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新型半导体器件助力光电技术发展——华东师范大学郭方敏教授

2018-01-05

华东师范大学郭方敏教授长期从事半导体器件物理、弱信号读出电路设计等方面的研究,在光电探测阵列、太赫兹量子阱探测器以及高灵敏度光电传感器的元器件设计与研发方面取得了诸多创新成果。

一、新原理光电探测阵列的微光响应测试研究

近年来,由于医疗、生物分子科学、环境检测等领域对光电探测器探测极微弱光信号的需要,使得光电探测器已经在这些领域得到进一步的开发和应用。而PIN等光电探测二极管由于自身的结构原因,在微光下具有较差的灵敏度,不能探测微光;高灵敏度的雪崩二极管工作偏压又比较高,应用范围受限。新原理光电探测器不同于硅基CCD和CMOS器件工作原理,它是n-i-n型光探测器,其中插入InGaAs/GaAs/AlAs量子点-量子阱结构,通过调节化合物半导体材料体系的组分、掺杂浓度、阱宽和垒高,设计出不同响应波长的光电探测器。

基于此原理,郭方敏教授团队设计和加工了增益可调CTIA读出电路(图1),以获得宽动态范围读出。读出电路芯片与1×64元量子效应光电探测器集成封装,在室温(300K)条件下进行读出测试研究。光源采用633nmHe-Ne激光器,直径50μ m光斑聚焦照射。其中,第一级是像素级,1×64元新原理光电探测器阵列;器件阵列与电路对接后连接到第二级CTIA积分输出级;第三级是采样保持电路相关双采样(CDS)技术;第四级是缓冲输出级。CTIA单元由一个高增益的反相输入运算放大器和两个积分反馈电容C0和C1组成,用来进行光响应电流积分。为了抑制读出过程器件与采样系统产生的热噪声、1/f噪声、暗电流噪声和背景噪声电流,采样保持电路使用相关双采样结构。

读出电路工作时,集成运放工作在线性区。首先是复位开关Reset闭合,CTIA积分放大单元被复位,积分电容Cint(Cint=C0C1或者C0C1)通过Reset开关放电,同时把输出电压Vout复位为Vref。接下来是开关Reset打开,CTIA积分放大单元用积分电容Cint对光电探测器的响应电流积分,得到的响应电压通过Vout输出。在CTIA单元积分时,相关双采样(CDS)电路对其进行两次采样。积分开始进行第一次采样,得到的是对暗电流积分的响应电压,并被采样电容Csh1保持。在积分结束时,进行的第二次采样是对探测器响应电流积分的响应电压,被采样电容CSh2保持。在移位寄存器控制下,将1×64阵列的Vout2和Vout1依次缓冲输出。

针对新原理量子效应光电探测阵列高灵敏度和宽动态响应特性,设计了增益可调读出,即图1中的CTIA采用两个开关K1、K0分别控制两个积分电容C0=2pF、C1=10pF,从而使读出电路具有三种积分电容组合,即2pF、10pF、12pF。测试微弱光信号时,采用2pF电容积分读出,以求真实获得高灵敏度;在测试自然光或更强光时,采用10pF和12pF较大积分电容读出,控制读出电路饱和读出,增大动态读出范围。测试结果表明:器件偏压为-0.1V,激光功率150pW,积分时间78μ s,响应电压55mV,电压响应率达到3.67E+08V/W。根据测试结果,提出了进一步降低暗电流影响的改进测试方案。

二、太赫兹量子阱探测器的暗电流抑制电路研究

太赫兹量子阱探测器(Terahertz Quantum Well Photodetector,THz QWP)于2004年被研制出来,这种光导型探测器具有响应频谱较窄以及响应速度快等特点,是未来太赫兹应用中的重要探测器之一。THz QWP由于多量子阱的势垒高度一般小于40meV,而由热发射导致的暗电流大于中红外波段的QWP,降低信号电流读出的灵敏度。因此对于THz QWP来说,在其信号读出电路中建立暗电流抑制模块对提高读出电路的性能具有重要作用。

郭方敏教授团队研究了太赫兹量子阱探测器读出电路中的暗电流抑制模块。首先,从理论上分析了太赫兹量子阱探测器产生暗电流和光电流的原理。由于太赫兹量子阱探测器中电子输运行为非常复杂,难以通过理论推导建立精确等效电路模型的解析表达式。通过对太赫兹量子阱探测器的电流电压实验数据进行拟合,提出压控电流源等效电路模型。利用此模型设计读出电路信号源及暗电流抑制模块,结合读出电路进行仿真,验证电路模型的准确性。与传统暗电流抑制电路相比,压控电流源电路模型能够在器件工作偏压变化时对其暗电流进行精确抑制,提高读出电路性能,因此更适合作为太赫兹量子阱探测器读出电路的暗电流抑制模块。

三、高灵敏度光电传感器芯片及其便携式嵌入式光谱仪关键技术研究

半导体异质结、超晶格、低维量子结构和纳米晶粒及原子团簇等材料与器件的独特能带结构造成其电子状态、电场作用的载流子输运和量子输运、光照载流子跃迁产生的吸收与发射等独特性质。研究新原理、超高灵敏光电传感器是国家不断提升全空无源探测预警系统中涉及国家安全的战略高技术迫切需求的发展方向。围绕光电传感器和读出电路设计技术,融合国际最新成果,自主开发高灵敏度、便携、嵌入式光谱仪的设计、加工和测试成套工艺,可服务于航天遥感遥测、地质矿藏勘探、生物医学和环境监测。

在研究中,郭方敏教授团队标定出极弱光下高量子倍增效率和较宽探测波段(420950nm)的新原理光电探测器的光电响应特性:300K条件下,探测率为2.73A/W,量子效率达到或超过534.79%。提取器件本征特性参数,研究建立低维量子结构光电器件等效电路模型。针对设计增益可调电容跨阻放大器(CTIA)等读出电路芯片,双面封装设计,获得64元新原理探测阵列。室温条件下,633nm激光强度0.01pW,光斑直径10μ m,积分时间80.2μ s,读出电压响应率5.8E+11V/W。

他们还设计了以两个64元高灵敏度光电探测器线阵为核心部件,1分2石英光纤分别采集350675nm和6751 000nm两个波段的光谱信号,构成128元微型光谱仪样机,于2012年在上海工博会展示。进一步设计了Cortex-M4微控制器组合STM32F407主控芯片(含MCU)和液晶显示,Wi-Fi无线网络接口及PC软件完成数据处理、滤波、光谱显示及人机交互等多项技术为一体嵌入式/便携式高灵敏度光谱仪样机。相关技术已经服务多家公司,经过测试表明:高灵敏度光电传感器微型光谱仪结合显微超光谱成像系统,荧光和微区光谱实验分别证明新原理探测器光谱仪比进口的海洋光学的科研级光谱仪和NOVA光谱仪灵敏度更高,特别是在700900nm波段。

专家简介

郭方敏 女,1957年生,博士生导师,华东师范大学信息科学技术学院教授。长期从事微电子、光电子和毫米波方面的科研和教学工作,参加和承担国家及省部级研究项目30多项。