超高靈敏度新型Super-HARP攝像管的發(fā)展

摘要：超高靈敏度新型Super-HARP攝像管是用炮電倍增原理制成的新型固體光電攝像器件。文中對(duì)該器件的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了較全面的介紹。給出了部分器件的技術(shù)特征和技術(shù)參數(shù)，并對(duì)今后超高靈敏度攝像管的發(fā)展方向進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞：HARP 高靈敏度 攝像管 微型銦柱 尋崩倍增膜

1 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)以及光電子技術(shù)的不斷發(fā)展，近幾年來，攝像器件的發(fā)展已能滿足高質(zhì)量圖像的要求。但是，如果在黑暗條件下進(jìn)行成像和觀察，則要求攝像器件有更高的靈敏度。目前一般采用雪崩倍增膜法來提高靈敏度，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、成本較低，是一種混合式結(jié)構(gòu)。采用該結(jié)構(gòu)的受光面為形成的玻璃片上的雪崩倍增膜。再用微型銦柱將倍增膜連接在固體讀出電路上（如MOS或CMOS讀出電路）。該微型銦柱主要起機(jī)械和電氣的連接作用。

攝像管的高靈敏度和超高靈敏度化標(biāo)志著超高靈敏度攝像機(jī)的誕生，它不僅適用于高分辨率電視（HDTV）攝像系統(tǒng)，而且大大提高了標(biāo)準(zhǔn)電視攝像系統(tǒng)的質(zhì)量。它的使用必將給電視節(jié)目制作和演播室照明技術(shù)帶來新的變化。

2 高靈敏度攝像管的發(fā)展過程

攝像管的研究工作目前已在提高靈敏度和分辨率、降低惰性及噪聲影響等方面取得進(jìn)展。日本已先后推出HARP和Super-HARP攝像管，這些攝像管以其極高的靈敏度被認(rèn)為是當(dāng)今新一代攝像管的代表。

以往在Station或Plumbicon三管攝像機(jī)以及CCD攝像機(jī)進(jìn)行拍攝時(shí)，只要照度低于20Lux,圖像質(zhì)量就難以保證。而硅靶增強(qiáng)型（SIT）攝像管和圖像增強(qiáng)型（IT）攝像管雖然具有較高的靈敏度，但由于存在較強(qiáng)的惰性和較大的噪波，加之分辨率較低，也難以形成理想的圖像。1987年，日本NHK研究所發(fā)現(xiàn)非晶硒與晶體半導(dǎo)體一樣具有雪崩式倍增作用，在此基礎(chǔ)上發(fā)明了可在低照度條件下產(chǎn)生良好的電視圖像的新型光電導(dǎo)體和靶結(jié)構(gòu)，即高增益雪崩倍增非晶光電導(dǎo)體（High gain Avalanvhe Rushing amorphous Photoconductor），簡(jiǎn)稱HARP靶。利用這種結(jié)構(gòu)研制的攝像管的靈敏度要比普通攝像管高10倍，并且能產(chǎn)生與HDTV攝像管相同的高質(zhì)量圖像。且該攝像管不僅適用于標(biāo)準(zhǔn)電視系統(tǒng)，而且非常適用于HDTV系統(tǒng)。1988～1993年，日本NHK研制成功了在20nm～1.9μm甚至x波段內(nèi)有光響應(yīng)的多種HARP靶攝像管，并被命名為“Harpicon”和“Super-Harpicon”。1991年，NHK又硬件出更高靈敏度的Super-HARP攝像管。它的靈敏度比普通攝像管和CCD攝像器件高100倍，并能在由日光到月光這樣寬的照明條件下形成高質(zhì)量圖像，從而成為新一代的電視攝像管。

3 HARP和Super-HARP攝像管的原理

當(dāng)半導(dǎo)體中空間電荷區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，通過空間電荷區(qū)的電子和空穴在電場(chǎng)的作用下獲得的能量亦隨之增大。這樣，晶體中運(yùn)動(dòng)的電子和空穴將不斷地與晶體原子發(fā)生碰撞。當(dāng)電子和空穴的能量足夠大時(shí)，通過碰撞，可使其價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由電子空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的電子空穴對(duì)與原有的電子和空穴一樣，在電場(chǎng)作用下，也向相反的方向運(yùn)動(dòng)，并重新獲得能量。通過碰撞又將產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，這就是載流子的倍增效應(yīng)。由于這種雪崩倍增現(xiàn)象同樣存在于非晶硒中，所以HAPR和Super-HARP攝像管便可利用靶層內(nèi)的雪崩倍增現(xiàn)象獲得很高的靈敏度。圖1是普通攝像管與HARP攝像管的工作原理比較。

