劉虎林 王興 田進壽 賽小鋒 韋永林 溫文龍 王俊鋒 徐向晏王超 盧裕 何凱 陳萍 辛麗偉

(中國科學院西安光學精密機械研究所,中國科學院超快診斷技術重點實驗室,西安 710119)

1 引 言

極低照度微光成像[1,2]是基于光電效應將微弱光子信號轉(zhuǎn)化為電荷信號,再將電荷信號放大后對信號進行采集、處理和顯示的高新技術.微光成像的最終目的是將探測靈敏度提高到單光子水平、具有微米級的空間分辨力、1 kHz以上的成像速度以及極低的暗噪聲.

目前的成像探測器大都基于電荷耦合器件(CCD),常用的幾種探測器包括增強型CCD(ICCD)[3,4]、電子倍增型CCD(EMCCD)[5?7]、電子轟擊型CCD(EBCCD)[8?10].其中ICCD是將真空像增強器與固體CCD器件通過光纖耦合并附加其他信號處理單元組合而成,具有高靈敏度和高速成像的優(yōu)點.但由于成像過程要經(jīng)歷多次光電轉(zhuǎn)換過程,圖像經(jīng)多次傳遞后噪聲增加,成像質(zhì)量下降.同時,光纖耦合與像增強器的引入也增加了器件的體積和重量,使整體結構變得復雜.EMCCD是一類具有單光子探測能力的成像器件,通過在視頻信號和讀出放大器之間增加一個具有二次電子倍增功能的倍增移位寄存器將電荷信號放大.這種器件最大的優(yōu)點是能實現(xiàn)512以上的內(nèi)部增益.然而EMCCD中存在時鐘感生電荷噪聲,會對成像質(zhì)量有一定的影響.為了降低噪聲,EMCCD必須工作在制冷模式,這使得器件的成本、體積、重量和能耗都大大增加,限制了其應用范圍.EBCCD是由光電陰極與CCD以近貼聚焦的結構組成的一種混合型光電器件.EBCCD借助光電陰極產(chǎn)生的光電子,從外置高壓電源獲得高能量轟擊背照式CCD產(chǎn)生電子轟擊半導體增益[11].EBCCD減少了圖像轉(zhuǎn)換的物理過程,顯著提高了成像質(zhì)量,減小了體積和重量.同時,電子轟擊半導體產(chǎn)生的增益可達1000以上,且?guī)缀鯖]有增益噪聲,因此EBCCD具有極高的信噪比.但是受限于CCD本身結構的缺陷,其成像幀速率較低.

互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器是另一種與CCD相競爭的器件.與CCD相比,CMOS有很多的優(yōu)點[12]:1)在CMOS傳感器中,每個像素都會連接一個放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出,因此更容易獲得高幀速率;2)CMOS的信號是以點為單位的電荷信號,與CCD以行為單位的電流信號相比更為敏感,信號讀出速度也更快;3)CMOS的結構簡單,制造技術基于大規(guī)模集成電路工藝,生產(chǎn)成本可以大幅降低;4)CMOS的功耗遠低于CCD;5)CMOS易與周邊電路集成.正因為這些優(yōu)點,在EBCCD中將CCD更換為CMOS,就可發(fā)展成一種高性能的圖像傳感器,即EBCMOS(electron bombarded CMOS)器件[13?16].EBCMOS器件由玻璃窗、真空光電陰極、真空腔、CMOS傳感器、圖像采集系統(tǒng)等組成.入射光照射光電陰極產(chǎn)生光電子,光電子在高壓電場作用下被加速至固體CMOS傳感器背部,在高能電子轟擊下硅層內(nèi)部產(chǎn)生大量電子-空穴對從而將光電子信號放大,被放大的信號最終通過視頻電極輸出.EBCMOS器件可通過電子轟擊半導體材料產(chǎn)生高的增益,與高量子效率光電陰極和高性能CMOS傳感器結合,具有高靈敏度、高幀速率、低噪聲、低成本、低功耗和可進行單光子成像等優(yōu)點,是一種理想的微光成像器件.

