（微电子学与固体电子学专业论文）高灵敏度光电器件存储转移特性读出研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o no fc l a s s2 01 1 u n i v e r s i 够c o d e ：10 2 6 9 r e g i s t e r e dn 0 ：5l0 8l2 0 2 0 2 2 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i 够 t h er e a d o u tr e s e a r c ho n s t o r a g e t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sf o rh i g h s e n s i t i v i 钾p h o t o e l e c t r i cd i o d es e n s l t l t vd n o t o e l e c t r i cd i o d e ：d e p a r t m e n t ： e ! 皇! q 望i 竺苎竺i 竺望壁垒望照! 竺竺塾坠q ! q 赶 m a j o r ： s p e c i a h 够： s up e n ，i s o r ： m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o i i ds t a t ee l e c t r o n i c s ! 望! 旦g 墨! 呈堕g i 坚i ! 塑塾堕苎y 苎! 竺坐坠宝苎i g 坠 q ! 垒苎墨q g 丛q 至垒望g 虫i 望 g r a d u a t e ：x i a oy u n c h a o m a y ，20l l 2 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文新型g a a s i n g 从s 量子效应光电探测器读出 设计，是在华东师范大学攻读硕士学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明 确说明并表示谢意 作者签名： 日期：沙f 年月7 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 新型g a a s i n g a a s 量子效应光电探测器读出设计系本人在华东师范大学攻 读学位期间在导师指导下完成的硕士博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果 归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文， 并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版 和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学 校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文 的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密学位论文宰， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( v 2 不保密，适用上述授权。 导师签名之嫩 本人签名 建乒 2 叫f 年名月7 日 牛“涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的 学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ， 未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论 文，均适用上述授权) 。 3 肖云钞硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 罗乐研究员中科院上海微系统与信息技术研究所主席 茅惠兵教授华东师范大学 沈建华副教授华东师范大学 4 摘要 光存储器是近年的研究热点，更是未来光信号处理系统及光子计算机的重要发 展趋势。图像传感器是摄像头最核心的部件，是数字相机的心脏，已经广泛应用于 数码照相机及太空探测等领域。因此研究具有光子存储特性和电荷转移特性的光电 器件及其读出，有利于改变国内在这一领域的落后局面，有助于推动整个光机电领 域的发展。根据光电器件的不同特性，读出也各不相同。本文按照新原理光电器件 读出与测试分为三个部分。 第一部分为第二章节，分析光子储存器件倒空读出效果并得出电荷储存量，给 出了这种光电存储器的光照强度和积分时间两个基本调控参数，说明了研制光电存 储器的可行性；后一部分分析这类器件作非倒空探测读出在弱光或强光照射条件下 的参数设定问题。