光电探测技术课件

1、第一节：概述第一节：概述第二节：第二节：紫外与可见探测器分类紫外与可见探测器分类第三节：典型紫外与可见探测器件第三节：典型紫外与可见探测器件第四节：紫外与可见探测用敏感材料制备第四节：紫外与可见探测用敏感材料制备第五节：紫外与可见探测器件的研究与发展趋势第五节：紫外与可见探测器件的研究与发展趋势概述概述 1.1 1.1 自然辐射源自然辐射源1.21.2 人工辐射源人工辐射源1.31.3 典型的紫外探测应用典型的紫外探测应用 固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发

2、射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征仅与温度有关。特征仅与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化1400K物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。800K1000K1200K热辐射现象热辐射现象概述概述1700K1500K1300K1100K)/()(120mcmWTM0 1 2 3 4 5 m/绝对黑体的辐出度按波长分布曲线绝对黑体的辐出度按波长分布曲线黑体辐出度实验曲线黑体辐出度实验曲线概述概述黑体是一个能完全吸收并向外完全辐射入射在它上面的辐黑体是一个能完全吸收并向

3、外完全辐射入射在它上面的辐射能的理想物体。射能的理想物体。Eb=Cb（T/100）4式中 Cb黑体的辐射系数，是用来表征黑体向外发射辐射能力的热物理常数；Cb=5.67W/（m2*K4）黑体应用黑体应用: 测温领域测温领域 辐射温度计辐射温度计黑体模型的原理：黑体模型的原理： 一个球壳形的空腔，使空腔壁面一个球壳形的空腔，使空腔壁面保持均匀的温度，并在空腔上开一个保持均匀的温度，并在空腔上开一个小孔。射入小孔的辐射在空腔内要经小孔。射入小孔的辐射在空腔内要经过多次的吸收和反射，而每经历一次过多次的吸收和反射，而每经历一次吸收，辐射能就按照内壁吸收率的大吸收，辐射能就按照内壁吸收率的大小被减弱一

4、次，最终能离开小孔的能小被减弱一次，最终能离开小孔的能量是微乎其微的，可以认为所投入的量是微乎其微的，可以认为所投入的辐射完全在空腔内部被吸收。辐射完全在空腔内部被吸收。概述概述概述概述 l 紫外光电探测对敏感材料的要求紫外光电探测对敏感材料的要求紫外线热辐射能量最高点在10000K以上,不利于热探测器性能的最优化，因此，紫外探测器多以光子型原理实现探测。概述概述 紫外光的特点紫外光的特点 254nm紫外光的能量比紫外光的能量比 555nm可见光光子能量大可见光光子能量大1倍多倍多紫外与物质相互作用特点：紫外与物质相互作用特点：穿透能力弱。尤其是穿透能力弱。尤其是200nm以下的短波紫外，以下

5、的短波紫外，只能在真空中传输。只能在真空中传输。紫外辐射的荧光效应。紫外辐射的荧光效应。 紫外光电效应。紫外光电效应。概述概述光电探测器分类：光电探测器分类：紫外探测器紫外探测器l紫外光谱的特点紫外光谱的特点 nm910290人工的紫外线光源有多种气体的电弧(如低压汞弧、高压汞弧)，紫外线有化学作用能使照相底片感光，荧光作用强，日光灯、各种荧光灯和农业上用来诱杀害虫的黑光灯都是用紫外线激发荧光物质发光的。紫外线可以防伪,还有生理作用，能杀菌、消毒、治疗皮肤病和软骨病等。紫外线的粒子性较强，能使各种金属产生光电效应。太阳紫外线通过时的大气太阳紫外线通过时的大气特点特点：l 真空紫外（真空紫外（U

6、VDUVD） 氧气氧气强烈的强烈的吸收波长小于吸收波长小于200nm200nm的紫外的紫外光，只有在太空中才存在这个波段的紫光，只有在太空中才存在这个波段的紫外光，因而称为真空紫外；外光，因而称为真空紫外；l 短波（短波（UVUVC:C:200200280nm280nm） 日光中含有的日光中含有的短波紫外线几乎被臭氧层短波紫外线几乎被臭氧层完全吸收完全吸收，基本上到达不了地球的近地，基本上到达不了地球的近地表面工作在这个波段的紫外探测称为表面工作在这个波段的紫外探测称为日日盲盲紫外探测器；避开了最强大的的太阳紫外探测器；避开了最强大的的太阳紫外所造成的干扰。紫外所造成的干扰。概述概述太阳紫外线