作為一種新型的微光成像器件,EBCMOS的研制需要同時具有真空器件和固體器件的基礎和技術,其研究和研制還處于起步階段,目前只有美國的INTEVAC公司和法國的PHOTONIS公司在開展這方面的工作,取得了很好的效果,部分產(chǎn)品已在微光夜視、深海探測等領域得到了應用[17,18].但關于紫外光照射條件下的實驗研究卻很少,尤其是EBCMOS的分辨率與電場強度的直接關系未見報道.目前,我國在自主研制的EBCMOS器件研究方面的報道幾乎為空白,基本停留在少量理論[19]和綜述國外進展的狀態(tài)[18,20],極大地限制了EBCMOS器件在微光成像應用中的發(fā)展.

本文基于金屬光電陰極與背照式CMOS圖像傳感器,針對EBCMOS在紫外光波段潛在的應用,首次研制了紫外光敏感的EBCMOS器件.在優(yōu)于10?4Pa真空條件下研究了EBCMOS的圖像灰度增益與電子加速電壓的關系,并對EBCMOS的空間分辨率與電場強度的關系做了詳細研究,實現(xiàn)了空間分辨率達25 lp/mm的EBCMOS器件,可在紫外單光子探測領域得到應用,同時也可為進一步研制可見光和近紅外EBCMOS器件提供參考和依據(jù).

2 實 驗

EBCMOS器件的基本原理如圖1(a)所示.入射光打在光電陰極上產(chǎn)生光電子,光電子在高壓電場作用下被加速至CMOS背部,在高能電子轟擊下硅層內(nèi)部產(chǎn)生大量電子-空穴對從而將光電子信號放大,被放大的信號通過視頻輸出電極輸出.為了獲得高的增益并提高器件的空間分辨率,需要在光陰極與CMOS之間加上千伏的高壓.

實驗中采用的光源為汞燈,輻射波長為253.7 nm,在距離光陰極玻璃窗處的光照度為40 mlx.光電陰極的材料為金,采用電子束蒸發(fā)工藝在石英基底上形成,厚度為20 nm,在250 nm波長附近的光電轉(zhuǎn)換效率約3.6×10?6.背照式CMOS圖像傳感器包含2048×2048個像素,每個像素的大小為11μm,幀速率為48 Hz,在275 nm處的量子效率為77%.CMOS芯片通過電極引線與陶瓷封接管殼連接,陶瓷管殼外部的引腳再與圖像采集電路連接,從而實現(xiàn)電子圖像的讀出.

圖1 (a)EBCMOS結構以及基本工作原理圖;(b)EBCMOS測試方案圖Fig.1.(a)Structure and principle of EBCMOS;(b)the experiment setup.

具體實驗裝置如圖1(b)所示,其中光電陰極、CMOS圖像傳感器和讀出電路均放置于一個小的真空腔室內(nèi),真空度小于5×10?4Pa.該真空腔室具備紫外光入射、高壓電極引線接入、低壓電極引線接入、圖像信號輸出等多種功能.在真空室外部安裝有高壓電源、圖像信號輸出線纜、數(shù)據(jù)采集卡以及顯示器,用于EBCMOS器件的信號傳輸與圖像采集.實驗中,采用高壓電源實現(xiàn)對光電陰極電壓的實時調(diào)整,光電陰極與CMOS之間的距離則通過每次做完實驗后將器件從真空室取出進行調(diào)節(jié).圖像采集過程中CMOS圖像的灰度等級設置為12 bit,積分時間為20—200 ms.