第二部分为第三章节，针对探测读出设计驱动电路，包括基准电 压源、时钟电路、数字控制电路，提供必须的模拟电压和数字信号，实现：卷片的集 成化、智能化和小型化。第三部分为第四章节，针对g a a s 基c c d 的特点，设计 了一种线阵c c d 直接注入读出电路；分析c c d 转移脉冲控制电路的分类和优缺点， 设计了四相c c d 控制电路，给出了四相和二相c c d 控制电路时序图。 关键词：光电探测器、光子存储器、图像传感器、读出电路 a b s tr a c t o p t i c a im e m o r yi s ar e s e a r c h h o t s p o t i nr e c e n t y e a r s ，b e i n gt h ei m p o r t a n t d e v e l o p m e n t 钾e n do ft h ef h t u r eo p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m sa n dp h o t o nc o m p u t e r i m a g es e n s o ri st h ec o r ec o m p o n e n to fc a m e 哺h a sb e e n 诵d e l yu s e di nd i g i t a jc 锄e r a s a u n l ds p a c ee x p l o r a t i o n 矗e l d s t h e r e f o r et h es t u d yo fp h o t o ns t o r a g ec h a r a c t e r i s t i c sa n d t h ec h a r g et r a j l s 诧rc h a r a c t e r i s t i c so fo p t o e l e c t r o m cd e v i c e s ，h e l pt oc h a n g et h ed o m e s t i c b a c k w a r d n e s si n t h i s f i e l da n dpr o 】m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h eo p t i c a la 1 1 de l e c t r i c a l f i e l d s d i 腩r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c e r e q u i r ed i 艉r e n tr e a d o u t ，p a p e rw o u l db e d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s t h ed u m p i n gr e a d o u te a e c t so fp h o t o ns t o r a g ed e v i c ea n do b t a i nt h ec h a 唱es t o r a g e c a p a c 时h a l sa n a l y z e di nt h ef i r s tp 硼，a n d 百v e nt w ob a s i cc o n t r o lp a r a m e t e r su ，h i c hi s t h el i g h ti n t e n s i t ya n di n t e g r a t i o nt i m e ，a n da n a l y s et h ep a r a m e t e rs e t t i n gp m b l e mo ft h e d e t e c t o r r e a d o u ti nl o wl i g h to rb 一曲tl i g h tc o n d i t i o n s t h es e c o n dp a r ti st h et h i r d c h a p t e r ，d e s i g nd r i v e rc i r c u i t ，i n c l u d i n gv o l t a g er e f e r e n c e ，c l o c kc i r c u i ta n dd i g i t a l c o n t r o lc i r c u i tt op r o v i d et h en e c e s s a d ，a j l a l o gv o l t a g ea n dd i g i t a ls i g n a lt 0a c h i e v ec h i p i n t e g r a t i o n ，i n t e l l i g e n