紫外增強(qiáng)硅基成像探測器進(jìn)展

張猛蛟，蔡 毅，江 峰，鐘海政，王嶺雪

(1.北京理工大學(xué)光電學(xué)院 納米光子學(xué)與超精密光電系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國兵器科學(xué)研究院，北京 100089；3.北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100081；4.華東光電集成器件研究所，江蘇 蘇州 215163)

1 引 言

紫外輻射是介于X射線和可見光之間的高能電磁輻射(能量3～124 eV)，廣泛存在于自然界和生產(chǎn)生活中。紫外輻射是宇宙射線的重要組成部分，高溫大質(zhì)量恒星會(huì)發(fā)射波長小于300 nm的紫外輻射，而黑洞吸積盤、恒星耀斑、新星、超新星等過程中也常伴隨紫外輻射。此外，因燃燒發(fā)生化學(xué)鍵結(jié)合的導(dǎo)彈尾焰、火箭羽煙、槍口火焰、火災(zāi)火焰，因電場畸變或電場增強(qiáng)使大氣中的氮?dú)獍l(fā)生電離而產(chǎn)生的高壓電暈放電等均會(huì)釋放紫外輻射。因此，紫外探測技術(shù)在導(dǎo)彈逼近告警、紫外成像制導(dǎo)、紫外偵察等軍事領(lǐng)域以及深空探測、電暈檢測和火災(zāi)預(yù)警等民用領(lǐng)域均具有較大的應(yīng)用價(jià)值[1-11]。

早期的紫外成像探測器是涂覆熒光材料的紫外變像管，但受限于材料的熒光性能，隨后發(fā)展了紫外靈敏的碘化銫(CsI)、碲化銫(Cs2Te)、金剛石、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)等紫外光電陰極材料。光電陰極接收紫外輻射并激發(fā)電子，電子在真空電場中加速和倍增后由陽極接收和顯示。目前，真空型紫外探測器主要有紫外像增強(qiáng)器[12]、紫外多陽極微通道陣列(Multianode Microchannel Array,MAMA)[13]、紫外像增強(qiáng)CCD/CMOS(Intensified Charge Couple Device/Intensified Complementary Metal Oxide Semiconductor,ICCD/ICMOS)[14]、紫外電子轟擊CCD/CMOS(Electron Bombardment CCD/Electron Bombardment CMOS,EBCCD/EBCMOS)[15]等真空型紫外探測器，靈敏度高，響應(yīng)波長可短至軟X射線，在10～100 nm極紫外(EUV)波段的天基紫外成像應(yīng)用中占主流地位[16-17]。然而，受電子加速轟擊影響，真空型紫外成像器件的壽命僅有一萬小時(shí)左右，而且體積較大、成本較高。

體積小、壽命長、可靠性高的固態(tài)紫外探測器技術(shù)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)而得以迅速發(fā)展。根據(jù)材料性質(zhì)的不同，固態(tài)紫外探測器可分為寬禁帶半導(dǎo)體和硅基半導(dǎo)體兩大類。寬禁帶半導(dǎo)體材料主要包括Ⅲ族氮化物、寬禁帶Ⅱ～Ⅵ族、碳化硅(SiC)、金剛石(Diamod)等，得益于材料自身的寬禁帶屬性，這些材料幾乎只響應(yīng)紫外光子，具有較高的量子效率和帶外截止能力，是窄波段紫外成像探測的理想材料。此外，通過材料摻雜可調(diào)節(jié)帶隙，如在GaN中摻入Al并控制其含量，探測器響應(yīng)的截止波長可從365 nm調(diào)節(jié)到200 nm。這使得AlGaN材料具有天然日盲和可見盲優(yōu)勢，在日盲和可見盲紫外成像探測領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位[18]。然而，寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器目前存在器件規(guī)模小、成本高的問題，在材料高質(zhì)量生長、摻雜缺陷抑制和高信噪比信號(hào)讀出等方面還有待進(jìn)一步研究[19]。相比寬禁帶半導(dǎo)體材料，基于硅材料的紫外成像探測器更容易實(shí)現(xiàn)大面陣和低成本制備[20-22]，在高分辨力紫外成像探測中具有優(yōu)勢。此外，通過硅材料體內(nèi)的碰撞電離或雪崩放大機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)單光子級(jí)的紫外探測，性能越來越接近真空型紫外探測器[23]。常見的硅基紫外成像探測器以CCD和CMOS圖像傳感器(以下簡稱CMOS)為基礎(chǔ)。然而，基于常規(guī)工藝的CCD和CMOS器件在紫外波段的響應(yīng)很低。為了提升紫外波段的探測能力，人們發(fā)展了不同的技術(shù)路線，如采用半導(dǎo)體工藝優(yōu)化處理探測器感光面、熒光轉(zhuǎn)換材料、低維材料異質(zhì)結(jié)等方法，實(shí)現(xiàn)硅基器件從紫外到近紅外波段的寬光譜響應(yīng)。

本文主要概述半導(dǎo)體工藝紫外增強(qiáng)CCD和CMOS、熒光轉(zhuǎn)換材料紫外增強(qiáng)硅探測器(按材料類型可分為有機(jī)共軛發(fā)光材料、無機(jī)稀土摻雜發(fā)光材料和膠體量子點(diǎn)發(fā)光材料等)、以及低維材料硅基紫外探測器的最新進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步總結(jié)了紫外成像探測器在天文探測、生化分析和電暈檢測中的應(yīng)用，并結(jié)合作者對(duì)紫外成像探測技術(shù)的理解，探討了紫外增強(qiáng)硅成像探測器的發(fā)展方向以及面臨的挑戰(zhàn)。

