CCD及CMOS的紫外響應(yīng)增強(qiáng)膜
紫外探測技術(shù)是繼激光探測技術(shù)和紅外探測技術(shù)之后發(fā)展起來的又一軍民兩用光電探測技術(shù)。幾十年來,紫外探測技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于光譜分析、軍事、空間天文、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)用生物學(xué)等諸多領(lǐng)域,對現(xiàn)代科研、國防和人民生活都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。特別是在先進(jìn)光譜儀器方面,國內(nèi)急迫需要響應(yīng)波段拓展到紫外的硅基成像器件。先進(jìn)光譜儀器是集光、機(jī)、電和計算機(jī)于一體,技術(shù)密集的高科技產(chǎn)品。它是現(xiàn)代科技必不可少的精密檢測和分析手段,是現(xiàn)代天文學(xué)、航空航天、分子生物學(xué)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、環(huán)境和生態(tài)等新科技建立和發(fā)展的基礎(chǔ)。國家對發(fā)展先進(jìn)光譜儀器和研制光譜儀器用的探測器件非常重視,“十一五”國家科技支撐計劃專門設(shè)立了科學(xué)儀器設(shè)備研制與開發(fā)專項“先進(jìn)大型光譜儀器的關(guān)鍵部件——高分辨分光器件和探測器件的研制”,技術(shù)人有幸成為承擔(dān)該課題的主要研究人員,負(fù)責(zé)高分辨探測器件的研制工作。 硅基成像器件如CCD和CMOS是最廣泛應(yīng)用的光電探測器,而且先進(jìn)的光譜儀器都采用了CCD或CMOS作為探測器件,這是因為CCD和CMOS具有靈敏度高、低噪聲等優(yōu)點。但由于紫外波段的光波在多晶硅中穿透深度很小(<2nm),一般的硅基成像器件如CCD、CMOS等都在紫外波段響應(yīng)很弱,這種很弱的紫外響應(yīng)限制了硅基成像器件在先進(jìn)光譜儀器及其他紫外波段探測方面的使用。 因此,本技術(shù)的研究成果硅基成像器件的紫外響應(yīng)增強(qiáng)薄膜是經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展迫切需要。 增強(qiáng)硅基成像器件的紫外響應(yīng),目前有兩種方法:一是改變硅基探測器的結(jié)構(gòu),如背照式CCD;另外一種是在現(xiàn)有的成像器件光敏窗口加鍍一層下變頻膜,把紫外光先轉(zhuǎn)化為可見光,然后再接收。國外自1980年起就開始增強(qiáng)硅基探測器紫外響應(yīng)的下變頻薄膜研究,按使用材料的屬性,可以把變頻膜分為有機(jī)變頻膜和無機(jī)變頻膜兩種。有機(jī)變頻膜技術(shù)相對成熟,也有相關(guān)的專利出現(xiàn)。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡CCD、星球相機(jī)(WFPC)CCD和Photometrics等公司提供的響應(yīng)波段延伸到紫外的CCD都是鍍的有機(jī)變頻膜。目前紫外增強(qiáng)有機(jī)變頻膜可使普通CCD的響應(yīng)波段延伸到200nm,Roper Scientific公司開發(fā)的Metachrome II薄膜在120-430nm波段都具有良好的下變頻效果。有機(jī)變頻膜技術(shù)盡管成熟,但該類薄膜有著致命的缺點,那就是有機(jī)物分子在紫外輻射下降解速度很快。在照明度為1μW/cm2的光照下,有機(jī)分子以高達(dá)每小時3%的速率成指數(shù)降解。在這一方面,而無機(jī)變頻膜具有不可比擬的優(yōu)點。無機(jī)變頻膜材料可以在它使用期限的前2%時間里,減少90%的降解量,因此,無機(jī)變頻膜具有非常優(yōu)越的穩(wěn)定性。在無機(jī)變頻膜方面,國外研究也剛起步,最早的報道見于2003年[1],目前尚無成熟的增強(qiáng)硅基成像器件的紫外無機(jī)變頻膜技術(shù)。國內(nèi)在有機(jī)和無機(jī)變頻膜方面,都沒有已見報道的研究工作。 為了提高探測器對紫外輻射的敏感性,我們采取了在硅基成像器件光敏窗口上鍍變頻膜的辦法,成功地使CCD及CMOS的響應(yīng)波段拓展到150nm。該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用在光譜分析、軍事、空間天文、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)用生物學(xué)等諸多領(lǐng)域,對推動國家的科研和產(chǎn)業(yè)在這些領(lǐng)域的發(fā)展有極大幫助。
上海理工大學(xué)
2021-04-11