c e ，a n dm i n i a t u r i z a t i o n t l l et 拉r dp a ni st h ef o u 曲c h a p t e r ，d e s i 弘 d i r e c ti n j e c t i o nr e a d o u tc i r c u i tf o r t h eg a a s 七a u s e dl i n e a rc c da n da n a l y z et h e c l a s s i f i c a t i o nt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc c ds h i rp u l s ec o n t r o lc i r c u i t t h e f o u r _ p h a s ec c dc o m r o lc i r c u i t 、v a sd e s i g na n dt h ef o u r - p h a s ea n d 觚。一p h a s ec c d c o n t r o lc i r c u i tt i m i n gd i a g r a mw a sg i v e n k e yw o r d s ：d e t e c t o r ，p h o t o ns t o r a g e ，i m a g es e n s o r ，t h er e a d o u tc i r c u i t i i i i i b 9 3 2 9 0 3 ) 和上海市配套项目 曰习 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 论文研究背景1 1 2 论文研究内容和创新点1 1 2 1 论文研究内容1 1 2 2 论文创新点2 第二章光电器件存储特j 性与读出测试分析3 2 1 器件的光子存储特性分析3 2 1 1i v 特性3 2 1 2c v 特性5 2 2 倒空读出与测试6 2 2 1 倒空信号产生电路。6 2 2 2 读出与测试分析8 2 2 3 三批器件倒空读出1 0 2 2 4s i 电路倒空读出l l 2 3 非倒空读出测试分析1 2 2 4 本章小结1 7 第三章驱动电路和模数转换器设计l8 3 1 基准电压源18 3 1 1 基准电压源工作原理18 3 1 2 基准源电压设计与仿真2 0 3 2 数字驱动电路2 2 3 2 1 时钟电路。2 3 3 2 2 数字控制电路2 3 3 3 高速模数转换器一2 6 3 3 1 基本原理2 6 3 3 2 设计与仿真2 7 3 4 本章小结2 8 第四章线阵c c d 的读出设计2 9 4 1c c d 图像传感器2 9 4 2 读出电路设计3 0 4 2 1d i 读出电路工作原理3 0 4 2 2d l 读出电路设计与仿真3l 4 2 3d i 读出电路改进3 3 4 3 转移脉冲控制电路3 4 4 4 本章小结3 6 第五章总结与展望一3 7 攻读学位期间发表的学术论文3 8 参考文献3 9 致谢z 1 1 _ 一 华东师范大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景 第一章绪论 光存储器是近年的研究热点，更是未来光信号处理系统及光子计算机的重要发 展趋势 1 7 】。2 0 0 5 年i b m 研发人员研制出能够传送光并减慢光速的硅芯片，这种 芯片包含制造光子存储器的几个重要技术，许多研究者认为光子存储器最终将在未 来光通讯网络取代电子存储器 8 】。2 0 0 9 年美国每日科学网站报道，麻省理工 学院科学家在冷原子量子存储和波动研究领域有了新突破，而这方面的技术正是设 计量子信息网络的关键，使研究向未来广域量子通信网络的最终实现迈出重要一步 【9 】。2 0 1 0 年比利时g h e n t 大学和欧洲纳米电子技术研究中心联合在自然光子 杂志发表在硅芯片上实现超低功耗、超小型、超快电泵浦全光存储器技术研究成果， 为实现更低功耗的光分组交换铺平了道路 1 0 】。2 0 1 0 年美国英特尔公司宣布其在全 世界首次实现硅光子数据连接，数据传输速度高达每秒5 0 0 亿比特( 5 0 g b p s ) ，目 前正朝着实现每秒l 万亿比特( 1 t b p s ) 的目标迈进 1 l 】。 光电器件的另一分支图像传感器是摄像头最核心的部件，是数字相机的心脏， 目前主要有c c d 和c m o s 两类，已经广泛应用于数码照相机及太空探测等领域 1 2 一1 4 】。总的来看，在军用领域高档产品方面c c d 使用的较多，中科院西安分院 为我国嫦娥二号卫星研制了高分辨率能为月球拍特写的c c d 立体相机【1 5 1 6 】。 