圖1 (a)硅對(duì)紫外輻射的吸收深度。(b)探測器背照射表面處理后導(dǎo)帶邊空間分布[30] Fig.1 (a)Penetration depth in Si versus incident radiation wavelength/photon energy. (b)Calculated spatial dependence of the conduction band edge near the backside of a CCD for various p+ doping levels and profiles[30]

2 半導(dǎo)體工藝紫外增強(qiáng)CCD和CMOS

自1969年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室Boyle和Smith發(fā)明CCD以來，CCD和CMOS成像器件以低成本、大面陣和體積小的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用，尤其是CMOS的性能與集成度近年來不斷提升。在CCD和CMOS成像器件基礎(chǔ)上直接增強(qiáng)紫外光譜響應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)紫外成像探測的有效手段，但有以下3個(gè)問題需要解決： CCD、CMOS表面的多晶電極、金屬電極和鈍化層對(duì)紫外輻射產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收或散射，阻礙紫外輻射到達(dá)光敏二極管； 硅材料對(duì)100～300 nm波段的吸收深度只有10 nm左右[24]，如圖1(a)所示，在表面電勢作用下光生電荷更容易流向Si/SiO2界面而被俘獲或復(fù)合； 硅在紫外波段的折射率比可見光波段更高且變化大，因此需要進(jìn)行紫外增透處理[25]。針對(duì)上述問題，通過背照射結(jié)構(gòu)和紫外窗口(UV-window)來避免電極和鈍化層對(duì)光輻射的吸收；通過表面淺層離子注入和外延生長原子級(jí)厚度的δ摻雜層技術(shù)在硅材料表面形成新的內(nèi)建電場，收集近入射面的光生電荷。圖1(b)給出了上述兩種方式所形成導(dǎo)帶邊剖面分布的計(jì)算結(jié)果。以下分別簡述紫外CCD、紫外CMOS和紫外增透三方面的進(jìn)展。

2.1 紫外CCD

CCD是最早發(fā)展的硅成像器件，所具有的優(yōu)點(diǎn)如億量級(jí)的像元規(guī)模、高量子效率、低讀出噪聲、寬動(dòng)態(tài)范圍、高均勻性等均可沿用到紫外CCD上[22]。在大面陣CCD廣泛應(yīng)用的空間科學(xué)、地球遙感、地基天文觀測等領(lǐng)域，發(fā)展紫外CCD可擴(kuò)展系統(tǒng)的紫外波段成像探測能力。

20世紀(jì)70年代，具有紫外響應(yīng)的硅光電二極管陣列開始應(yīng)用于天體分光度測量[26-27]。1987年，Stern采用背照射結(jié)構(gòu)的CCD，對(duì)其背面進(jìn)行刻蝕減薄、離子注入和激光退火，控制離子注入濃度由淺到深梯度遞減，使紫外輻射產(chǎn)生的光生電荷順利到達(dá)耗盡區(qū)并被有效收集。該CCD的紫外響應(yīng)波段為10～300 nm，量子效率為22%@250 nm[28]。1997年，濱松光子在研究了背減薄CCD器件表面摻雜、退火方式和氧化層形成等工藝后，指出離子注入后再進(jìn)行高溫爐式退火的紫外增強(qiáng)性能最優(yōu)，背照射器件紫外波段的量子效率超過50%[29]。然而，高溫退火增加了器件制備工藝的復(fù)雜度，而且鋁電極的融化溫度只有660.4 ℃，故必須在高溫退火后再進(jìn)行鋁接觸處理。

為改善離子注入和高溫退火引入的缺陷、工藝兼容性問題，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室提出使用低于450 ℃的δ摻雜技術(shù)鈍化CCD背減薄后的表面，通過分子束外延技術(shù)在CCD背面生長厚度為2.5 nm的δ摻雜硅以抵消硅表面的正電場。外延生長技術(shù)與器件制備工藝具有良好的工藝兼容性，使得CCD在紫外波段的靈敏度接近硅材料的紫外響應(yīng)極限[30]。2008年，Blacksberg將δ摻雜技術(shù)用于800萬像元規(guī)模的大面陣器件，在4k×2k CCD上生長銻δ摻雜層，使器件在250～900 nm波段的內(nèi)量子效率接近100%[31]。

1992年，Hynecek首次明確提出可以利用電荷雪崩倍增機(jī)制實(shí)現(xiàn)微弱光生信號(hào)的放大[32]。電子倍增CCD(Electron Multiplying CCD,EMCCD)技術(shù)，通過在電子轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)中嵌入多級(jí)可控的電子倍增移位寄存器，使光生電荷在讀出之前實(shí)現(xiàn)上千倍的增強(qiáng)。因此，使用背照射結(jié)構(gòu)的EMCCD進(jìn)行表面處理，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的紫外成像探測。2012年，Nikzad基于δ摻雜技術(shù)對(duì)英國E2V公司的EMCCD做進(jìn)一步減薄，并生長δ摻雜層，使器件180～200 nm波段的外量子效率超過50%[33]。

2.2 紫外CMOS

隨著半導(dǎo)體硅工藝的進(jìn)步，CMOS性能日趨接近CCD，此外，由于在單片電路中集成了讀出電路，其具有相機(jī)體積小、功耗低的優(yōu)勢，非常適合用于宇航載荷、便攜手持設(shè)備。因此，紫外CMOS，尤其是極紫外波段CMOS，引起了科研工作者的廣泛興趣。然而，相比紫外CCD，紫外CMOS存在兩方面挑戰(zhàn)：(1)多數(shù)CMOS外延層厚度只有5 μm左右(而CCD外延層厚度為10～15 μm)，因此對(duì)CMOS減薄時(shí)的技術(shù)要求更高，而且制作大面陣紫外CMOS成像器件時(shí)大面積均勻減薄的困難更為突出；(2)背減薄CMOS器件需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免電路結(jié)構(gòu)深入到背照表面引起暗電流飽和或降低像元感光區(qū)填充比例。