7、通过时的大气太阳紫外线通过时的大气特点特点：l 中波紫外线（中波紫外线（UVBUVB: :280280320nm320nm） 中波紫外线极大部分被皮肤表皮所吸中波紫外线极大部分被皮肤表皮所吸收，对皮肤可产生强烈的光损伤，长久收，对皮肤可产生强烈的光损伤，长久照射皮肤会出现红斑、炎症、皮肤老化照射皮肤会出现红斑、炎症、皮肤老化，严重者可引起，严重者可引起皮肤癌皮肤癌。中波紫外线又。中波紫外线又被称作紫外线的晒伤（红）段，是应重被称作紫外线的晒伤（红）段，是应重点预防的紫外线波段。点预防的紫外线波段。l 长波紫外线（长波紫外线（UVA:UVA:320320400nm400nm) ) 穿透性远比中波

8、紫外线要强穿透性远比中波紫外线要强，引起皮，引起皮肤变黑，因而也被称做肤变黑，因而也被称做“晒黑段晒黑段”。日日光中含有的长波紫外线有超过光中含有的长波紫外线有超过98%98%能穿能穿透臭氧层和云层透臭氧层和云层, ,将我们的皮肤晒黑。将我们的皮肤晒黑。概述概述太阳、地球表面、天空、外层空间和星体太阳、地球表面、天空、外层空间和星体都既可能是辐照源都既可能是辐照源 也可能是干扰源。也可能是干扰源。1.1.太阳太阳 概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.1 1.1 自然辐射源自然辐射源太阳中心温度：太阳中心温度：1.51.5 10107 7K K，压，压强强1010 10101616PaPa，内部发生

9、氢转换，内部发生氢转换成氦的聚变反应，成氦的聚变反应，辐射总功率辐射总功率3.83.8 10102626 W W，地球接收，地球接收1.71.7 10101616 W W核反应层、辐射层、对流层概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.11.1自然辐射源自然辐射源2.2.大气大气无云无云大气紫外辐亮度低于大气紫外辐亮度低于有云有云条件；在条件；在290290320nm320nm范围内辐范围内辐射亮度随气象条件有射亮度随气象条件有3 3个数量级个数量级的变化。的变化。（1 1）日辉：）日辉：大气组分吸收太大气组分吸收太阳辐射并再辐射；白天背景阳辐射并再辐射；白天背景辐射主要在辐射主要在200200300n

10、m300nm的辐的辐射；射；（2 2）夜辉：）夜辉：白天吸收的太阳白天吸收的太阳辐射在氧气中储存了一定能辐射在氧气中储存了一定能量在夜间释放形成气辉。量在夜间释放形成气辉。3.3.气辉气辉概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.11.1自然辐射源自然辐射源4.4.闪电闪电概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.21.2 人工辐射源人工辐射源1.1.气体放电光源气体放电光源l 电子在电子在1 1100V/cm100V/cm的电场中加速，激发和电离，能级跃迁辐射出紫外的电场中加速，激发和电离，能级跃迁辐射出紫外能量，电弧单位长度功率范围能量，电弧单位长度功率范围0.10.1400W/cm400W/cm；l 弧光灯

11、适用的填充气体范围从氢气到氙气，包括弧光灯适用的填充气体范围从氢气到氙气，包括汞氩气汞氩气和和钠氩气钠氩气，大部分输出在紫外波段（，大部分输出在紫外波段（特别接近特别接近254nm254nm）。氢和氘灯在紫外波段）。氢和氘灯在紫外波段能产生强连续光谱，短波输出主要受限于窗口的光源透过能力。能产生强连续光谱，短波输出主要受限于窗口的光源透过能力。低压放电灯低压放电灯高压弧光灯高压弧光灯脉冲弧光脉冲弧光概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.21.2 人工辐射源人工辐射源2.2.发光二极管发光二极管概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.21.2 人工辐射源人工辐射源2.2.发光二极管发光二极管组分与能带关系组分