c c d 图像传感器的优势在于它有着良好的成像质量，但复杂的制作工艺目前只有日 本等国家的少数厂家能够批量生产，其中富士生产的c c d 从2 0 0 1 年第一代到2 0 0 9 年的s u p e rc c de x r ，一直致力于将画面还原到人肉眼所见的真实效果 1 7 】。 因此研究新型光电器件及其读出和应用，有利于改变国内在这一领域的落后局 面，有助于推动整个光机电领域的发展。 1 2 论文研究内容和创新点 1 2 1 论文研究内容 ( 1 ) 分析器件电学特性、光子存储特性，测试倒空和非倒空读出对接实验，给 出光电器件的光子存储调控参数和讨论不同光强条件下参数设定问题；设计了基准 华东师范大学硕士学位论文 电压源、数字驱动电路和高速模数转换器。 ( 2 ) 分析c c d 图像传感器的优势、分类和工作原理，针对g a a s 基c c d 的特 点，设计了一种线阵c c d 直接注入读出电路；分析c c d 转移脉冲控制电路的分类 和优缺点，设计了四相和二相c c d 控制电路。 1 2 2 论文创新点 ( 1 ) 分析光子储存器件倒空读出效果并得出电荷储存量，给出了这种光电存储 器的光照强度和积分时间两个基本调控参数，说明了研制光电存储器的可行性；分 析探测器非倒空读出在弱光或强光照射条件下的参数设定问题，设计出了有针对性 的片内驱动电路和高速模数转换器。 ( 2 ) 针对g a a s 基c c d 的特点，设计了一种线阵c c d 直接注入读出电路；给 出c c d 转移脉冲控制电路的分类和优缺点，设计了电荷量可操作大的四相c c d 控 制电路和传输速度快的二相c c d 控制电路。 华东师范大学硕士学位论文 第二章光电器件存储特性与读出测试分析 焦平面阵列是成像系统的核心部件，主要有光电器件和读出电路两部分组成。 光电器件检测光信号并且把光信号转换为电信号( 电流电压电荷信号) ，主要包括 光电探测器、光子存储器和图像传感器等 1 8 2 3 】。探测器通过接受不同环境下的光 照辐射，然后把光信号转化成电信号并且经过一定的处理得到图像等形式，在军事 高端和商业或民用中低端方面得到广泛应用 2 4 2 7 】。 经特殊设计的低维结构受光激发得到空间分离的电子空穴对而被存储，随后再 通过施加一定偏压驱使所存储的电子和空穴复合放出光子，完成光的读出，利用这 种光子存储效应有望研制出可动态随机存取的光子存储器，应用于光信号处理系统 及光子计算机中【4 6 】。 通过对特殊设计的g a a s 低维结构器件i v 特性和c v 特性的测试，分析和验 证了该器件具有光子存储效应。针对该器件的光子存储效应，引入和设计了倒空信 号。通过分别在一定的积分时间不同光照强度和一定光照强度不同积分时问情况下 对比非倒空和倒空测试结果，给出相应的存储电荷量，进一步证明了光电器件的光 子存储特性；分析验证了光照强度和积分时间两个基本控制参数，进一步说明了研 制光子存储器件的可行性。 国外在七八十年代就开始研究光子存储器，而国内对这方面的研究相对较晚并 且效果不佳，因此对具有存储特性的高灵敏光电器件研究，有利于改变国内在这一 领域的落后局面。 2 1 器件的光子存储特性分析 器件测试是在杜瓦内抽真空后固定在光学平台上，采用h e - n e 激光器( 波长为 6 3 3 n m ) 作为光源，发出的激光经过衰减片等聚焦照射到器件像元窗口，用k e l t h l e y 4 2 0 0 s c s 半导体特性分析仪对复合型异质结量子阱量子点结构光子存储器单元 i v 特性和c v 特性进行测试。通过对器件的电学特性的测试与分析，验证了复合 型异质结量子阱量子点结构器件的光子储存效应。 2 1 1i v 特性 光子存储效应在i v 特性曲线上的反映是在6 3 3 m 1 1 光照和l v 偏压下出现的台 华东师范大学硕士学位论文 阶状电流阶跃，见图2 1 1 。该半导体低维结构受到光激发时，入射光子可先转变 成空间分离的电子空穴对而后分别存储在两侧较低电势的i n g a a s 量子阱和i n a s 量 子点中，它们所形成的内建电场将部分屏蔽g a a s 阱中的外加电场，增大了两侧两 个a l a s 势垒上的压降，使得通过整个结构的隧穿电流增加，出现所观察到的台阶 状响应电流阶跃 4 】。 图2 1 1 器件的i - v 特性 器件可以简化地认为是g a a s a l a s i n g a a s ( q w ) 一a l a s i n a s ( q d ) 一a l a s g a a s 即由两个势垒和量子阱量子点组成，相似于传统的p i - n 结构。对于单势垒 结构，由薛定谔方程和量子力学推导出隧穿电流，总隧穿电流通过对发射区电子分 布的积分而求得 2 8 】。考虑散射等影响因素会使平面内和隧穿方向的运动混合，从 量上改变波函数对势垒的穿透，最终影响到隧穿电流【2 9 】。 通过上述分析器件结构近似认为是两端隧穿l 玎结构即双势垒模型，它固有的 双稳i v 特性是来自于阱中动态存储电荷对发射区的反馈作用。从原理上看，双稳 i v 特性为单个器件实现半导体存储器提供了可能。