歐洲航天局的太陽軌道探測器(Solar Orbiter)項(xiàng)目極大地推動(dòng)了紫外CMOS的研究進(jìn)展，該項(xiàng)目采用紫外CMOS制作極紫外成像儀(Extreme Ultraviolet Imager,EUI)，作為太陽軌道探測器載荷來監(jiān)測太陽大氣層。2007年，Waltham報(bào)道了用于極紫外成像的紫外CMOS，像元規(guī)模為4k×3k，量子效率約為15%@300 nm[34-35]，但沒有給出極紫外波段的量子效率。2012年，Halain報(bào)道的極紫外CMOS器件規(guī)模為1k×1k，極紫外波段的量子效率大于50%@17.4 nm[36]。2014年，Halain進(jìn)一步報(bào)道了該項(xiàng)目進(jìn)展，紫外CMOS器件通過Silicon-On-Insulator(SOI)工藝實(shí)現(xiàn)大面積均勻減薄，像元規(guī)模達(dá)到3k×3k，并通過采用高低增益的雙通道設(shè)計(jì)獲得高動(dòng)態(tài)范圍和低讀出噪聲。這種科學(xué)級(jí)CMOS(scientific CMOS,sCMOS)具有極低噪聲，高增益通道讀出噪聲為3個(gè)電子[37]。

CMOS電極只占像元感光區(qū)的一小部分，所以前照射CMOS器件可通過優(yōu)化鈍化層形成紫外窗口來實(shí)現(xiàn)紫外響應(yīng)增強(qiáng)，因此，前照射紫外CMOS雖然量子效率不如背照射器件，但成本和工藝門檻低，避免了復(fù)雜的背減薄工藝。2013年，Kuroda報(bào)道的前照射CMOS光譜響應(yīng)范圍為200～1 000 nm[38]。2015年，Nasuno進(jìn)一步研究使該類器件短波方向的光譜響應(yīng)范圍達(dá)190 nm，整個(gè)紫外波段的量子效率大于20%[39]。2016年，G?bler報(bào)道了基于X-FAB 0.18 μm CMOS工藝的二極管效率，通過優(yōu)化工藝中的鈍化層和引入紫外窗口，探測器在200～400 nm波段的量子效率大于30%，具備工藝代工能力。

淺層離子注入是紫外CMOS表面處理的主要方法，低溫δ摻雜技術(shù)同樣被引入到紫外CMOS研究中。2009年，Hoenk報(bào)道了δ摻雜技術(shù)在CMOS上的應(yīng)用進(jìn)展，通過δ摻雜技術(shù)，CMOS在400 nm的量子效率從小于20%(前照射)提升到超過50%(背照射)。同時(shí)，批量制備、晶圓級(jí)加工的紫外CMOS技術(shù)正在推進(jìn)[40]。

2.3 紫外增透膜

大多數(shù)薄膜材料在紫外波段存在吸收，使紫外增透材料的選擇空間很小，常用的紫外增透材料主要包括：MgF2、MgO、HfO2、Al2O3和SiO2等。紫外增透膜的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于硅在紫外波段的折射率變化很大，如圖2所示，針對(duì)某一波段的增透會(huì)使其它波段透過率降低。

圖2 硅材料的折射率 Fig.2 Refractive index of silicon at wavelength ranging from 210～830 nm

美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Hamden對(duì)紫外增透材料制備工藝減反性能進(jìn)行了深入研究，給出了不同材料適合的工作波段、最優(yōu)膜厚，以及用于硅器件的抗反射性能。結(jié)果表明，單層紫外增透膜可以使器件的量子效率超過50%(130～300 nm波段)，但未達(dá)到最優(yōu)效果[41]。2016年，Hamden又報(bào)道了基于原子層沉積工藝的3層、5層和11層結(jié)構(gòu)的紫外增透膜，用于195～215 nm波段增透，其中5層結(jié)構(gòu)增透后的器件峰值量子效率達(dá)到67.6%@206 nm[42]。硅在紫外波段的折射率變化使半導(dǎo)體工藝紫外增強(qiáng)CCD和CMOS鍍增透膜后，在可見-近紅外波段的效率降低，這是目前半導(dǎo)體工藝紫外增強(qiáng)的一個(gè)性能缺陷。

3 熒光轉(zhuǎn)換材料增強(qiáng)紫外硅探測器

熒光轉(zhuǎn)換是最早實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)硅探測器紫外響應(yīng)的技術(shù)路線，利用熒光材料吸收紫外輻射后發(fā)射與CCD工作波段一致光子的特性，來增強(qiáng)探測器紫外響應(yīng)。熒光轉(zhuǎn)換材料可通過熱蒸鍍、溶液旋涂等方法在成像器件上直接涂覆，具有工藝簡單、成本低和可大尺寸制備的優(yōu)點(diǎn)，故硅基紫外探測技術(shù)得到了迅速發(fā)展。下面將對(duì)熒光轉(zhuǎn)換材料的紫外增強(qiáng)極限和材料發(fā)展進(jìn)行簡述。

3.1 熒光轉(zhuǎn)換材料的紫外增強(qiáng)極限

圖3 (a)熒光轉(zhuǎn)換紫外增強(qiáng)原理；(b)發(fā)光角度示意圖 Fig.3 (a)Ultraviolet enhancement principle based on light conversion. (b)Schematic diagram to show light emission angle