由圖1可見，在普通攝像管中，一個(gè)入射光子僅產(chǎn)生一個(gè)光生電子空穴對(duì)。而在HARP攝像管中，加在靶層中的強(qiáng)電場(chǎng)將使空穴朝電子束掃描運(yùn)動(dòng)方向加速，被加速的空穴與靶內(nèi)原子相撞并使其發(fā)生電離以產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。由于雪崩倍增，HARP攝像管中的每一個(gè)入射光子將可讀出大量的載流子。雪崩倍增的程序由靶厚度壓值決定。HARP攝像管的靶厚早先為2μm，現(xiàn)已增加到4μm，而Super-HARP攝像管則大幅度增加了厚度，已增加到25μm。圖2為靶與信號(hào)電流在藍(lán)光入射時(shí)的關(guān)系曲線，可以看出，在420V靶壓附近，Super-HARP的靈敏度與普通攝像管相同，此時(shí)沒有雪崩倍增現(xiàn)象出現(xiàn)，藍(lán)光量子效率為70%。當(dāng)靶壓超過420V時(shí)，信號(hào)電流迅速增加，在676V靶壓時(shí)，靈敏度可達(dá)普通攝像管的100倍。由于Super-HARP攝像管使用了6μm靶厚和676V靶壓，因而其靶內(nèi)雪崩倍增現(xiàn)象十分強(qiáng)烈，因而可獲得極高的靈敏度。Super-HARP攝像管與普通MSSATICON（2/3英寸）攝像管的外觀相同。1996年，日本NHK科學(xué)與技術(shù)研究所研制出超高靈敏度新型Super-HARP攝像機(jī)，這種攝像機(jī)所用的核心器件為全新的Super-HARP靶結(jié)構(gòu)（如圖3所示），為了與舊HARP靶和最初的Super-HARP靶的電流-電壓特性進(jìn)行比較，圖4給出了新型Super-HARP的信號(hào)和暗電流與靶電壓的關(guān)系。

4 HARP和Super-HARP攝像管的技術(shù)特性

4.1 主要特點(diǎn)

HARP和Super-HARP攝像管分別是高靈敏和超高靈敏的全新結(jié)構(gòu)光電倍增攝像器件。其主要特點(diǎn)如下：

●靈敏度高、暗電流小

由圖2可見，靶壓超過420V之后，器件的信號(hào)電流迅速增加，在676V靶壓時(shí)，靈敏度可達(dá)普通攝像管的100倍，而該點(diǎn)卻僅有不到2μA的暗電流。另外由圖4可以看出，對(duì)于新型Super-HARP靶，當(dāng)靶壓超過1500V時(shí)，信號(hào)電流迅速增加，在靶電壓達(dá)到2500V時(shí)，靈敏度可達(dá)普通SATICON電視攝像管的600倍，而該點(diǎn)的暗電流僅為2nA。

●惰性小

HARP管的惰性幾乎是純電容性的，故可利用低溫電子槍、增大靶厚或偏置光速來改善其惰性。使用二極管電子槍的Super-HARP攝像管在偏置光關(guān)閉、靶壓為676V、信號(hào)電流為200nA、電子束電流為600nA的情況下，關(guān)閉入射光后，第三場(chǎng)的惰性為1.6%，小于使用相同電子槍的HARP攝像管的惰性（4.6%）。若使用偏置光，則僅產(chǎn)生10nA的信號(hào)電流，這時(shí)，其惰性可忽略不計(jì)。

●分辨率高

由于非晶硒靶層中不存在光擴(kuò)散，而且具有很高的電阻，因此，HARP攝像管具有很高的分辨率。目前的水平極限分辨率已超過800線。影響其分辨率的主要因素是掃描電子束的截面積，因此，如果使用HDTV電子光學(xué)系統(tǒng)，其分辨率還可得到進(jìn)一步地提高。

●噪波低

在Super-HARP攝像管中，由雪崩倍而引起的附加噪波非常小，固定型噪波根本觀察不到，測(cè)得的噪波包括光子噪波。理論上認(rèn)為在很低的光照下光子噪波亦不可避免，但由于Super-HARP攝像管的光利用率很高，因此，如此低的光子噪波幾乎不會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響。