器件在i n g 啦s 阱再生长一个 i n a s 薄层( 构成d w e l l 结构) ，进一步提高第一个共振峰的p v r ( 峰谷比) ，i n a s 点起到进一步分离两个最低子带的作用。在共振隧穿的纳米结构部分还有个概念叫 库伦阻塞，就是当每个有效能级绝大多数时间被占据，需要加个足够大的偏压以克 服充电能，使附加通道开通，这个效应可以产生电流台阶或者叫电流阶跃现象 2 9 】。 g a a s i a l a s i g a a s 单势垒结构反映的基本隧穿过程根据激发光能量大小分成三 种不同的隧穿模式r r r ，r x 1 1 ，r x x 。a l a s ，g a a s 等材料有两个能带( 能谷) ， i 能谷和x 能谷，一般情况下会有两种隧穿的情况，只不过在不同的电子能量情况 下，哪种隧穿情况更明显【4 】： 4 华东师范大学硕士学位论文 ( 1 ) 当电子能量低于e x ( a l a s ) ，只有r 【r 隧穿模式，这时隧穿电流很低。 ( 2 ) 当电子能量处在e x ( a l a s ) 与e x ( g a a s ) 之间，除了1 1 r i 隧穿模式，还有 新的隧穿模式开启，就是1 1 x f 隧穿模式，由于异质结界面处平移不变性的破坏， 不同的r 和x 态发生互混，所以g a a s 阱中r 1 束缚态通过共振i x 混合转变到a l a s 层中的x 束缚态上，形成了不仅在实空间而且在k 空间也是分离的电子一空穴极 化，导致电子空穴对存储时间增加。 ( 3 ) 当电子能量高于e ) ( ( g a a s ) ，r 束缚态通过共振r x 混合转变到a 认s 层 中的x 束缚态，继续穿越其余结构，叫r x x 隧穿模式。因为在e ，【( g a a s ) 处光照 后的电势降低v d = 0 3 5 v 即g a a s 阱发生内光伏效应，使r x x 隧穿发生在偏压很 小情况( 即加很小偏压，该点也是器件的最佳工作点，偏离工作点，暗电流发生增 益) ，故出现所观察到的指数型的电流阶跃现象。 2 1 2c v 特性 u u c 西 o 母 q 母 o b a s i cv o i t a g e ( 、，) 图2 1 2 器件的c v 特性 实空间和k 空间的电子迁移引起g a a s 异质结构中光生电子空穴对的储存，图 2 1 2 给出了器件的c v 特性曲线。当器件偏置某个电压时，c v 特性呈现突然的 跳变和双稳滞迟现象。这是由于g a a s 阱中r 束缚态通过共振r 1 x 混合转变到 a l a s 层的x 束缚态上，导致了不同的r 和x 态发生互混形成不仅在实空间而且在 k 空间也是分离的电子空穴极化，转移过去的电子积累在i n g a a s 量子阱，而空穴 存留在i n a s 量子点中，如此形成的电荷极化必然会对器件的电容有一额外贡献， 造成电容发生跃迁【7 ，3 0 3 1 】。 关于电子空穴极化电容的理解和定量计算，电容c 表达如下 3 2 】： 华东师范大学硕士学位论文 c ：望：4 a y ( 2 1 ) 其中q 指的是耗尽区域固定空间电荷，a 是接触区域，n 。仃是施主能级的净搀杂浓 度，v b i 是表面势。从公式可以看出，电压先变小后变大，电容值先变大后变小， 在0 v 左右有一个极大值，与测试结果相符合。 2 2 倒空读出与测试 对器件的i v 特性和c v 特性测试与分析，验证了该复合型异质结量子阱量 子点结构器件的光子储存效应。针对器件的光子存储效应，提出了倒空信号理念并 且设计了芯片内部和外部测试中的倒空结构。对比和分析对器件进行倒空和非倒空 的读出测试结果，计算相应的倒空电荷增加量电荷储存量，进一步证明器件的光子 存储特性，给出这种光电存储器的两个基本调控参数( 光照强度和积分时问) 。 2 2 1 倒空信号产生电路 读出电路有三部分构成，具体为像素级、读出级和输出级，图2 2 1 给出了光 电探测器的读出电路单元结构。光电器件完成将光学信号转化成电信号，其最小单 元称为像素或像元，如果有一电路结构只被某个像元使用，那么就是像素级结构 【3 3 】。像素级结构主要有两部分组成，分别为器件像元和列选开关。读出级结构直 接与像素级相连，主要作用是将电流信号转化成电压信号实现信号放大和采样读 出，读出级主要包括电容跨阻积分放大器( c t i a ) 和相关双采样( c d s ) 结构 3 4 3 5 】。 c t i a 结构是一种积分放大器，主要作用是在一定脉冲时间( 复位r e s e t 脉冲) 内对 像元产生的光电流l d 进行积分累加，将电流信号转化成电压信号，从而实现信号 放大的要求【3 6 】。c d s 结构足一种差分电路的应用或者是一般采样电路的改进，也 可称为差分采样电路，指的是对c t i a 读出后采用两次不同时序控制的两个采样电 容上的差值得到最终的读出电压信号 3 7 】。