熒光轉(zhuǎn)換材料的紫外增強(qiáng)過程如圖3(a)所示，紫外輻射被熒光轉(zhuǎn)換材料吸收后以一定的效率ηf發(fā)射可見光子，激發(fā)的可見光子在熒光轉(zhuǎn)換材料中傳輸和反射，少量光子被材料吸收或逃逸到空氣，大部分光子最終到達(dá)探測器。而部分紫外輻射和大部分可見-近紅外光則透過熒光轉(zhuǎn)換材料直接到達(dá)硅探測器。

當(dāng)忽略材料的二次激發(fā)效應(yīng)和探測器與薄膜界面反射時(shí)，可以得到熒光轉(zhuǎn)換材料發(fā)射的熒光耦合到探測器的極限效率Cfd，如式(1)所示。

(1)

式中，Rf熒光轉(zhuǎn)換材料與空的反射率，θ1、θ2、φ1、φ2定義參見圖3(b)。當(dāng)熒光轉(zhuǎn)換材料的折射率為1.5時(shí)，最大耦合效率為88.6%。

探測器紫外增強(qiáng)效率取決于多種因素，外量子效率計(jì)算可歸納為兩項(xiàng)：紫外輻射被熒光轉(zhuǎn)換材料吸收并發(fā)射可見光耦合到探測部分，紫外輻射透過熒光轉(zhuǎn)換材料直接被探測器接收部分，如式(2)所示。

ηa(λ)=(1-Rf(λ))·(1-Tf(λ))·

(1-Sf(λ))·ηf(λ)·Cfd(λ)·

ηdpl(λ)+Tf(λ)·ηb(λ) ,

(2)

式中，Tf為熒光轉(zhuǎn)換材料透過率，Sf為熒光轉(zhuǎn)換材料的散射，ηf為熒光轉(zhuǎn)換材料的熒光量子產(chǎn)率，ηdpl是探測器在熒光轉(zhuǎn)換材料發(fā)光光譜范圍內(nèi)的平均量子效率，ηb為探測器無紫外增強(qiáng)的量子效率。

根據(jù)公式(1)和公式(2)，熒光轉(zhuǎn)換材料折射率為1.5、熒光量子產(chǎn)率為100%時(shí)，紫外增強(qiáng)器件紫外波段的理論最大外量子效率為85%。然而，早期熒光轉(zhuǎn)換材料在成膜質(zhì)量、穩(wěn)定性和光學(xué)性能等方面不足，使紫外增強(qiáng)器件的效率低于50%。因此，低成本、大面陣紫外探測器迫切需要發(fā)展高性能熒光轉(zhuǎn)換材料。作為高性能紫外增強(qiáng)的熒光轉(zhuǎn)換材料需要同時(shí)具備以下特性：高熒光量子產(chǎn)率；寬紫外波段吸收光譜；發(fā)射波長與探測器靈敏波段匹配；吸收率高以便制備成薄膜，特別是對(duì)于成像器件，薄膜厚度直接影響器件的分辨能力；高光學(xué)性能，成膜質(zhì)量好，可見光波段透過率高，避免探測器長波性能損失；發(fā)光和溫度的高穩(wěn)定性好。

目前，熒光轉(zhuǎn)換材料主要有3類：有機(jī)共軛熒光轉(zhuǎn)換材料、無機(jī)稀土摻雜發(fā)光材料和膠體量子點(diǎn)材料等。

3.2 有機(jī)共軛熒光轉(zhuǎn)換材料

有機(jī)共軛分子是具有離域大π鍵的有機(jī)化合物，熒光性能優(yōu)異。自20世紀(jì)70年代開始，科研人員對(duì)利用暈苯(Coronene,C24H12)和Lumogen(C24H16O2N2)等材料來增強(qiáng)硅探測器的紫外響應(yīng)展開了廣泛研究，值得一提的是Lumogen染料成功用于商業(yè)CCD的紫外增強(qiáng)。

暈苯也稱六苯并苯，是以苯環(huán)為單位的七環(huán)芳烴碳?xì)浠衔?，其吸收波長小于380 nm，發(fā)射光譜在可見光波段，波長范圍為450～600 nm，發(fā)射峰值約為500 nm。1979年，Blouke報(bào)道了暈苯紫外增強(qiáng)的800×800像元CCD[43]。1980年，Blouke做了進(jìn)一步研究，紫外波段的外量子效率約為9%@253.7 nm，將短波方向的紫外光譜響應(yīng)延伸至58.4 nm[44]。由于二極管沒有多晶電極遮擋而且可見光波段效率高，Cowens在1980年研究了暈苯和Lumogen對(duì)二極管的紫外增強(qiáng)效果。結(jié)果顯示：暈苯紫外增強(qiáng)PIN二極管的外量子效率超過30%；Lumogen增強(qiáng)的二極管外量子效率也超過25%[45]。1981年，Viehmann報(bào)道的暈苯和Lumogen的熒光量子產(chǎn)率分別為～60%和～50%，增強(qiáng)硅二極管的紫外波段外量子效率都超過20%[46]。然而，暈苯的熒光產(chǎn)率在385 nm處有一個(gè)30 nm寬的低谷，且與CCD的光譜匹配不如Lumogen。1989年，Morrissey等人報(bào)道了像元規(guī)模為1 024×1 024的 Lumogen紫外增強(qiáng)CCD，其紫外波段的量子效率達(dá)到16%@200 nm[47]。1995年，Blouke等人對(duì)Lumogen膜的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，在紫外輻射1.4×1014photons/cm2/s@253 nm的條件下照射15 h，薄膜光轉(zhuǎn)換效率性能幾乎未衰減，但在95 ℃真空中薄膜會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)穿孔[48]。2011年，Deslandes進(jìn)一步報(bào)道了商業(yè)S0790 Lumogen材料的物理性能。通過物理氣相沉積(physical vapour deposited,PVD)方法，發(fā)現(xiàn)材料熔點(diǎn)為295 ℃、沸點(diǎn)為328.6 ℃，材料晶態(tài)在80 ℃退火下會(huì)發(fā)生重構(gòu)，從而引起光學(xué)性能變化，制備的薄膜表面非常粗糙，如圖4(a)所示[49]。