12、与能带关系概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.21.2 人工辐射源人工辐射源2.2.发光二极管发光二极管光的吸收与发射原理差异光的吸收与发射原理差异概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.21.2 人工辐射源人工辐射源2.2.发光二极管发光二极管简单的简单的LEDLED驱动电路驱动电路概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.21.2 人工辐射源人工辐射源3.3.紫外激光器紫外激光器半导体紫外激光器：具有半导体紫外激光器：具有更高更高的峰值的峰值功率功率，较，较低能耗低能耗，脉宽窄脉宽窄，无无温度和光学补偿温度和光学补偿，中紫外波段（，中紫外波段（AlGaNAlGaN）紫外辐射激发效率最高。）紫外辐射激发效率最高。

13、发展方向：发展方向：小体积，功耗小体积，功耗（mWmW量级）。量级）。概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.21.2 人工辐射源人工辐射源3.3.紫外激光器紫外激光器气体紫外激光器：脉冲气体紫外激光器：脉冲准分子，连续离子，氦准分子，连续离子，氦镉及金属蒸气激光器镉及金属蒸气激光器，波长取决于气体混合，波长取决于气体混合物类型。常用物类型。常用ArF(193nm), ArF(193nm), KrCl(222nm)KrCl(222nm)等。频率等。频率1010100Hz,100Hz,脉宽脉宽nsns量级量级，功率，功率1010100W100W。概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.21.2 人工辐射源人工辐

14、射源3.3.紫外激光器紫外激光器半导体紫外激光器半导体紫外激光器固体紫外激光器：氙灯泵浦，氪灯泵浦及激光二极管（固体紫外激光器：氙灯泵浦，氪灯泵浦及激光二极管（LDLD）泵浦全）泵浦全固态激光器等。固态激光器等。LDLD全固态激光器效率高、性能可靠、体积小全固态激光器效率高、性能可靠、体积小概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.21.2 人工辐射源人工辐射源3.3.紫外激光器紫外激光器激光器激光器LD和发光二极管和发光二极管LED主要差别主要差别：发光二极管输出非相干光；发光二极管输出非相干光；半导体激光器输出相干光。半导体激光器输出相干光。概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.21.2 人工辐射源人工辐

15、射源4.4.导弹导弹概述概述紫外辐射源紫外辐射源1.21.2 人工辐射源人工辐射源4.4.导弹（典型战术导弹）导弹（典型战术导弹）5.5.飞机飞机概述概述1.31.3 典型的紫外探测应用典型的紫外探测应用1.1.战术导弹告警战术导弹告警概述概述1.31.3 典型的紫外探测应用典型的紫外探测应用1.1.战术导弹告警战术导弹告警概述概述1.31.3 典型的紫外探测应用典型的紫外探测应用2.2.天基紫外预警天基紫外预警概述概述1.31.3 典型的紫外探测应用典型的紫外探测应用3.3.紫外安全通信紫外安全通信概述概述1.31.3 典型的紫外探测应用典型的紫外探测应用4.4.紫外探测系统其它应用紫外探测

16、系统其它应用紫外宽谱侦查紫外宽谱侦查紫外超光谱侦查紫外超光谱侦查紫外制导紫外制导紫外与可见探测器分类紫外与可见探测器分类紫外与可见探测器分类紫外与可见探测器分类紫外与可见探测器分类紫外与可见探测器分类紫外与可见探测器分类紫外与可见探测器分类紫外与可见探测器分类紫外与可见探测器分类紫外与可见探测器分类紫外与可见探测器分类 典型典型紫外紫外光探测光探测:SiC:SiC紫外探测器紫外探测器u间接带隙间接带隙3.23eV3.23eV，截止波长，截止波长380nm380nm。uSiCSiC的热导率、临界击穿电场、电子饱和速度等都比的热导率、临界击穿电场、电子饱和速度等都比SiSi的高很多，与的高很多，与

17、SiSi相比更适合于制造紫外光探测器。相比更适合于制造紫外光探测器。 用用SiCSiC制作的紫外光探测器对可见光和红外光不敏感，这对于在可见制作的紫外光探测器对可见光和红外光不敏感，这对于在可见光和红外光背景中探测紫外辐射是非常重要的。光和红外光背景中探测紫外辐射是非常重要的。 但由于但由于SiCSiC具有间接带隙，使得探测器灵敏度受到限制。具有间接带隙，使得探测器灵敏度受到限制。典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件（a）点接触型）点接触型 （b）面接触型）面接触型肖特基二极管的结构肖特基二极管的结构典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器