输出级包括列选开关和输出缓冲单元， 一边与读出级中的c d s 单元直接相连，另一边与后续处理电路相接或者直接外接 到测试板上进行读出，读出方式是先积分后读出方式 3 3 】。输出缓冲单元其实就是 一种电压跟随器，起隔离作用，避免了输出总线电容上电压信号对读出的干扰。 6 q n 丌n 几nf 1nn 几n 九n 丌几nnf 图2 2 - 2 带倒空信号的读出电路时序图 为了验证器件的光储存特性和有效地读出光电转换信号，引入了倒空概念，并且 设计了倒空信号。在初期的倒空测试过程，设计了一种结构较复杂但多参数可调的 倒空信号产生电路。用一个输入脉冲触发输入给第一级单稳态触发器，单稳态触发 器的r c 电容延迟输出一个宽度可调的脉冲信号，脉冲信号宽度就是使倒空信号相 对于第一个输入触发信号产生的延迟时间，然后再把这个脉冲信号输入给第二级单 稳态触发器，就可以得到需要的倒空信号，调节第二级单稳态触发器的r c 电容就 可以实现对倒空信号宽度的调节。倒空测试中通过调整倒空脉冲的位置和宽度。通 过对在复位r e s e t 脉冲之前、再复位r e s e t 脉冲同时及在复位r e s e t 脉冲之后进行倒空 测试对比分析，得到了最佳倒空d u m p i n g 信号应该与复位r e s e t 信号同时开始，且 脉冲宽度小于r e s e t 脉冲宽度的倒空测试条件。因为倒空信号的引入不能影响各个 像元响应信号的正常读出，故倒空信号应该放在像元响应信号最后一路( c 8 ) 之后， 即与复位信号r e s e t 同时开始。倒空信号的引入不能影响后续的正常时序特别是临 近的r e s e t 脉冲，所以d u m p i n g 脉冲宽度应该比r e s e t 脉冲宽度窄。 了解了倒空d u m p i n g 信号与复位r e s e t 信号同时开始，并且d u m p i n g 脉冲宽度 应该小于r e s e t 脉冲宽度的条件之后，结合读出电路时序某行最后一列像元响应c 8 信号在r e s e t 信号之前，且脉冲宽度小于r e s e t 信号，就通过c 8 后一路t d 脉冲在j 卷 一 华东师范大学硕士学位论文 片内部或者测试版上引入d 啪p i n g 信号。对于芯片内部倒空结构设计，只要把t d 脉冲通过c m o s 反相器取反，有源电阻分压得到的倒空信号。对于测试板上倒空 结构设计，只要把t d 脉冲通过c d 4 0 6 9 反相器取反，电阻分压得到倒空信号。 2 2 2 读出与测试分析 根据器件i v 特性和电路结构，设定参考电压v r e f 为2 5 v ，器件公共端电压 v 。m 接地，此时器件偏压v d e t 为2 5 v ( v d 扩v 他f - v 咖) 。复位r e s e t 脉冲为4 4 “s ，倒 空d u m p i n g 信号与复位r e s e t 脉冲同时开始，脉冲宽度3 0 “s ，信号电压值o 2 5 v 。 表2 2 - l 积分时间2 5 雌下，光功率变化测试 非倒空倒空 光功率( n w )响应电压( m v )电压响应率( v ，w )响应电压( m v )电压响应率( v m 5 04 08 0 0 e + 0 55 01 0 0 e + 0 6 l o o5 05 o o e + 0 51 7 5i 7 5 e + 0 6 1 3 07 55 7 7 e + 0 53 0 02 3 l e + 0 6 1 9 02 5 01 3 2 e + 0 61 0 5 05 5 3 e + 0 6 2 5 06 5 02 6 0 e + 0 61 4 0 05 6 0 e + 0 6 图2 2 3 不同光照条件下的倒空和非倒空读出响应电压比较 表2 2 1 和图2 2 3 给出了某像元在积分时问一定( 2 5 s ) ，光功率变化条件下的 测试情况。从器件电路对接非倒空和倒空测试数据中发现，响应电压随着光功率的 变强而变大；引入倒空信号不会破坏原有的变化趋势。而且还发现在光功率变化情 况下加倒空信号的读出响应电压明显比非倒空读出的大，进一步说明器件的光子存 储效应。对比非倒空和倒空测试的响应电压值，可以折算相应的存储电荷量： q = c m v 叫v 陀f 】。图2 2 3 表明，光照强度5 0 、1 0 0 、1 3 0 n w 条件下，倒空后响应 8 华东师范大学硕士学位论文 电压增加了1 0 、1 2 5 、2 2 5 m v ，得到潜在的存储电荷量为2 5 1 0 5 、3 1 2 5 1 0 6 、5 6 2 5 1 0 6 个电子。说明随着辐照强度增强，一定波长的入射光子数增多，存储电荷也增多， 即通过改变光照强度，改变了入射光子数量，可以调控存储电子空穴对的数量，从 而起到光电存储作用。 