國內(nèi)清華大學(xué)、上海理工大學(xué)和長春光機(jī)所等機(jī)構(gòu)對(duì)有機(jī)共軛材料增強(qiáng)CCD紫外光譜響應(yīng)進(jìn)行了廣泛深入的研究[50-52]。2010年，張大偉對(duì)Lumogen薄膜的光譜性能進(jìn)行了表征分析，結(jié)果顯示材料的折射率約為1.3，具有良好的增透效果，并測量了透過、吸收光致發(fā)光光譜。薄膜在可見光波段有較好的透過性[52]。同年，清華大學(xué)的杜晨光研究了暈苯增強(qiáng)CCD的紫外響應(yīng)，器件在253.6 nm相對(duì)信號(hào)響應(yīng)強(qiáng)度提高了10倍[50]。2013年，張大偉課題組的姜霖將更低成本的旋涂制備方法用于Lumogen薄膜制備，并對(duì)薄膜性能進(jìn)行了表征[53]。2017年，長春光機(jī)所的馮宇祥優(yōu)化了CCD紫外增強(qiáng)薄膜旋涂工藝[54]。2017年，上海理工大學(xué)的陶春先采用真空熱阻蒸發(fā)方式在CMOS圖像傳感器感光面上鍍制不同厚度Lumogen薄膜，使器件外量子效率提高10%[55]。

Lumogen用于CCD紫外增強(qiáng)的限制是熒光量子產(chǎn)率低，材料長時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生分解導(dǎo)致發(fā)光效率進(jìn)一步下降，此外，成膜質(zhì)量差使其與探測器結(jié)合后光耦合效率低，限制了紫外增強(qiáng)性能。

3.3 無機(jī)稀土摻雜發(fā)光材料

量子裁剪機(jī)理使稀土材料的理論光轉(zhuǎn)換效率超過100%，這一特性在發(fā)光器件、太陽能電池領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。量子裁剪機(jī)理可突破下轉(zhuǎn)換發(fā)光紫外增強(qiáng)探測器的理論性能極限，獲得超過100%外量子效率的硅基紫外增強(qiáng)探測器。

2004年，F(xiàn)ranks使用商業(yè)稀土磷光粉(La,Ce,Tb)PO∶Ce∶Tb作為光轉(zhuǎn)換材料增強(qiáng)CCD紫外響應(yīng)，在265 nm紫外光照射下器件量子效率達(dá)到12%，但成膜存在大量孔隙，厚度約為20 μm[56]。2009年，上海理工大學(xué)的劉猛制備了Zn2SiO4∶Mn材料的薄膜，薄膜激發(fā)峰為265 nm，發(fā)射峰為525 nm，適用于硅基成像探測器的紫外增強(qiáng)[57]。2014年，Xing Sheng設(shè)計(jì)了可見盲硅基紫外增強(qiáng)二極管陣列，將Eu3+復(fù)合材料(EuHD)嵌入到PMMA中作為光轉(zhuǎn)換膜層和波導(dǎo)。如圖4(b)所示，所得薄膜發(fā)光效率為77%。另外，他通過光學(xué)結(jié)構(gòu)使探測器在300～360 nm波段的光響應(yīng)是400 nm以上波段的102～103倍。該研究為熒光轉(zhuǎn)換材料紫外增強(qiáng)探測器設(shè)計(jì)提供了一種新的思路[58]。2018年，河南科技大學(xué)臺(tái)玉萍課題組研究了Nd3+-Yb3+耦合摻雜的YAG微晶玻璃，在355 nm紫外光照射下，Yb3+離子通過量子裁剪發(fā)射出兩個(gè)980 nm近紅外光子，光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到185%[59]。

圖4 (a)PVD制備的Lumogen膜TEM圖[49]；(b)EuHD-PMMA膜在可見光和紫外光照射下的圖像[58]；(c)旋涂在石英基底上的鈣鈦礦量子點(diǎn)膜在日光和紫外光照射下的圖像；(d) 鈣鈦礦量子點(diǎn)薄膜增強(qiáng)的EMCCD；(e)360 nm紫外光成像(左)，右圖為中心區(qū)域的放大圖像；(f)電暈放電寬光譜成像和日盲紫外成像 Fig.4 (a)SEM image of an Lumogen coating by PVD[49]; (b)Photographs of a quartz substrate coated with EuDH doped PMMA under ambient visible light and UV illuminations[58]; (c)Photographs of quartz substrate coated PQDCF under ambient daylight, and under a UV 365 nm lamp; (d)PQDCF coated EMCCD; (e)Digital output image of the EMCCD camera when the resolution test chart is illuminated by a 360 nm monochrome light. The right image is the enlarged central part of the left picture size in 100×100 pixels; (f)The broadband image of corona discharge equipment in operation, and the solar-blind UV image of the discharge spark

同有機(jī)材料相比，無機(jī)稀土摻雜材料的理論光轉(zhuǎn)換效率高，具有低毒、制備簡單、抗潮解、高溫穩(wěn)定等優(yōu)異性能[60]。但稀土材料用于成像探測器紫外增強(qiáng)面臨以下幾個(gè)問題：吸收系數(shù)低，成膜難度大[61]；發(fā)光衰減時(shí)間長，不利于高速成像[56]；共摻雜能量傳遞時(shí)，只有高濃度摻雜受體才能提高能量傳遞效率，但同時(shí)引入了光淬滅問題[59]。

