬窄，無溫度和光學(xué)補(bǔ)償，中紫外波段（AlGaN）紫外輻射激發(fā)效率最高。發(fā)展方向：小體積，功耗（mW量級）。第一節(jié)：概述紫外輻射源 人工輻射源3.紫外激光器氣體紫外激光器：脈沖準(zhǔn)分子，連續(xù)離子，氦鎘及金屬蒸氣激光器，波長取決于氣體混合物類型。常

8、用ArF(193nm), KrCl(222nm)等。頻率10100Hz,脈寬ns量級，功率10100W。第一節(jié)：概述紫外輻射源 人工輻射源3.紫外激光器半導(dǎo)體紫外激光器固體紫外激光器：氙燈泵浦，氪燈泵浦及激光二極管（LD）泵浦全固態(tài)激光器等。LD全固態(tài)激光器效率高、性能可靠、體積小第一節(jié)：概述紫外輻射源 人工輻射源3.紫外激光器激光器LD和發(fā)光二極管LED主要差別：發(fā)光二極管輸出非相干光；半導(dǎo)體激光器輸出相干光。第一節(jié)：概述紫外輻射源 人工輻射源4.導(dǎo)彈飛行發(fā)動機(jī)羽煙是探測、識別和跟蹤來襲導(dǎo)彈的最佳輻射源第一節(jié)：概述紫外輻射源 人工輻射源4.導(dǎo)彈（典型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈）5.飛機(jī)第一節(jié)：概述 典型的紫外

9、探測應(yīng)用1.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈告警第一節(jié)：概述 典型的紫外探測應(yīng)用1.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈告警第一節(jié)：概述 典型的紫外探測應(yīng)用2.天基紫外預(yù)警第一節(jié)：概述 典型的紫外探測應(yīng)用3.紫外安全通信第一節(jié)：概述 典型的紫外探測應(yīng)用4.紫外探測系統(tǒng)其它應(yīng)用紫外寬譜偵查紫外超光譜偵查紫外制導(dǎo)第二節(jié)：紫外與可見探測器分類第二節(jié)：紫外與可見探測器分類第二節(jié)：紫外與可見探測器分類第二節(jié)：紫外與可見探測器分類第二節(jié)：紫外與可見探測器分類第二節(jié)：紫外與可見探測器分類 典型紫外光探測:SiC紫外探測器間接帶隙3.23eV，截止波長380nm。SiC的熱導(dǎo)率、臨界擊穿電場、電子飽和速度等都比Si的高很多，與Si相比更適合于制造紫外光探測器。

10、 用SiC制作的紫外光探測器對可見光和紅外光不敏感，這對于在可見光和紅外光背景中探測紫外輻射是非常重要的。 但由于SiC具有間接帶隙，使得探測器靈敏度受到限制。第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件（a）點(diǎn)接觸型 （b）面接觸型肖特基二極管的結(jié)構(gòu)SiC肖特基結(jié)紫外探測器第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件 第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件 SiC P(I)N結(jié)紫外探測器第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件通過調(diào)節(jié)i層的厚度使之等于待測波長的吸收系數(shù)的倒數(shù)，光電探測器就能在該波長下獲得最大的響應(yīng)度，即可以調(diào)節(jié)峰值響應(yīng)波長。 SiC 雪崩探測器APD單元第三節(jié)

11、：典型紫外與可見探測器件APD線性陣列One pixel40 pixels 2014年諾貝爾獎授予基于GaN的藍(lán)光LED郝綺勇天野皓中村修二第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件典型紫外光探測：GaN基紫外探測器第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件研究歷程：第一階段：探索如何生長質(zhì)量較好的 GaN外延層; 第二階段：利用GaN和中低 Al 組分的AlxGa1-xN材料研制不同類型的紫外探測器，這一時期器件性能較差; 第三階段：主要集中在用高 Al 組分AlxGa1-xN材料( x 0.38) 研制日盲型紫外探測器; 第四階段：主要是探索制造高性能日盲器件并藉此生產(chǎn)實(shí)用化的二維日盲焦平面陣列。第三節(jié)：常見光電