表2 2 2 光功率1 3 0 n w ，积分时间变化测试 非倒空倒空 积分时间( p s )响应电压( m v ) 电压响应率( v ，w )响应电压( m v )电压响应率( v ，w ) 1 2 4 7 55 7 7 e 十0 53 0 02 3l e + 0 6 2 51 0 07 6 9 e + 0 54 0 0 3 0 8 e + 0 6 5 01 5 0 1 1 5 e + 0 66 5 05 0 0 e + 0 6 7 52 2 51 7 3 e + 0 68 5 0 6 5 4 e + 0 6 1 0 03 5 0 2 6 9 e + 0 6l l o o8 4 6 e + 0 6 1 2 54 5 03 4 6 e + 0 61 4 0 0 1 0 8 e + 0 7 岁 e 百 o 要 石 02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 0 t i n t ( u s ) 图2 2 - 4 不l 司积分时l 司条件下的倒空和非倒空读出响应电压比较 表2 2 2 和图2 2 4 给出了某像元在1 3 0 n w 辐射光功率不变、改变积分时间条 件下的测试情况。可以发现响应电压随着积分时间增加而增加，引入倒空信号不会 破坏原有的变化趋势。而且改变积分时间，加倒空信号的读出响应电压明显比非倒 空读出大，进一步说明器件的光子存储效应。在相同辐强条件下改变积分时间，可 以调控存储电子空穴对的数量。当积分时间为2 5 、5 0 、7 5 s 条件下，倒空后的响 应电压增加了3 0 0 、5 0 0 、6 2 5 m v ，得到潜在的存储电荷量为1 8 7 5 1 0 6 、3 1 2 5 1 0 6 、 3 9 1 0 6 个电子。说明随着积分时问增加，一定波长的入射光子增多，存储电荷也增 加，即通过改变积分时间可以调控存储电子空穴对的数量，起到光电存储器作用。 因此，控制光照强度和积分时间两个基本参数可以有效地运用这类光电存储器件。 9 0 0 0 0 0 0 0 0 们 加 柏 华东师范大学硕士学位论文 2 2 3 三批器件倒空读出 我们测试了三批具体结构各不相同的器件，分别为量子阱量子点q w 二q d 、谐 振腔增强型r e c 和量子点q d ，它们都由势垒和势阱组成，相似于传统的p i n 或 n i - n 结构，所以都可能存在光子存储效应。前面已经分析过第一批器件由两个势 垒和量子阱量子点组成即双势垒模型，具有较明显的光子存储效应。而第三批器 件由两个势垒和量子点组成，也具有一定的光子存储效应，光子存储能力小于第一 批器件。第二批器件是谐振腔增强型r e ci n g a a s g a a s 量子点n i - n 结构，器件的 直流特性表明也具有一定的光子存储能力。 - 3 z一1012345 v d e t ( v ) 图2 3 1 三批器件c v 特性 图2 3 1 给出了辐照强度相当的条件下，三批器件的c v 特性曲线。对于第一 批和第三批器件，在零偏附近存在着较好的对称性，当电压变化先变小后变大，电 容值则先变大后变小，在0 v 左右有一个极大值，符合上述的电子。空穴极化电容c 表达式。虽然第二批器件电容的最大值在零偏附近( 约0 5 v ) ，但是正偏电容值明 显比负偏的电容值要大，与第一、三批器件不大一样，具体分析需结合实验数据。 从表2 3 1 的测试数据和图2 3 2 的变化趋势可见，第一批器件的倒空效果较大， 也就是说第一批器件的光子存储效应较明显，在三批器件中光子存储能力最强；第 三批器件的光子存储能力比第一批要弱；第二批器件也存在光子存储效应，但是存 储能力比第一批器件弱、与第三批器件相当。 l o 2 1 0 9 8 7 6 1 1 1 一止c|一_odq 华东师范大学硕士学位论文 表2 3 1 三批器件倒空输出电压 三批器件光功率n w响应电压v 倒空后v 增加v提高比率 第三批器件 1 4 9o 2 8o 6 2o 3 42 2 第三批器件 8 l0 0 8 0 1 30 0 5 1 6 第二批器件 1 6 40 6 51 30 6 52 第二批器件1 0 30 50 9o 4 1 8 第一批器件 1 9 00 2 51 0 5o 84 2 第一批器件l o o 0 0 5 0 1 7 5o 1 2 53 5 2 2 4s i 电路倒空读出 一_ 一第三批器件n o r m a lr e a d o u t 8 0 9 01 0 01 1 01 2 01 3 01 4 01 5 01 6 01 7 01 8 01 9 0 p o w e r ( n w ) 图2 3 2 三批器件倒空输出电压 图2 3 2 给出了自积分s i 读出电路结构示意图，m 4 管是复位开关管，m l 管是 源级跟随器，m 3 管是行选通开关管，m 2 管是列选通开关管【3 8 】。光照时光电器件 产生电流i d ，由于开关m 3 是断开的，则i d 被器件电容c d 积分，使节点a 电位发生 改变。当m 3 开启，原先在a 节点的电压被传输到节点b ，通过源级跟随器m l 传 输到列选开关，最后由列选信号控制输出。 