3.4 膠體量子點(diǎn)材料

膠體量子點(diǎn)具有高熒光量子產(chǎn)率、激發(fā)光譜可調(diào)、易于溶液工藝成膜、強(qiáng)紫外吸收、響應(yīng)時(shí)間快和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是發(fā)光材料研究的熱點(diǎn)[62-64]。

2011年，Bawendi將核殼結(jié)構(gòu)的PbS/CdS量子點(diǎn)嵌入到PMMA中，用于改善InGaAs二極管的紫外可見光波段響應(yīng)，近紫外波段的量子效率由1.8%提升到21%[65]。2013年，上海理工大學(xué)的張大偉課題組首次提出了通過量子點(diǎn)增強(qiáng)CCD成像器件的紫外響應(yīng)，并對(duì)制備薄膜的熒光特性進(jìn)行了分析[66]。2015年，Ninkov報(bào)道了量子點(diǎn)紫外增強(qiáng)的CMOS圖像傳感器。他通過Optomec氣溶膠噴射快速成型系統(tǒng)沉積了高質(zhì)量CdSe/ZnS量子點(diǎn)薄膜，遺憾的是涂膜后器件的量子效率在紫外波段有所下降，作者認(rèn)為是由于有機(jī)物殘留導(dǎo)致紫外吸收使效率衰減[67]。實(shí)際上，使用傳統(tǒng)無機(jī)量子點(diǎn)制備薄膜面臨嚴(yán)重聚集和熒光淬滅問題，成膜后量子點(diǎn)的熒光轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生了衰減。

通過原位制備工藝，鈣鈦礦量子點(diǎn)可一步合成分布均勻的高光學(xué)性能薄膜。薄膜熒光量子產(chǎn)率超過90%，非吸收波段透過率為90%@600 nm，折射率為1.48，具有增透性質(zhì)[68-70]。近期，本課題組通過在PVDF聚合物中原位制備鈣鈦礦量子點(diǎn)，獲得了厚度在1～6 μm可調(diào)、熒光量子產(chǎn)率高達(dá)94%的鈣鈦礦量子點(diǎn)復(fù)合膜(Perovskite quantum dots embedded composite films,PQDCF)，如圖4(c)所示。通過旋涂工藝制備在二極管表面上，可使器件的量子效率達(dá)到50.6%@290 nm(290 nm波段未增強(qiáng)前，無響應(yīng))；將其旋涂在EMCCD器件上可使紫外區(qū)量子效率達(dá)到15.1%@290 nm，圖4(d)給出了紫外增強(qiáng)EMCCD的實(shí)物圖，圖4(e)是器件在紫外光照射下的分辨成像結(jié)果，圖4(f)是器件對(duì)電暈處理機(jī)放電火花的寬光譜和日盲紫外成像圖[70]。PQDCF具有低成本、工藝簡單和易于大面積制備等優(yōu)勢，與背照射EMCCD器件結(jié)合，預(yù)計(jì)可使紫外區(qū)的光譜響應(yīng)超過60%，而且大于540 nm的光譜量子效率不受影響，是增強(qiáng)探測器日盲紫外波段響應(yīng)的理想材料。

4 低維材料硅基紫外探測器

近年來，以石墨烯為代表的低維材料掀起了材料領(lǐng)域的新變革，在能源和光電領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力[71-75]。而作為最重要的半導(dǎo)體材料，硅與低維材料相結(jié)合不但能形成異質(zhì)結(jié)突破硅材料自身帶隙限制，還能為新材料開發(fā)應(yīng)用提供成熟工藝平臺(tái)。異質(zhì)結(jié)融合了硅和低維材料的優(yōu)點(diǎn)，為光電探測技術(shù)發(fā)展提供了廣闊的研究空間，成為未來紫外成像探測技術(shù)有所突破的重要研究方向。

基于硅的紫外靈敏材料包括與硅材料形成異質(zhì)結(jié)的材料:石墨烯[76]、β-Ga2O3[77]、MoS2[78-79]、TiO2[80-81]、ZnO[82]、Bi2Se3[83]、WS2[84]、In2Te3[85]等。目前，大部分研究工作基于單元器件開展，圖5(a)～5(d)給出了單元器件的結(jié)構(gòu)原理，表1給出了硅基低維材料探測器的性能對(duì)比。

圖5 硅基低維材料探測器結(jié)構(gòu)示意圖。(a)硅基石墨烯探測器[76]；(b)β-Ga2O3/p-Si異質(zhì)結(jié)探測器[77]；(c)MoS2/Si異質(zhì)結(jié)探測器[79];(d)TiO2納米線/p-Si異質(zhì)結(jié)探測器[80]；(e)石墨烯MoS2/WSe2三明治結(jié)構(gòu)光電器件[86]；(f)硅基石墨烯/膠體量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)388×288探測器陣列[87] Fig.5 (a)Photodetector based on rGO/n-Si p-n vertical heterojunction[76]; (b)Schematic diagram of the fabricated b-Ga2O3/p-Si heterojunction structure[77]; (c)Schematic illustration of a MoS2/Si heterojunction device[79]; (d)Schematic illustration of a TiO2 nanorod arrays/n-Si heterojunction device[80]; (e)Schematic and optical image of MoS2/WSe2 junction sandwiched between top and bottom graphene electrodes[86]; (f)CMOS integration of CVD graphene with 388×288 pixel image sensor read-out circuit[87]