12、探測器的器件結(jié)構(gòu)原理 AlGaN光電導(dǎo)型紫外探測器 第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件AlGaN MSM型紫外探測器 第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件AlGaN PIN結(jié)紫外探測器 （1）光電二極管通常在反偏置條件下工作，即光電導(dǎo)工作模式。優(yōu)點(diǎn)是可以減小光生載流子渡越時間及結(jié)電容，可獲得較寬的線性輸出和較高的響應(yīng)頻率。（2）制作光電二極管的材料很多，有硅、鍺、砷化鎵、碲化鉛等，在可見光區(qū)應(yīng)用最多的是硅光電二極管。典型可見光探測：硅光電二極管第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件 1、硅光電二極管的工作原理 硅光電二極管工作在光電導(dǎo)工作模式。在無光照時，若給p-n結(jié)加上一個適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，流過p-n結(jié)的電流稱

13、反向飽和電流或暗電流。 當(dāng)硅光電二極管被光照時，則在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子將被內(nèi)建電場拉開，在外加電場的作用下形成了以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動為主的光電流。光照越強(qiáng)，光電流就越大。第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件 1、硅光電二極管的工作原理 硅光電二極管可分為以N型硅為襯底的2CU型和以P型硅為襯底的2DU型兩種結(jié)構(gòu)形式。第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件 1、硅光電二極管的工作原理第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件 2、硅光電二極管表面電流產(chǎn)生原因（1）SiO2防反射膜中有少量鈉鉀氫等正離子，靜電感應(yīng)使得P-Si表面產(chǎn)生感應(yīng)電子層，使得P層表面與N層連通，在反偏條件下流出，增大前極暗電流（2）2CU管子的正離

14、子靜電感應(yīng)無法在N型襯底表層產(chǎn)生與P型導(dǎo)電類型相同的導(dǎo)電層，不可能出現(xiàn)表面漏電流，無需環(huán)極。第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件 第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件光電二極管光電三極管無光照時，PN結(jié)硅光電二極管的正、反向特性與普通PN結(jié)二極管的特性一樣。其電流方程為：I0為反向飽和電流有光照時，光生電流表達(dá)式為：光電二極管全電流為：光電三極管的工作原理分為兩部分：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件 第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件 第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像

15、傳感器出現(xiàn)于1969年,它是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、數(shù)字信號處理器和計(jì)算機(jī)接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件，這種器件的結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、成品率高和價(jià)格低廉，有著廣泛的應(yīng)用前景。CCD(Charge-coupled Device,電荷耦合元件) 典型可見光探測：CMOS圖像傳感器第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件CMOS成像器件的組成像敏單元結(jié)構(gòu)工作流程和輔助電路典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu)第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的；像敏單元陣列由光電二極

16、管陣列構(gòu)成。如圖中所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個像敏單元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分別由兩個方向的地址譯碼器進(jìn)行選擇；輸出信號送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號輸出。 CMOS成像器件的組成典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu)第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件圖像信號的輸出過程：在Y方向地址譯碼器（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏單元上的模擬開關(guān)（圖中標(biāo)志的Si,j），信號將通過行開關(guān)傳送到列線上；通過X方向地址譯碼器（可以采用移位寄存器）的控制，輸送到放大器。由于信號經(jīng)行與列開關(guān)輸出，因此，可以實(shí)現(xiàn)逐行掃描或隔行掃描的輸出方式。也可以