3 實驗結果與討論

3.1 EBCMOS器件的電子圖像灰度增益

電子轟擊半導體產(chǎn)生電子轟擊增益是EBCMOS器件能實現(xiàn)微弱光探測的關鍵.在測量電子圖像的灰度增益時,首先對光電陰極進行部分遮擋,保證只有部分光入射至CMOS器件的感光面,最大程度地降低圖像的背景.其次,由于實驗中采用的背照式CMOS器件對于250 nm波長的紫外光也有較高的探測效率,為了區(qū)分光學圖像與電子圖像,入射光方向為斜入射,進而可以精確對電子圖像灰度增益進行測量.具體實驗方案如圖2(a)所示.從圖中可以看出,光照在陰極上以后,由于遮擋物的阻擋,部分光被擋住,不能到達CMOS器件的背面,即圖中的黑色區(qū)域內(nèi)不會產(chǎn)生光學圖像;CMOS背面有光照射的區(qū)域,都會形成光學圖像,即圖中綠色區(qū)域;在光能到達CMOS背面同時陰極又沒有被光阻擋的區(qū)域,將會同時探測到CMOS自身的光學圖像和陰極發(fā)射電子的電子圖像;在光照射到光陰極上但沒有到達CMOS的區(qū)域,則只有陰極發(fā)射電子的電子圖像,這部分圖像由于沒有光學圖像的干擾,非常適合電子圖像的研究,也是本文的主要研究區(qū)域.

EBCMOS器件在不同電子加速電壓情況下電子圖像的灰度變化情況如圖2(b)所示,光電陰極與CMOS之間的距離為6 mm.從圖中可以看出,在電子能量為2000 eV時基本看不到電子的圖像,而隨著電子能量不斷增加,電子圖像的亮度也越來越強,圖像的邊緣也越來越清晰,表明EBCMOS器件的圖像增益和分辨率均隨著電場強度的增大而增大.

由于CMOS圖像傳感器的上表面還有一層約100 nm厚的保護層,這個保護層的存在會使電子穿過該層進入半導體材料內(nèi)部時損失能量.EBCMOS器件的電子增益可由如下簡化公式進行計算[13]:

其中,E為電子能量,Edead為電子穿越死層所需的能量,W為半導體內(nèi)產(chǎn)生一個電子空穴對所需的能量,CE為CMOS器件對于電子的收集效率.因此,當E＞Edead時,EBCMOS的電子增益與入射電子的能量成正比關系.其次CMOS對于光學信號探測時,成像灰度與入射光信號強度也呈現(xiàn)較好的線性.可以預見,EBCMOS電子圖像的增益與入射電子能量也將具有較好的線性關系.

圖2 (a)電子圖像采集方案示意圖;(b)不同電子加速電壓時EBCMOS器件的電子圖像亮度變化圖Fig.2.(a)Schematic diagram of electronic image acquisition;(b)EBCMOS electronic image brightness changes with different accelerating voltage.

圖3 EBCMOS電子圖像灰度值與入射電子能量變化曲線Fig.3.Relationship of EBCMOS electronic image gray and electron energy.

對電子圖像區(qū)域圖像灰度值進行統(tǒng)計分析可得電子圖像灰度值與電子能量的關系曲線如圖3所示.測量結果表明,電子穿越CMOS器件死層所需的最小能量為約2500 eV,當電子能量高于2500 eV后,電子圖像的灰度值與入射電子能量具有非常好的線性關系.

3.2 EBCMOS的空間分辨率

為了進行空間分辨率的測量,得到EBCMOS的最佳分辨率,首先需采用光刻和刻蝕的工藝在石英基底上形成具有不同寬度的條紋狀圖案.該條紋圖案分為7組,每組包含4個相同寬度、占空比為50%的亮條紋,7組圖案的寬度分別為100,50,33,25,20,17,14μm,對應的空間分辨率分別為5,10,15,20,25,30,35 lp/mm,每個圖案的長度均為3 mm.