探測器類型波長/nm光響應(yīng)電流A/W探測率(Jonmes)響應(yīng)時(shí)間參考文獻(xiàn)rGO/n-Si365～6001.52--0.002/0.0037 ms[76]β-Ga2O3/p-Si254(solar-blind UV)370-1.79 s[77]MoS2/Si300～1 20011.92.1×101030.5/71.6 μs[78]MoS2/Si250～1 20023.11.63×101221.6/65.5 μs[79]TiO2/n-Si300～6000.3-18.5/19.1 ms[80]TiO2/p-Si365～9804681.96×101450/50 ms[81]ZnO/p-Si365101.2-0.44/0.59 s[82]Bi2Se3/Si365～1 10024.284.39×10122.5/5.5 μs[83]WS2/Si370～1 0640.72.7×1094.1/4.4 s[84]In2Te3/Si370～1 0641374.74×10106/8 ms[85]

低維材料異質(zhì)結(jié)吸收系數(shù)低，使材料層數(shù)成為影響探測器靈敏度的重要因素。圖5(e)是2014年Lee報(bào)道的基于石墨烯-MoS2/WSe2-石墨烯的三明治結(jié)構(gòu)光電器件。異質(zhì)結(jié)材料厚度會(huì)對(duì)器件外量子效率產(chǎn)生很大影響。單層、雙層和多層異質(zhì)結(jié)材料的器件外量子效率分別為2.4%、12%和34%。由于探測器光生電荷的產(chǎn)生、收集、復(fù)合與材料層數(shù)相關(guān)，所以效率提升與厚度是非線性的，器件整體性能還有進(jìn)一步優(yōu)化提升的空間[86]。

2017年，低維材料的面陣器件研究取得突破性進(jìn)展。Goossens與其他共同作者報(bào)道了基于石墨烯-CMOS的寬波段圖像傳感器，探測器規(guī)模為388×288，像元尺寸為35 μm，如圖5(f)所示。這種將低維材料與半導(dǎo)體硅工藝的結(jié)合面陣探測器，對(duì)硅基低維材料探測器應(yīng)用具有里程碑意義。探測器以石墨烯和PbS膠體量子點(diǎn)作為異質(zhì)結(jié)感光層，再與半導(dǎo)體硅CMOS讀出電路進(jìn)行歐姆接觸，實(shí)現(xiàn)了紫外-可見-紅外(300～2 000 nm)寬光譜成像探測[87]。

綜上所述，硅基低維材料探測器的研究還處于探索階段，面臨的多挑戰(zhàn)：探測器效率仍然偏低，有必要引入多層低維材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行提升；受限于電導(dǎo)率，電極占用了探測有效感光面，高填充比像元化需要進(jìn)一步優(yōu)化；在硅基底上高質(zhì)量、大面積制備或轉(zhuǎn)移低維材料是器件應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，需要進(jìn)一步研究。

5 紫外成像應(yīng)用

硅基紫外成像探測器具有寬光譜響應(yīng)的特點(diǎn)，能夠探測從紫外到近紅外的光輻射，通過光學(xué)系統(tǒng)中的濾光片切換可獲得選通波段的光譜成像。硅基紫外成像探測器作為寬光譜器件適合用于天文探測和生化分析中的光譜成像研究，結(jié)合紫外濾光片可以實(shí)現(xiàn)日盲、可見盲紫外波段探測。在電暈放電檢測、火災(zāi)預(yù)警等民用領(lǐng)域以及導(dǎo)彈告警、天基預(yù)警、火力點(diǎn)探測等軍事領(lǐng)域均具有應(yīng)用潛力，下面分別進(jìn)行簡要介紹。

5.1 天文探測

紫外天文探測主要研究10～360 nm紫外波段的天體輻射，是天文學(xué)重要分支[88]。由于溫度超過10 000K的天體輻射光譜峰值在紫外波段，且紫外波段內(nèi)有豐富的各種元素吸收線和發(fā)射線，使紫外天文物理成為研究天體結(jié)構(gòu)和演化不可缺少的部分。由于大氣對(duì)小于300 nm的紫外輻射具有強(qiáng)吸收作用，故紫外天文探測要在大氣層外的各種空間平臺(tái)上進(jìn)行。

自1960年美國發(fā)射第一顆天文衛(wèi)星“太陽輻射監(jiān)測衛(wèi)星1號(hào)”對(duì)太陽的紫外輻射通量和X射線進(jìn)行了測量以來，越來越多天文探測器上都裝有紫外儀器[89]，例如：哈勃望遠(yuǎn)鏡的影像攝譜儀(STIS)、太陽和日球?qū)犹綔y器(SOHU)的極紫外望遠(yuǎn)鏡(EIT)、金星快車的紫外和紅外大氣分光儀(SPI-CAV)、朱諾號(hào)的紫外攝譜儀(Juno-UVS)和電離層連接探索(ICON)項(xiàng)目的遠(yuǎn)紫外成像儀等[90-91]。紫外成像探測器也從真空器件，逐漸向大面陣的硅基成像探測器方向發(fā)展。目前，對(duì)地或行星的紫外成像主要利用的是大氣反射和電離輻射的紫外光，信號(hào)能量相對(duì)較弱，因此主要采用真空結(jié)構(gòu)的紫外探測器，而對(duì)日和恒星的紫外成像多采用硅基紫外方案。發(fā)展高靈敏度的紫外增強(qiáng)EMCCD和sCMOS，可為天文探測提供大面陣、低成本、高靈敏和長壽命的成像器件。

哈勃望遠(yuǎn)鏡上第二代廣域照相機(jī)的光譜響應(yīng)為120～1 000 nm，其探測器為Lumogen涂層CCD，器件分辨率為800×600，并采用48個(gè)彩色濾光片用于不同光譜波段的切換[92]。第三代廣域照相機(jī)于2008年發(fā)射用于替換第二代相機(jī)，圖6是探測器的裝配圖。探測器使用背照射紫外增強(qiáng)CCD，通過兩片4k×2k器件拼接獲得4k×4k的相機(jī)分辨率，光譜響應(yīng)范圍為200～1 000 nm，濾光片達(dá)到62組[93]。