17、只輸出某一行或某一列的信號。典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu)第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件注意：在CMOS圖像傳感器的同一芯片中，還可以設(shè)置其他數(shù)字處理電路。例如，可以進(jìn)行自動曝光處理、非均勻性補(bǔ)償、白平衡處理、校正、黑電平控制等處理。甚至于將具有運(yùn)算和可編程功能的DSP器件制作在一起形成多種功能的器件。典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu)第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件像敏單元結(jié)構(gòu)指每個成像單元的電路結(jié)構(gòu)，是CMOS圖像傳感器的核心組件。像敏單元結(jié)構(gòu)有兩種類型，即被動 （無源）像敏單元結(jié)構(gòu)和主動（有源）像敏單元結(jié)構(gòu)。CMOS成像器件的像敏單元結(jié)構(gòu)典型可見光探測：CMOS圖像

18、傳感器的原理結(jié)構(gòu)第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件只包含光電二極管和地址選通開關(guān)兩部分。 被動像敏單元結(jié)構(gòu)典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu)第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件被動像敏單元結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是固定圖案噪聲（FPN）大、圖像信號的信噪比較低。主動像敏單元結(jié)構(gòu)是當(dāng)前得到實(shí)際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。它與被動像敏單元結(jié)構(gòu)的最主要區(qū)別是，在每個像敏單元都經(jīng)過放大后，才通過場效應(yīng)管模擬開關(guān)傳輸，所以固定圖案噪聲大為降低，圖像信號的信噪比顯著提高。典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu)第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件場效應(yīng)管T1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號線上，當(dāng)復(fù)位脈沖到來時，T1導(dǎo)通，光電

19、二極管被瞬時復(fù)位；當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，T1截止，光電二極管開始積分光信號。T2為源極跟隨器，它將光電二極管的高阻抗輸出信號進(jìn)行電流放大。T3用做選址模擬開關(guān)，當(dāng)選通脈沖到來時，T3導(dǎo)通，使被放大的光電信號輸送到列總線上。主動像敏單元結(jié)構(gòu)典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu)第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件復(fù)位脈沖首先來到，T1導(dǎo)通，光電二極管復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，光電二極管進(jìn)行積分光信號；積分結(jié)束時，T3管導(dǎo)通，信號輸出。典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結(jié)構(gòu)第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備半導(dǎo)體的發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體材料（）第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材

20、料制備 材料SiC晶型結(jié)構(gòu)有、型二種，型為六方晶型，型為立方晶型。溫度低于1 600時，SiC以-SiC存在；溫度高于1600時，-SiC通過再結(jié)晶緩慢轉(zhuǎn)變成-SiC的各種型體（4H、6H等）。第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備 SiC材料研究進(jìn)展第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備1）采用升華法制備SiC晶體來開發(fā)各種器件的時期；2）SiC的外延生長等基礎(chǔ)研究時期；3）接近相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用要求的當(dāng)前研究開發(fā)時期。 第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備 第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備SiC薄膜的制備方法薄膜質(zhì)量的高低將直接關(guān)系到其光電性能，進(jìn)而影響其在微電子中的應(yīng)用，因此，制備高質(zhì)量的薄膜

21、尤其重要，同時也是一項(xiàng)非常困難的工作。物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition)濺射法離子注入合成法二次濺射射頻濺射磁控濺射分子束外延（MBE）化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition)低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）熱燈絲化學(xué)氣相沉積（HFCVD）等離子化學(xué)氣相沉積（PECVD）磁控濺射E靶面，B靶面第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備 二次電子與氣體分子碰撞以后，損失能量，其運(yùn)動軌跡會稍微偏離陰極而靠近陽極（陰陽極間距的1/100左右），這樣必須經(jīng)多次碰撞后二次電子才能到達(dá)陽極（基片）。一方面增加了碰撞電離的幾率，另一方面對基片的損傷小。 e2