18、件 典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件 典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件通过调节通过调节i层的厚度使之等于待测波长的吸收层的厚度使之等于待测波长的吸收系数的倒数，光电探测器就能在该波长下获得系数的倒数，光电探测器就能在该波长下获得最大的响应度，即可以调节峰值响应波长。最大的响应度，即可以调节峰值响应波长。 APDAPD单元单元典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件APDAPD线性阵列线性阵列One pixel40 pixels 20142014年诺贝尔奖授予基于年诺贝尔奖授予基于GaNGaN的蓝光的蓝光LEDLED郝绮勇郝

19、绮勇天野皓天野皓中村修二中村修二典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件典型典型紫外紫外光探测光探测：GaNGaN基紫外探测器基紫外探测器典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件研究历程：研究历程：第一阶段：第一阶段：探索如何生长质量较好的探索如何生长质量较好的 GaN外延层外延层; 第二阶段：第二阶段：利用利用GaN和中低和中低 Al 组分的组分的AlxGa1-xN材料研制材料研制不同类型的紫外探测器，这一时期器件性能较差不同类型的紫外探测器，这一时期器件性能较差; 第三阶段：第三阶段：主要集中在用高主要集中在用高 Al 组分组分AlxGa1-xN材料材料( x 0.38) 研制日盲

20、型紫外探测器研制日盲型紫外探测器; 第四阶段：第四阶段：主要是探索制造高性能日盲器件并藉此生产主要是探索制造高性能日盲器件并藉此生产实用化的二维日盲焦平面阵列。实用化的二维日盲焦平面阵列。常见光电探测器的器件结构原理常见光电探测器的器件结构原理 典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件 典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件 典型可见光探测：硅光电二极管典型可见光探测：硅光电二极管典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件 1 1、硅光电二极管的工作原理、硅光电二极管的工作原理 硅光电二极管工作在光电导工作模式。在无光照时，若硅光电二极管工作在光电导工作模式。在无光照时，若给给p-

21、np-n结加上一个适当的结加上一个适当的反向电压反向电压，流过，流过p-np-n结的电流称反向结的电流称反向饱和电流或饱和电流或暗电流暗电流。 当硅光电二极管被光照时，则当硅光电二极管被光照时，则在结区产生的光生载流子将被内在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，在外加电场的作用建电场拉开，在外加电场的作用下形成了以少数载流子漂移运动下形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。为主的光电流。光照越强，光电光照越强，光电流就越大流就越大。典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件 1 1、硅光电二极管的工作原理、硅光电二极管的工作原理 硅光电二极管可分为硅光电二极管可分为以以N N型硅为衬底的型

22、硅为衬底的2CU2CU型型和以和以P P型硅型硅为衬底的为衬底的2DU2DU型型两种结构形式。两种结构形式。典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件 1 1、硅光电二极管的工作原理、硅光电二极管的工作原理典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件 2 2、硅光电二极管表面电流产生原因、硅光电二极管表面电流产生原因典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件 典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管无光照时，PN结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样。其电流方程为：10kTqUDeIII0为反向饱和电流有光照时，光生电流表达式为

23、：,1edpehvqI110,kTqUedeIehvqI光电二极管全电流为：光电三极管的工作原理分为两部分：光电三极管的工作原理分为两部分：一是光电转换；二是光电流放大。一是光电转换；二是光电流放大。典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件 典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件 典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图

24、像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。CCD(Charge-coupled Device,电荷耦合元件) 典型可见光探测：典型可见光探测：CMOSCMOS图像传感器图像传感器典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件CMOS成像器件的组成像敏单元结构工作流程和辅助电路典型可见光探测：典型可见光探测：CMOSCMOS图像传感器的原理结构图像传感器的原理结构典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件它的主要组成部分是它的主要组成部分是像敏单元阵像敏单元阵列和列和MOS场效应管集成电路，而且场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的这两部分是

25、集成在同一硅片上的；像敏单元阵列由像敏单元阵列由光电二极管阵列光电二极管阵列构成。构成。如图中所示的像敏单元阵列按如图中所示的像敏单元阵列按X和和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在像敏单元都有它在X，Y各方向上的地各方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；输出信号送进行选择；输出信号送A/D转换器进行转换器进行模数转换变成数字信号输出。模数转换变成数字信号输出。 CMOS成像器件的组成典型可见光探测：典型可见光探测：CMOSCMOS图像传感器的原理结构图像传感器的原理结构典型紫外与可见探测器件典型紫外与