●光譜響應(yīng)特性

對(duì)于非晶硒材料，紅光靈敏度的截止波長(zhǎng)為620nm，這將影響電視攝像機(jī)紅色通道攝像管的靈敏芳。但可利用向非晶硒材料中摻入一定量的碲（Te）的方法制造紅色增強(qiáng)型Super-HARP攝像管，以解決紅光靈敏度低的問題。

4.2 技術(shù)參數(shù)

1996年日本NHK研制出新型超高靈敏度Super-HARP攝像機(jī)。其性能參數(shù)如表1和表2所列。表1中的數(shù)據(jù)計(jì)算條件是：靶電容800pF(4μm)、400pF(8μm)、128pF(25μm)、束溫3000℃、束流0.48μADC、2nADC。

表1 三種攝像管的輸出電流和放大器增益

表2 新型Super-HARP攝像機(jī)的性能參數(shù)

1999年，日本廣播協(xié)會(huì)開發(fā)成功了超高靈敏度固體攝像器件，它將雪崩倍增高增益非晶光電導(dǎo)體（HARP）與高耐壓MOS晶體管開關(guān)陣列通過銦柱倒裝互連耦合而成。其性能參數(shù)如表3所列。

表3 HARP-MOS管開關(guān)陣列性能參數(shù)

5 Super-HARP的發(fā)展超勢(shì)

固體攝像器件一般由HARP膜和低噪聲讀出電路（如MOS和CMOS）組成，其典型構(gòu)成如圖5所示。圖6為HARP膜MOS圖像傳感器的構(gòu)成及單個(gè)像素的組成圖。HARP膜在受到光照后產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將在足夠電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生雪崩效應(yīng)而形成雪崩放大。放大后的信號(hào)電荷（空穴）流向MOS管的漏極并使漏極電位升高。從源極來的電子流向漏極并和空穴結(jié)合，從源極來的信號(hào)電流經(jīng)放大器放大后，由相關(guān)雙取樣（CDS）電路消除噪聲后讀出，從而使得輸出信號(hào)有很高的信噪比。由于強(qiáng)光入射HARP膜的倍增作用很強(qiáng)，因而儲(chǔ)存的信號(hào)電壓太高，這就要求MOS管電路能耐較高的電壓，也可以用二次光刻法來形成銦微型凸板以解決信號(hào)電壓太高的問題。所以HARP膜式高靈敏度攝像器件有兩種結(jié)構(gòu)，一種是由MOS管直接和HARP膜結(jié)合，另一種是凸型銦板型。除此之外，在1998年，日本NHK研究所還開發(fā)出了HARP膜CMOS圖像傳感器。

在今后一段時(shí)間內(nèi)，攝像器件將主要朝著高靈敏度、高分辨率、低功耗、低成本及小型化方向發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)上述功能，采用CMOS工藝是極其關(guān)鍵的，也可以說，攝像器件目前發(fā)展的主要?jiǎng)酉蚴荂MOS化。

6 Super-HARP攝像機(jī)的應(yīng)用

日本日立制作所和NHK研究所通過改變高增益雪崩倍增非晶光電導(dǎo)體（HARP）靶的光輸入窗口和信號(hào)電極材料，開發(fā)出高靈敏度的超高靈敏度型HARP靶紫外和x射線攝像管，前者可用于天文、醫(yī)學(xué)、生物觀察與研究、指紋鑒別、字畫和有價(jià)證券的鑒別等方面；后者則主要用于物質(zhì)結(jié)晶情況觀察、大規(guī)模集成電路檢查分析以及質(zhì)量監(jiān)控等領(lǐng)域。

7 結(jié)論

目前真空攝像管的發(fā)展在高清晰度和高靈敏度方面都兼有長(zhǎng)處，在HDTV應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)；而固體攝像器件目前尚未達(dá)到這一點(diǎn)。真空攝像管和固體攝像器件發(fā)展的方向?qū)⒅饕憩F(xiàn)為高靈敏度、高分辨率、低功耗、低成本及小型化。要達(dá)到這些要求，采用CMOS工藝是極其關(guān)鍵的。將HARP靶與MOS讀出電路或CMOS讀出電路用微型銦柱連接起來制成Super-HARP攝像管最有可能的發(fā)展方向，目前，采用此技術(shù)研制出的超高靈敏度新型Super-HARP攝像機(jī)已可在作為HDTV攝像系統(tǒng)中使用。