22、電子可直接到達(dá)陽極，但其比例很少。 氣體電離后的正離子轟擊靶，打出新的e1電子，重復(fù)上述過程。磁控濺射靶的類型適合大面積靶材利用率高，膜厚分布均勻同軸型同軸型S槍型平面型第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備分子束外延（MBE）定義：把所需外延薄膜的各個組分材料，放在噴射爐中，在10-810-10 Pa超高真空條件下，讓組分的原子或分子按一定比例噴射在熱襯底上外延生長成膜。實(shí)質(zhì)：多源反應(yīng)蒸發(fā)法，發(fā)展于70年代。特點(diǎn)： 1、真空度高，殘余氣體污染很小，生長速率可以很低，精確控制，可獲得原子級厚度與平整度的外延層，很適合研究薄膜生長的過程的研究。2、襯底溫度可較低（減少生長應(yīng)力，減弱雜質(zhì)擴(kuò)散），因此

23、外延層界面十分清晰，適合異質(zhì)外延。3、可分別控制每個組分的分子束流，從而精確控制生長層的厚度、組分和摻雜分布。這是VPE、LPE難以做到的。4、分子束外延是動力學(xué)過程，它是將入射的中性粒子（原子、分子）一個一個地堆積在襯底上生長成膜，而不是一個熱力學(xué)過程。所以它可生長熱平衡方法不能生長的薄膜。 第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備基本部分：超高真空系統(tǒng)薄膜生長系統(tǒng)原位檢測系統(tǒng)樣品交換系統(tǒng)分子束外延（MBE）第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備SiH4CVD定義：利用熱、等離子體、紫外線、激光、微波等各種能源，使氣態(tài)物質(zhì)經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)薄膜。它的反應(yīng)物是氣體，生成物之一是固體。特征：必須有化學(xué)

24、反應(yīng)發(fā)生；但PVD中也可能有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，主過程是蒸鍍、濺射這樣的物理搬運(yùn)過程。關(guān)鍵：高純源物質(zhì)、優(yōu)化的沉積條件。 本質(zhì)上是氣固多相化學(xué)反應(yīng)，所以經(jīng)歷(1) 反應(yīng)物分解，產(chǎn)生氣態(tài)的活性原子；(2) 活性原子向基板表面輸運(yùn)擴(kuò)散；(3) 活性原子被基板表面所吸附，并沿表面擴(kuò)散；(4) 活性原子在基板表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)薄膜； (5) 氣體副產(chǎn)物通過基板表面向外擴(kuò)散，解吸而脫離表面。 其中速率最慢的步驟，決定整個CVD過程。第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備 GaN基材料 GaN的禁帶寬度為3.4eV，是直接帶隙半導(dǎo)體，它的

25、熱導(dǎo)、熱穩(wěn)定性、化學(xué)惰性、擊穿電場和帶隙寬度都可與SiC相比。 GaN還具有高的輻射電阻、易制成歐姆接觸和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這對制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的器件非常重要。第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備 三元合金AlxGa1-xN的禁帶寬度隨Al組分的變化可以從GaN(x0)的3.4eV連續(xù)變化到AlN(x=1)的6.2eV，因此理論上講利用這種材料研制的紫外探測器的截止波長可以連續(xù)地從365nm變化到200nm，是制作紫外探測器的理想材料之一。GaN基材料第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備 GaN基材料第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備外延生長：第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備GaN基材料外延技術(shù)難

26、點(diǎn)：1. 襯底和GaN晶格失配和熱失配大，導(dǎo)致外延生長出來的GaN有較多的晶格缺陷、位錯和翹曲等；2. NH3裂解溫度很高，GaN材料的生長溫度下，只有小部分NH3被裂解；3. GaN材料的生長溫度很高，必須考慮熱擴(kuò)散造成的影響；4. TMAl等源與NH3之間存在著嚴(yán)重的預(yù)反應(yīng)；5. 較難獲得高載流子濃度的p-GaN材料。第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備什么樣的wafer是好產(chǎn)品？Si為例第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）定義： 利用金屬有機(jī)化合物熱分解反應(yīng)進(jìn)行氣相外延生長薄膜的CVD技術(shù)。著眼點(diǎn)：選擇特殊的反應(yīng)，來降低反應(yīng)溫度。原料：金屬的烷基，