26、可见探测器件图像信号的输出过程：在Y方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关（图中标志的Si,j），信号将通过行开关传送到列线上；通过X方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制，输送到放大器。由于信号经行与列开关输出，因此，可以实现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以只输出某一行或某一列的信号。典型可见光探测：典型可见光探测：CMOSCMOS图像传感器的原理结构图像传感器的原理结构典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件注意：在CMOS图像传感器的同一芯片中，还可以设置其他数字处理电路。例如，可以进行自动曝光处理、非均匀性补偿、白平衡处理、校正、黑

27、电平控制等处理。甚至于将具有运算和可编程功能的DSP器件制作在一起形成多种功能的器件。典型可见光探测：典型可见光探测：CMOSCMOS图像传感器的原理结构图像传感器的原理结构典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件像敏单元结构指每个成像单元的电路结构，是像敏单元结构指每个成像单元的电路结构，是CMOS图图像传感器的核心组件。像敏单元结构有两种类型，即像传感器的核心组件。像敏单元结构有两种类型，即被被动动 （无源）像敏单元结构（无源）像敏单元结构和和主动（有源）像敏单元结构主动（有源）像敏单元结构。CMOS成像器件的像敏单元结构典型可见光探测：典型可见光探测：CMOSCMOS图像传感器的原理

28、结构图像传感器的原理结构典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件只包含光电二极管只包含光电二极管和地址选通开关两和地址选通开关两部分。部分。 被动像敏单元结构被动像敏单元结构典型可见光探测：典型可见光探测：CMOSCMOS图像传感器的原理结构图像传感器的原理结构典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件被动像敏单元结构的缺点是固定图案噪声（FPN）大、图像信号的信噪比较低。主动像敏单元结构是当前得到实际应用的结构。它与被动像敏单元结构的最主要区别是，在每个像敏单元都经过放大后，才通过场效应管模拟开关传输，所以固定图案噪声大为降低，图像信号的信噪比显著提高。典型可见光探测：典型可见光探测：

29、CMOSCMOS图像传感器的原理结构图像传感器的原理结构典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件场效应管T1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲到来时，T1导通，光电二极管被瞬时复位；当复位脉冲消失后，T1截止，光电二极管开始积分光信号。T2为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号进行电流放大。T3用做选址模拟开关，当选通脉冲到来时，T3导通，使被放大的光电信号输送到列总线上。主动像敏单元结构主动像敏单元结构典型可见光探测：典型可见光探测：CMOSCMOS图像传感器的原理结构图像传感器的原理结构典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件复位脉冲首先来到，T1导通

30、，光电二极管复位；复位脉冲消失后，光电二极管进行积分光信号；积分结束时，T3管导通，信号输出。典型可见光探测：典型可见光探测：CMOSCMOS图像传感器的原理结构图像传感器的原理结构典型紫外与可见探测器件典型紫外与可见探测器件紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备半导体的发展半导体的发展宽禁带半导体材料（宽禁带半导体材料（Eg2.3eV）紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备 1.SiC1.SiC材料材料紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备 SiCSiC材料研究进展材料研究进展紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备1）采用升华法

31、制备）采用升华法制备SiC晶体来开发各种器件的时期；晶体来开发各种器件的时期；2）SiC的外延生长等基础研究时期；的外延生长等基础研究时期；3）接近相关领域应用要求的当前研究开发时期。）接近相关领域应用要求的当前研究开发时期。 紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备 紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备SiCSiC薄膜的制备方法薄膜的制备方法薄膜质量的高低将直接关系到其光电性能，进而影响其在微电子中的应薄膜质量的高低将直接关系到其光电性能，进而影响其在微电子中的应用，因此，制备高质量的薄膜尤其重要，同时也是一项非常困难的工作。用，因此，制备高质量的薄膜尤其重要

32、，同时也是一项非常困难的工作。物理气相沉积物理气相沉积(Physical (Physical Vapor Vapor Deposition)Deposition)溅射法溅射法离子注入合成法离子注入合成法二次溅射二次溅射射频溅射射频溅射磁控溅射磁控溅射分子束外延（分子束外延（MBEMBE）化学气相沉积化学气相沉积(Chemical Vapor (Chemical Vapor Deposition)Deposition)低压化学气相沉积（低压化学气相沉积（LPCVDLPCVD）热灯丝化学气相沉积（热灯丝化学气相沉积（HFCVDHFCVD）等离子化学气相沉积（等离子化学气相沉积（PECVDPECVD