實驗中,將光電陰極與CMOS之間的距離調(diào)節(jié)為1 mm,電子加速電壓由0 V逐漸增加至5000 V,測量得到了不同加速電壓情況下EBCMOS的分辨率變化,如圖4所示.可以看出,隨著加速電壓的增加,電子圖像的分辨率不斷提高.當加速電壓為3500 V時,可以清晰地分辨出第三組圖案中的線條,也即分辨率為15 lp/mm,當電子加速電壓增加至5000 V時,可以分辨出第五組圖案中的線條,而線條再窄的圖案則不能分辨,此時EBCMOS的空間分辨率達到25 lp/mm.根據(jù)圖4中的結果,可以得出不同電場強度下EBCMOS空間分辨率的變化,如表1所列.由表1可以看出,EBCMOS的分辨率與電場強度有關,即與施加在光電陰極上的加速電壓以及光電陰極與CMOS之間的距離有關,為了獲得高的空間分辨率,需要減小光電陰極與CMOS之間的距離,同時提高陰極的加速電壓.我們在實驗中還測試了陰極與CMOS之間的距離為3 mm、加速電壓為10000 V條件下的分辨率,其值為10 lp/mm.

需要說明的是,由于CMOS的像元尺寸為11μm,因此就CMOS自身而言可以達到45 lp/mm的極限分辨率.然而,由于陰極發(fā)射電子具有一定的角度分布,從而在電子運動至CMOS光敏面時存在空間展寬效應,因此EBCMOS的空間分辨率只能趨近45 lp/mm.在現(xiàn)有的實驗條件下,可以通過進一步增加電子運動區(qū)域的電場強度提高空間分辨率.此外,也可以提升光電陰極的光電轉(zhuǎn)換效率,增加陰極發(fā)射的電子密度,降低圖像采集的曝光時間,通過提高EBCMOS器件的信噪比提高空間分辨率.

圖4 不同加速電壓情況下測得分辨率圖Fig.4.The experimental result of spatial resolution with different accelerating voltage.

表1 不同電場強度下EBCMOS空間分辨率表Table 1.The value of spatial resolution with different electric fi led intensity.

此外,上述結果是在40 mlx的光照度條件下測試得到的,理論上,EBCMOS的弱光探測極限可小于10?4lx.EBCMOS的弱光探測極限主要受兩方面因素的制約.1)光電陰極的量子效率.高的量子效率意味著光子轉(zhuǎn)換為電子的光電轉(zhuǎn)換效率高,因此會提高EBCMOS器件的弱光探測能力;2)EBCMOS器件的電子轟擊增益.電子轟擊增益主要由光電陰極的加速電壓以及CMOS器件的閾值電壓決定,為了提高電子轟擊的增益,就需要提高加速電壓,同時使背照式CMOS器件的背部保護層的厚度足夠小.本文中為了實現(xiàn)紫外探測,采用的光電陰極材料為金屬金,其量子效率很低,比可見光光電陰極的量子效率低4個量級以上,是制約弱光探測的主要因素.如果將光電陰極材料換為CsI或其他陰極材料,可有效提高EBCMOS器件的弱光探測能力.

4 結 論

EBCMOS作為新型的光電探測器件,結合了光電陰極的高靈敏度、電子轟擊半導體的高增益和CMOS半導體器件的幀速率高、功耗低、數(shù)字化圖像顯示等優(yōu)點,同時又具有制備結構簡單、體積小、噪聲低等特點,在天文觀察、高能物理、微光夜視以及遙感測繪等領域具有廣闊的應用前景.本文研制了紫外光敏感的EBCMOS器件,實現(xiàn)了EBCMOS器件在40 mlx光照度環(huán)境下的高分辨探測.研究表明電子轟擊CMOS器件所需的閾值電壓約為2500 V,探測圖像的灰度隨著電子加速電壓的增加呈現(xiàn)較好的線性關系.對器件成像分辨率測試的結果表明,在電場強度為5000 V/mm時,器件的空間分辨率可達到25 lp/mm,與國際相關報道水平相當.本文研制的EBCMOS器件可直接在紫外弱光探測領域應用,同時也可為下一步研制可見光和近紅外敏感的EBCMOS器件提供參考.

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