27、芳基，烴基，乙酰丙酮基衍生物。 族周期BBBBB23456ZnCdHgBAlGaInCSiGeSnPbNPAsSbOSSeTe金屬有機(jī)化合物氫化物第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備液態(tài)金屬有機(jī)源特點(diǎn)：（1）沉積溫度低，減少自污染，提高純度。（2）有利于外延薄膜和極薄膜的生長。 超晶格，異質(zhì)結(jié)（3）適用范圍廣，主要用于， ， 族化合物半導(dǎo)體材料，GaAs、ZnSe、SiC、BaTiO3、BST、YBCO缺點(diǎn)：（1）原料有劇毒；（2）反應(yīng)溫度不能太低，否則有氣相反應(yīng)；（3）均勻性、重復(fù)性差。MOCVD第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備第四節(jié)：紫外與可見探測用

28、敏感材料制備AlXGa1-XAs MOCVD裝置原理圖 MOCVD第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備 ZnO是一種新型的-族直接帶隙寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV。ZnO和GaN同為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有相近的晶格常數(shù)和Eg，且ZnO具有更高的熔點(diǎn)和激子束縛能以及良好的機(jī)電耦合性和較低的電子誘生缺陷。ZnO材料第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備 ZnO薄膜的外延生長溫度較低，有利于降低設(shè)備成本，抑制固相外擴(kuò)散，提高薄膜質(zhì)量，也易于實(shí)現(xiàn)摻雜。 ZnO薄膜所具有的這些優(yōu)異特性，使其在紫外光探測、表面聲波器件、太陽能電池、可變電阻等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 ZnO薄膜傳感器具

29、有響應(yīng)速度快、集成化程度高、功率低、靈敏度高、選擇性好、原料低廉易得等優(yōu)點(diǎn)。ZnO材料第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備 金剛石是禁帶寬度為的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有高載流子遷移率、高擊穿電壓、高熱導(dǎo)率、高摻雜性和化學(xué)惰性，是非常適合于制備探測器件的材料。由于金剛石膜的禁帶寬度比GaN大，在短于230nm的紫外光部分，金剛石膜探測器有很大的光譜響應(yīng)，且具有很強(qiáng)的可見光盲性，它的光生電流比Si探測器高得多，信噪比及信號穩(wěn)定性也比Si的強(qiáng)。金剛石材料第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備電極的暗電流10pA，器件響應(yīng)時間20s 第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)

30、展趨勢紫外探測器的發(fā)展歷史 第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢 第一代紫外探測器第一代紫外探測器（硅基）以單陽極光電倍增管為核心探測器件，不具備成像功能，稱為概略型。體積小、重量輕、低功耗等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是分辨率差、靈敏度低。典型器件有：美國艾連特公司的AAR-47,以色列拉斐爾公司的Guitar-300，南非的MAWS等光電倍增管AAR-47激光告警系統(tǒng) 第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢第二代成像型紫外探測器第二代紫外探測器以硅CCD和微通道光電倍增管（MCP-PMT)為代表視場小于光電倍增管，噪聲小，信噪比比概略型提高了幾個數(shù)量級。精度高，識別能力強(qiáng)動態(tài)范圍更寬，信噪比比CC

31、D型略高，對某些元素檢測的極低下限高于CCD;價(jià)格高，體積大硅CCD原理圖MCP-PMT原理圖信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的存儲信號電荷的檢測信號電荷的轉(zhuǎn)移第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢 第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢第三代成像型紫外探測器以GaN基，ZnO，SiC等寬禁帶半導(dǎo)體為敏感材料的紫外探測器具有響應(yīng)度高，尺寸小，視場大，可陣列成像，速度快，成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)。GaN基紫外探測器ZnO紫外探測器第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢紫外告警技術(shù)導(dǎo)彈中的紫外輻射 導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機(jī)的羽煙由于熱輻射和化學(xué)熒光輻射可產(chǎn)生一定的紫外輻射，且由于后向散射效應(yīng)及導(dǎo)彈運(yùn)動特性，其