33、）磁控溅射磁控溅射E靶面，靶面，B靶面靶面紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备 二次电子与气体分子碰撞以后，二次电子与气体分子碰撞以后，损失能量，其运动轨迹会稍微偏离损失能量，其运动轨迹会稍微偏离阴极而靠近阳极（阴阳极间距的阴极而靠近阳极（阴阳极间距的1/100左右），这样必须经多次碰撞左右），这样必须经多次碰撞后二次电子才能到达阳极（基片）。后二次电子才能到达阳极（基片）。一方面增加了碰撞电离的几率，另一方面增加了碰撞电离的几率，另一方面对基片的损伤小。一方面对基片的损伤小。 e2电子可直接到达阳极，但其比电子可直接到达阳极，但其比例很少。例很少。 气体电离后的正离子轰击靶

34、，气体电离后的正离子轰击靶，打出新的打出新的e1电子，重复上述过程。电子，重复上述过程。磁控溅射靶的类型磁控溅射靶的类型适合大面积适合大面积靶材利用率高，靶材利用率高，膜厚分布均匀膜厚分布均匀同轴型同轴型同轴型同轴型S枪型枪型平面型平面型紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备分子束外延（分子束外延（MBE）：把所需外延薄膜的各个组分材料，放在喷射炉中，在：把所需外延薄膜的各个组分材料，放在喷射炉中，在10-810-10 Pa超高超高真空条件下，让组分的原子或分子按一定比例喷射在热衬底上外延生长成膜。真空条件下，让组分的原子或分子按一定比例喷射在热衬底上外延生长成膜。：多源反应蒸

35、发法，：多源反应蒸发法，发展于发展于70年代。年代。： 1、真空度高，残余气体污染很小，生长速率可以很低，精确控制，可获得原真空度高，残余气体污染很小，生长速率可以很低，精确控制，可获得原子级厚度与平整度的外延层，子级厚度与平整度的外延层，很适合研究很适合研究薄膜生长的过程的研究。薄膜生长的过程的研究。2、衬底温度可较低（减少生长应力，减弱杂质扩散），因此外延层界面十分、衬底温度可较低（减少生长应力，减弱杂质扩散），因此外延层界面十分清晰，适合异质外延。清晰，适合异质外延。3、可分别控制每个组分的分子束流，从而精确控制生长层的厚度、组分和掺、可分别控制每个组分的分子束流，从而精确控制生长层的厚

36、度、组分和掺杂分布。这是杂分布。这是VPE、LPE难以做到的。难以做到的。4、分子束外延是动力学过程，它是将入射的中性粒子（原子、分子）一个一、分子束外延是动力学过程，它是将入射的中性粒子（原子、分子）一个一个地堆积在衬底上生长成膜，而不是一个热力学过程。所以它可生长热平衡方个地堆积在衬底上生长成膜，而不是一个热力学过程。所以它可生长热平衡方法不能生长的薄膜。法不能生长的薄膜。 紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备基本部分：基本部分：超高真空系统超高真空系统薄膜生长系统薄膜生长系统原位检测系统原位检测系统样品交换系统样品交换系统分子束外延（分子束外延（MBE）紫外与可见探测用

37、敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备SiH4CVD定义：利用热、等离子体、紫外线、激光、微波等各种能源，使气态物质定义：利用热、等离子体、紫外线、激光、微波等各种能源，使气态物质经化学反应形成固态薄膜。它的反应物是气体，生成物之一是固体。经化学反应形成固态薄膜。它的反应物是气体，生成物之一是固体。特征：必须有化学反应发生；但特征：必须有化学反应发生；但PVD中也可能有化学反应发生，主过程是中也可能有化学反应发生，主过程是蒸镀、溅射这样的物理搬运过程。蒸镀、溅射这样的物理搬运过程。关键：高纯源物质、优化的沉积条件。关键：高纯源物质、优化的沉积条件。 本质上是气本质上是气固多相化学反应，所以经历