自积分型读出电路有个明显的缺点就是不能稳定器件的工作偏压，自积分电路 对响应电流积分是依靠探测器自身的等效电容完成，随着器件电容积累的电荷增 加，改变了器件的偏置电压 3 8 】。相比具有稳定探测器的工作偏压的c t l a 结构， 倒空信号脉冲的设定基本恒定。由于s i 读出结构的探测器工作偏压不稳定，随光 照强度和积分时间的变化而变化，导致倒空信号脉冲幅度按照测试环境的变化而调 整，增加了测试难度、操作性不好。 i l 4 2 0 8 6 4 2 0 1 1 1 0 0 0 0 0 一)lno， 、 华东师范大学硕士学位论文 d e 图2 3 2s i 读出电路结构图 表2 3 1s i 读出的响应电压数据比较( p = 1 1 6 n w ) ( o 5 u m 工艺) v 。幢响应电压m v增加m v 提高比率 非倒空 o v7 5 倒空 0 2 5 v2 5 01 7 53 3 倒空 o 一2 v3 0 02 2 54 倒空 0 1 5 v1 5 07 52 表2 3 1 给出了在光照强度1 1 6 n w 情况下，第一批器件与自积分读出电路对接 测试非倒空读出和倒空读出的响应电压比较。选择复位电压v 一一v ，从表中可见 在光照强度1 1 6 n w 情况，倒空脉冲幅度设定为2 0 v 时倒空效果更好，倒空脉冲幅 度与复位电压值有较大出入，从实验测试角度进一步验证了s i 电路读出时，器件 的工作偏压不稳定。 2 3 非倒空读出测试分析 1 ) 电流响应率 响应率有电流响应率和电压响应率。对于器件像元电学测试特别是不同光照强 度下i v 特性测试，常用电流响应率。像元电流响应率指的是在一定光照时间内某 一像元在单位光功率辐照下产生的响应电流r i ( 安培瓦) ： r ( f ，) ：丛娑 ( 2 2 ) r 式中i d ( i ，j ) 表示第i 行第j 列像元在光功率p 下的光生响应电流 3 9 】。 图2 3 1 给出了不同光照强度和器件偏压下的电流响应率变化，图中表明，随 着光照强度增加，电流响应率呈现非线性增大趋势。随着器件偏压增大，器件的电 1 2 - 3 0- 2 4- 1 81 20 60 o0 61 21 82 43 o v d e t ( 、，) 6 0 0 5 4 0 4 8 0 4 2 0 3 6 0 3 0 0 e ：j2 4 0 3 墨1 8 0 1 2 0 6 0 o - 3 0- 2 4- 1 81 2o 60 0o 61 21 82 43 o v d e t ( 、) 图2 3 2 不同器件偏压下的响应电压( 0 3 5 u m 工艺) 1 3 k l 华东师范大学硕士学位论文 2 ) 器件工作点 从前面器件电学测试与分析得知，器件的工作点是在0 9 v 到2 5 v 范围。但是 器件和电路对接后，器件工作点可能发生一定偏移。为了得出器件工作点如何偏 移? 偏移了多少? 图2 3 2 是光功率为2 4 7 n w 和1 1 7 n w 情况下测试得到的响应电 压，可见器件电路对接后响应电压的总体变化趋势是与器件单独测试结果一致的。 器件测试i v 特性曲线表明，在正向偏置电压1 v 之后，器件的响应电流没有很大 幅度上升，即响应电流的阶跃台阶出现在1 v 正向偏置电压之前。然而上图表明， 不论光功率为2 4 7 n w 或者l1 7 n w ，正向偏置电压l v 正处于响应电压的阶跃台阶 中，说明了对接后电路对器件的工作点有一定影响，总体是向较大电压处变化。 3 ) 信号电压范围 从器件i v ( 响应电流一偏置电压) 特性曲线和器件与电路对接后v o m v d 。( 响 应电压一偏置电压) 曲线比较中发现，不同的器件偏压，响应信号( 电流电压) 是 不同的。当器件在微光条件下工作，选择较大的偏置电压( 比如v d 矿2 5 v ) ，可以 达到信号读出的目的。当器件在强光条件下工作，器件的光生响应电流很大甚至饱 和，此时选择较小的偏置电压( 如v d e t o 9 v ) ，就可以达到信号正常的读出要求。 表2 3 1 说明，器件在5 n w 微光辐照下，选择较大的器件偏压v d 。c = 2 5 v ，可 以得到一定的响应电压，如果选择更大的v d e t 值，可以得到更大的响应电压。表2 3 2 说明，器件在1 4 4 “w 光照下，选择了较小的器件偏压v d e 。= o 6 v ，读出信号远未到 达饱和，还可在更强的光照条件下工作。综上所述，适当选择器件偏压v d e t ，可以 使器件的信号电压范围增加。 表2 - 3 1 i v 。( v )v ，嵋( v )v “，( v )4 0 n w 电压m v电压响应率5 n w 电压m v 电压响应率 l 2 5o2 5l o o2 5 0 e + 0 61 0 2 o o e + 0 6 表2 3 2 l v f 。f ( v )v c o 。( v )v d e “v ) 1 4 4 u w 电压m v电压响应率 0 8 8 n w 电压m v电压响应率 l