32、輻射可被探測系統(tǒng)從各個方向探測到。紫外告警就是通過探測導(dǎo)彈羽煙的紫外輻射，確定導(dǎo)彈來襲方向并實(shí)時發(fā)出警報(bào)，使被保護(hù)平臺及時采取對抗措施如規(guī)避、施放紅外干擾彈或通知交聯(lián)武器(如紅外定向干擾機(jī))實(shí)施干擾 導(dǎo)彈尾焰就是熱的火箭廢氣的運(yùn)動形狀以及在火箭噴嘴外的小粒子燃燒的拖尾。其形狀在結(jié)構(gòu)、速度、溫度方面都是不規(guī)則的。按縱向，羽焰可以分成不同的區(qū)域，包括近場區(qū)域、瞬時區(qū)域和遠(yuǎn)場區(qū)域。羽焰通?？雌饋硎敲髁恋幕鹧妫竺嬗幸粋€冒煙的拖尾。羽焰的尺寸和形狀隨飛行緯度和導(dǎo)彈速度的不同變化非常大 。第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢紫外告警技術(shù)紫外告警的特點(diǎn) 能進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)射和逼近探測1 可覆蓋所有可能的攻

33、擊角2 極低的虛警率3 被動探測不發(fā)射任何電滋波4 與其他告警具有很好的兼容性5 不需要致冷、不需要掃描 6紫外告警是光電技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的一個新分支，從20世紀(jì)60年代一直到70年代初，國外已經(jīng)開始進(jìn)行利用紫外波段探測洲際導(dǎo)彈發(fā)射的研究工作，為此，人們對紫外輻射理論進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)了大氣傳輸計(jì)算程序，掌握了紫外波段的大氣傳輸特性。但后來研究遇到了障礙，人們的興趣再次轉(zhuǎn)向紅外告警。1983年，美國重新考慮利用導(dǎo)彈羽煙的紫外輻射來探測導(dǎo)彈，并在一些基礎(chǔ)研究工作上取得了進(jìn)展，其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是紫外探測器。經(jīng)過幾年的開發(fā)，美國Loral公司研制成功世界上第一臺導(dǎo)彈紫外告警系統(tǒng)，于1988年裝備部隊(duì)

34、并在海灣戰(zhàn)爭中得到成功應(yīng)用。第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢紫外告警技術(shù)美國紫外告警系統(tǒng)進(jìn)展 MAW-2000型導(dǎo)彈告警系統(tǒng) 由美國 Grintek Aviotronics 公司研制的MAW-2000型紫外告警系統(tǒng)，是一種工作在紫外波段的無源導(dǎo)彈發(fā)射探測與逼近告警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可探測逼近的地空和空空威脅導(dǎo)彈并能適時告警。當(dāng)探測到逼近的導(dǎo)彈時，立即啟動箔條和紅外干擾彈投放裝置，自動對威脅實(shí)施干擾。它可借助機(jī)載的電子戰(zhàn)設(shè)備顯示器向機(jī)組人員顯示來襲導(dǎo)彈的方向，同時發(fā)出音響告警信號。特征：全無源探測；虛警率低；不需要飛行中的再校正；無低溫冷卻；瞬間啟動，不需要冷卻時間；先進(jìn)的自測試法。 主要技