38、固多相化学反应，所以经历(1) 反应物分解，产生气态的活性原子；反应物分解，产生气态的活性原子；(2) 活性原子向基板表面输运扩散；活性原子向基板表面输运扩散；(3) 活性原子被基板表面所吸附，并沿表面扩散；活性原子被基板表面所吸附，并沿表面扩散；(4) 活性原子在基板表面发生化学反应，生产薄膜；活性原子在基板表面发生化学反应，生产薄膜； (5) 气体副产物通过基板表面向外扩散，解吸而脱离表面。气体副产物通过基板表面向外扩散，解吸而脱离表面。 其中速率最慢的步骤，决定整个其中速率最慢的步骤，决定整个CVD过程。过程。紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备紫外与可见探测用敏感材料

39、制备外与可见探测用敏感材料制备紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备 GaNGaN基材料基材料 GaN的禁带宽度为3.4eV，是直接带隙半导体，它的热导、热稳定性、化学惰性、击穿电场和带隙宽度都可与SiC相比。 GaN还具有高的辐射电阻、易制成欧姆接触和异质结结构，这对制造复杂结构的器件非常重要。紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备 三元合金AlxGa1-xN的禁带宽度随Al组分的变化可以从GaN(x0)的3.4eV连续变化到AlN(x=1)的6.2eV，因此理论上讲利用这种材料研制的紫外探测器的截止波长可以连续地从365nm变化到200nm，是制作紫外探测器

40、的理想材料之一。GaNGaN基材料基材料紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备 GaNGaN基材料基材料紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备外延生长：外延生长：紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备GaN基材料外延技术难点：基材料外延技术难点：1. 衬底和衬底和GaN晶格失配和热失配大，导致外延生长出来的晶格失配和热失配大，导致外延生长出来的GaN有较多的有较多的晶格缺陷、位错和翘曲等；晶格缺陷、位错和翘曲等；2. NH3裂裂解温度很高，解温度很高，GaN材料的生长温度下，只有小部分材料的生长温度下，只有小部分NH3被裂解；被裂解；3. GaN

41、材料的生长温度很高，必须考虑热扩散造成的影响；材料的生长温度很高，必须考虑热扩散造成的影响；4. TMAl等源与等源与NH3之间存在着严重的预反应；之间存在着严重的预反应；5. 较难获得高载流子浓度的较难获得高载流子浓度的p-GaN材料。材料。紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备什么样的什么样的wafer是好产品？是好产品？Si为例为例紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备金属有机化合物化学气相沉积（金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）定义：定义： 利用金属有机化合物热分解反应进行气相外延生长薄膜的利用金属有机化合物热分解反应进行气相外延生长薄膜的CVD技

42、术。技术。着眼点：选择特殊的反应，来降低反应温度。着眼点：选择特殊的反应，来降低反应温度。原料：金属的烷基，芳基，烃基，乙酰丙酮基衍生物。原料：金属的烷基，芳基，烃基，乙酰丙酮基衍生物。金属有机化合物金属有机化合物氢化物氢化物紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备液态金属有机源液态金属有机源特点特点：（1）沉积温度低，减少自污染，提高纯度。）沉积温度低，减少自污染，提高纯度。（2）有利于外延薄膜和极薄膜的生长。）有利于外延薄膜和极薄膜的生长。 超晶格，异质结超晶格，异质结（3）适用范围广，主要用于）适用范围广，主要用于， ，

43、 族化合物半导体材料，族化合物半导体材料，GaAs、ZnSe、SiC、BaTiO3、BST、YBCO缺点缺点：（1）原料有剧毒；）原料有剧毒；（2）反应温度不能太低，否则有气相反应；）反应温度不能太低，否则有气相反应；（3）均匀性、重复性差。）均匀性、重复性差。MOCVDMOCVD紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备AlXGa1-XAs MOCVD装置原理图装置原理图 MOCVDMOCVD紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备 ZnO是一种新型的-族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，室温下禁带宽度为3.37e

44、V。ZnO和GaN同为六角纤锌矿结构，具有相近的晶格常数和Eg，且ZnO具有更高的熔点和激子束缚能以及良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷。ZnOZnO材料材料紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备 ZnO薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实现掺杂。 ZnO薄膜所具有的这些优异特性，使其在紫外光探测、表面声波器件、太阳能电池、可变电阻等诸多领域得到了广泛应用。 ZnO薄膜传感器具有响应速度快、集成化程度高、功率低、灵敏度高、选择性好、原料低廉易得等优点。ZnOZnO材料材料紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备 l