35、術(shù)性能： 每一傳感器空間視場：94（錐形）；探測距離：對肩射式導(dǎo)彈5km；多威脅探測能力：接近10個目標(biāo)；重量：每個傳感器：，控制器：；傳感器尺寸：192mm120mm120mm。第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢 紫外告警技術(shù)無源導(dǎo)彈告警裝置 由美國 Lockheed Martin 公司紅外成像系統(tǒng)分公司研制的無源導(dǎo)彈告警裝置能識別假目標(biāo)，當(dāng)在最佳對抗距離時探測并識別逼近導(dǎo)彈威脅，向電子對抗投放裝置發(fā)出信號。其告警系統(tǒng)無源探測來自導(dǎo)彈尾焰的光電信號，而非威脅產(chǎn)生的虛警由光譜選擇和信號處理算法來消除。第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢紫外告警技術(shù)紫外告警設(shè)備的分類第1代概略型紫

36、外告警設(shè)備 以單陽極光電倍增管為核心探測器件,探測導(dǎo)彈羽煙的紫外輻射能量,具有體積小、重量輕、低虛警、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是角分辨率差、靈敏度較低 。概略型紫外告警的典型設(shè)備是美國的AN/AAR47。 第2代成像型紫外告警設(shè)備 以像增強(qiáng)器為核心探測器,精確接收導(dǎo)彈羽煙紫外輻射,并對所觀測的空域進(jìn)行成像探測,識別分類威脅源,具有識別能力強(qiáng)、探測靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。它不但可以引導(dǎo)紅外彈投放器和定向紅外干擾機(jī),且具有很好的態(tài)勢估計(jì)能力 。典型的成像型告警設(shè)備是美國AN/AAR54（V）。 第2代成像型紫外告警設(shè)備與第1代紫外告警設(shè)備最大的不同之處就是紫外傳感器部分，它主要由像增強(qiáng)器，中繼光學(xué)系統(tǒng)和CCD陣

37、列器組成。 第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢紫外告警技術(shù)美國紫外告警系統(tǒng)進(jìn)展AN/AAR-47型導(dǎo)彈告警系統(tǒng) 由美國 Lockheed Martin 公司紅外成像系統(tǒng)分公司研制的AN/AAR-47型導(dǎo)彈告警裝置能探測來襲導(dǎo)彈的紫外輻射，并能為飛行員指示威脅導(dǎo)彈的距離和方位。AN/AAR-47型導(dǎo)彈告警器是一種小型、輕量無源紫外威脅告警系統(tǒng)，可用于保護(hù)直升機(jī)和低空飛機(jī)免受來襲導(dǎo)彈的攻擊。主要技術(shù)性能：360方位角（由6個傳感器給出）；功耗：75w（4個傳感器系統(tǒng)，每個傳感器4w，處理器59w）；尺寸：傳感器為120mm200mm；處理器為203mm257mm204mm；重量：4個傳感器

38、系統(tǒng)：14kg，傳感器：每個，處理器：。第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢 紫外告警技術(shù)第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢美國紫外告警系統(tǒng)進(jìn)展AN/AAR-54（V）無源導(dǎo)彈告警系統(tǒng)（PMAWS） 美國 Northrop Grumman 公司電子傳感器與系統(tǒng)分部和英國國防部研制的AN/AAR-54（V）無源導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)，可用于各種飛機(jī)和地面等平臺，可為戰(zhàn)術(shù)和運(yùn)輸飛機(jī)、直升機(jī)和裝甲戰(zhàn)車提供先進(jìn)的導(dǎo)彈告警。該系統(tǒng)還能夠?yàn)槎ㄏ蚣t外對抗（DIRCM）系統(tǒng)提供導(dǎo)彈跟蹤信息和目標(biāo)指示。由于采用威脅自適應(yīng)設(shè)計(jì)，所以能夠使用通用的硬件和軟件。該系統(tǒng)的到達(dá)分辨角為1，明顯降低了虛警率，其探測