45、金刚石金刚石是禁带宽度为是禁带宽度为5.45eV5.45eV的的宽带隙半导体材料宽带隙半导体材料，具有，具有高高载流子载流子迁迁移率移率、高击穿电压高击穿电压、高热导率高热导率、高掺杂性和化学惰性，是非常适合、高掺杂性和化学惰性，是非常适合于制备探测器件的材料。于制备探测器件的材料。l 由于金刚石膜的禁带宽度比由于金刚石膜的禁带宽度比GaNGaN大，在短于大，在短于230nm230nm的紫外光部分，金的紫外光部分，金刚石膜探测器有很大的光谱响应，且具有很强的可见光盲性，它的刚石膜探测器有很大的光谱响应，且具有很强的可见光盲性，它的光生电流比光生电流比SiSi探测器高得多，信噪比及信号稳定性也比

46、探测器高得多，信噪比及信号稳定性也比SiSi的强。的强。金刚石材料金刚石材料紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备紫外与可见探测用敏感材料制备外与可见探测用敏感材料制备电极的暗电流电极的暗电流10pA，器件响应时间，器件响应时间20s 紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外探测器的发展历史紫外探测器的发展历史 紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外与可见探测器件的研究与发展趋势 第一代紫外探测器第一代紫外探测器光电倍增管光电倍增管AAR-47激光告警系统 紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外与可见探测器件的研究与发展趋势第二代成像型紫外探测器

47、第二代成像型紫外探测器动态范围更宽，信噪比比动态范围更宽，信噪比比CCDCCD型型略高，对某些元素检测的极低略高，对某些元素检测的极低下限高于下限高于CCD;CCD;价格高，体积大价格高，体积大硅CCD原理图MCP-PMT原理图信号电荷的产生信号电荷的产生信号电荷的存储信号电荷的存储信号电荷的检测信号电荷的检测信号电荷的转移信号电荷的转移紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外与可见探测器件的研究与发展趋势 紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外与可见探测器件的研究与发展趋势第三代成像型紫外探测器第三代成像型紫外探测器GaN基紫外探测器基紫外探测器ZnO紫外探测器紫外探测器紫外与可见探测器件的研

48、究与发展趋势紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外告警技术紫外告警技术导弹中的紫外辐射导弹中的紫外辐射 紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外告警技术紫外告警技术紫外告警的特点紫外告警的特点 能进行导弹发射和逼近探测能进行导弹发射和逼近探测1 可覆盖所有可能的攻击角可覆盖所有可能的攻击角2 极低的虚警率极低的虚警率3 被动探测不发射任何电滋波被动探测不发射任何电滋波4 与其他告警具有很好的兼容性与其他告警具有很好的兼容性5 不需要致冷、不需要扫描不需要致冷、不需要扫描 6紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外告警技术紫外告警技

49、术美国紫外告警系统进展美国紫外告警系统进展 MAW-2000型导弹告警系统 由美国 Grintek Aviotronics 公司研制的MAW-2000型紫外告警系统，是一种工作在紫外波段的无源导弹发射探测与逼近告警系统。该系统可探测逼近的地空和空空威胁导弹并能适时告警。当探测到逼近的导弹时，立即启动箔条和红外干扰弹投放装置，自动对威胁实施干扰。它可借助机载的电子战设备显示器向机组人员显示来袭导弹的方向，同时发出音响告警信号。特征：全无源探测；虚警率低；不需要飞行中的再校正；无低温冷却；瞬间启动，不需要冷却时间；先进的自测试法。 主要技术性能： 每一传感器空间视场：94（锥形）；探测距离：对肩射

50、式导弹5km；多威胁探测能力：接近10个目标；重量：每个传感器：3.1kg，控制器：2.5kg；传感器尺寸：192mm120mm120mm。紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外与可见探测器件的研究与发展趋势 紫外告警技术紫外告警技术紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外告警技术紫外告警技术紫外告警设备的分类紫外告警设备的分类紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外告警技术紫外告警技术美国紫外告警系统进展美国紫外告警系统进展紫外与可见探测器件的研究与发展趋势紫外与可见探测器件的研究与发展趋势 紫外告警技术紫外告警技术紫外与可见探测器件的研