39、距離為現(xiàn)有紫外告警系統(tǒng)的2倍。AAR-54（V）在高雜波環(huán)境下可同時對抗各種威脅，可在全天候、各種高度下運(yùn)行。該系統(tǒng)是由全視角、高分辨率紫外傳感器和一個可調(diào)制的電子設(shè)備組成，可使用16個傳感器來提供全方位探測。在飛行過程中，該系統(tǒng)能進(jìn)行內(nèi)測，為單個傳感器或電子線路的損壞提供可更換部件，進(jìn)行一級保養(yǎng)。第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢 紫外告警技術(shù)其他國家紫外告警系統(tǒng)進(jìn)展德國 - AN/AAR-60型導(dǎo)彈發(fā)射探測系統(tǒng) 由德國利頓公司研制的MILDS AN/AAR-60型導(dǎo)彈發(fā)射探測系統(tǒng)能夠探測并告警潛在來襲導(dǎo)彈，指明到達(dá)方向和離開時顯示導(dǎo)彈尾焰的紫外輻射，使用先進(jìn)軟件算法告警和探測實(shí)時威

40、脅。MILDS AN/AAR-60型導(dǎo)彈發(fā)射探測系統(tǒng)由46個傳感器組成，每個傳感器包括預(yù)處理、信號處理和通信處理器。主機(jī)包括傳感器混合的附加功能。威脅告警包括來襲導(dǎo)彈的方位、高度以及每個導(dǎo)彈的優(yōu)先性。 主要技術(shù)性能：視場：每個傳感器95；高度：每個傳感器95；反應(yīng)時間：；分辨率：1；尺寸：120mm120mm120mm；重量：每個傳感器2kg 。第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢紫外告警技術(shù)德國 - MILDS 型導(dǎo)彈探測系統(tǒng) 由德國Daimler-Benz航天公司和美國Litton應(yīng)用技術(shù)公司聯(lián)合研制的MILDS 型導(dǎo)彈探測系統(tǒng)，可用于探測來襲導(dǎo)彈的逼近，指示導(dǎo)彈的到達(dá)方向和時間。它

41、可自動實(shí)施自衛(wèi)措施，如投放紅外干擾彈，啟動紅外干擾機(jī)以及機(jī)動飛行等。MILDS 型可在“太陽光譜盲區(qū)”對導(dǎo)彈羽焰中的紫外輻射進(jìn)行無源探測，并可對其高分辨率成像。通過先進(jìn)的軟件處理系統(tǒng)可判定威脅并進(jìn)行實(shí)時跟蹤。 主要技術(shù)性能 探測方法：無源紫外成像； 最大探測距離：普通導(dǎo)彈時5km； 探測概率：99%； 虛警率：1/90min； 響應(yīng)時間：； 角分辨率：1； 視場：水平360，豎直70；重量：LRU 2kg，全系統(tǒng)8kg。第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢紫外告警技術(shù)法國 - BAE系統(tǒng)公司通用導(dǎo)彈告警系統(tǒng) 法國宇航防務(wù)2006年4月10日報(bào)道，BAE系統(tǒng)公司贏得5200萬美元的合同，將

42、為美國陸軍提供200套通用導(dǎo)彈告警系統(tǒng)(Common Missile Warning System，CMWS)，以保護(hù)陸軍固定翼和旋翼飛機(jī)免受紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的威脅。CMWS是一種工作在紫外波段的凝視成像導(dǎo)彈告警系統(tǒng)，它與先進(jìn)威脅紅外對抗系統(tǒng)(Advanced Threat Infrared Countermeasures，ATIRCM)、先進(jìn)紅外曳光彈一起構(gòu)成了美國陸軍綜合紅外對抗套件ATIRCM/CMWS。 第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢紫外告警技術(shù)國內(nèi)紫外告警技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀缺乏基礎(chǔ)理論的研究 ： 中科院大氣物理所對太陽紫外輻射的一些觀測和分析，且僅限于利用有關(guān)的計(jì)算軟件進(jìn)行的模擬分析，具體的試驗(yàn)研究還未見