圖6 哈勃望遠(yuǎn)鏡第三代廣域照相機(jī)的背照射式紫外CCD探測器裝配圖 Fig.6 Assembly drawing of back-illuminated UV CCD detector for Hubble telescope third-generation camera

2019年，印度計(jì)劃發(fā)射阿迪雅L1(Aditya-L1)衛(wèi)星，裝載太陽紫外成像望遠(yuǎn)鏡用于持續(xù)監(jiān)測太陽大氣層、測量離子通量和磁場。望遠(yuǎn)鏡探測器采用4k×4k CCD，通過11個(gè)濾光片組成的濾光輪實(shí)現(xiàn)200～400 nm窄帶和寬波段成像選擇[94]。

太陽軌道探測器是歐洲航天局發(fā)起的針對(duì)太陽和行星星際物理的研究項(xiàng)目，立項(xiàng)之初就計(jì)劃采用CMOS作為紫外成像器件，計(jì)劃2018年發(fā)射。探測器搭載的極紫外成像儀具有3個(gè)成像通道：①高分辨(100 km分辨率)氫李曼α線通道；②高分辨17.4 nm極紫外通道；③全太陽視場通道，其可選通17.4 nm或30.4 nm成像[37]。通道①的探測器采用像增強(qiáng)器耦合CMOS方案，通道②和③采用背照射的3k×3k紫外增強(qiáng)CMOS。

5.2 生化分析

有機(jī)材料對(duì)紫外輻射具有特殊的反射和吸收性質(zhì)，且不同化學(xué)分子的吸收發(fā)射光譜各異，這為紫外成像探測在有機(jī)物質(zhì)分析中的應(yīng)用提供了依據(jù)。紫外成像用于生化檢測常通過紫外光源照射被檢測目標(biāo)，測量目標(biāo)反射和透射的成像，再通過數(shù)據(jù)分析獲得定量結(jié)果。

圖7 (a)阿司匹林藥物包衣均勻性分析，無包衣片劑(上)、包衣片劑(中)、包衣破損藥物片劑(下)的可見圖像(左)和365 nm紫外光照射下的吸收?qǐng)D像(右)[95]；(b)降血糖藥物鹽酸二甲雙胍(500 mg)在0.1 mL/mol鹽酸溶液(含2 g/mL氯化鈉和50 mM磷酸二氫鉀)中的溶解過程，可見透射吸收?qǐng)D像(上)，紫外透射吸收?qǐng)D像(下)[5] Fig.7 (a)Image analysis of representative ASA tablets with either homogeneous or inhomogeneous coatings, photograhp and UV imaging of uncoated ASA tablet(top), coated ASA tablet(middle) and coated ASA tablet with coating defectes(bottom)[95]; (b)UV and visible absorbance maps obtained for Glucophage SR, 500 mg metformin HCl tablet in 0.1 M HCl containing 2.0 g/L NaCl and 50 mM KH2PO4[5]

藥物片劑的包衣質(zhì)量非常重要，可控制藥物的釋放部位減少對(duì)胃的激性，及控制藥物的釋放速度達(dá)到緩釋長效的目的。圖7(a)給出了阿司匹林片劑的紫外成像圖，通過藥物片劑包衣的紫外吸收屬性，可快速檢測包衣缺陷和厚度，區(qū)分包衣均勻和不均勻的片劑，檢測方式快速且無損[6,95]。2018年，?stergaard回顧了紫外成像在藥物分析中的應(yīng)用，圖7(b)是降血糖藥物鹽酸二甲雙胍在鹽酸溶液中溶解的透射圖像。通過紫外成像可實(shí)時(shí)觀測到藥物溶脹、沉淀、擴(kuò)散、分區(qū)等現(xiàn)象，這將為藥物開發(fā)提供一種全新的監(jiān)測手段[5]。

美國Calorado大學(xué)癌癥中心對(duì)600名兒童進(jìn)行紫外成像研究，發(fā)現(xiàn)那些易受皮膚病危害的兒童在紫外攝影圖像中有更多的斑點(diǎn)[96]。2017年，Pratt通過紫外成像分析了不同人群涂覆防曬霜盲區(qū)的癌變風(fēng)險(xiǎn)[97]。這些研究表明，紫外成像可有效檢測皮膚病，能夠?qū)Σ∽兒蜐撛诘牟∽冿L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量分析。

此外，紫外光譜成像探測還可以用于刑偵探測中汗?jié)撝讣y、血跡成像，谷物病定量檢測和篩除，海洋油污檢測和水質(zhì)監(jiān)測等領(lǐng)域。

5.3 電暈檢測

電暈放電檢測和定位是紫外成像探測技術(shù)在電力電子領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用[8]。電暈放電發(fā)射光譜在230～405 nm的紫外波段，如圖8(c)所示，可見光分量很小，易發(fā)生于分環(huán)、落線、跳線及過線、限位桿、管端和連接頭等部位[98]。由于電暈放電會(huì)干擾無線電高頻通訊、損害傳輸線路、消耗電能，因此，準(zhǔn)確地檢測電暈放電位置和強(qiáng)弱，對(duì)保證電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行減少設(shè)備損害具有重要意義[99]。俄羅斯、美國、南非和以色列等國家和國內(nèi)廠家研制開發(fā)了用于日間檢測電暈的紫外電暈檢測儀，工作原理如圖8(a)所示。該類儀器一般利用紫外分光器或雙孔徑方式將輸入的光譜分離成紫外和可見兩部分，然后同步采集成像，最后通過圖像融合生成目標(biāo)圖像。紫外通道需通過日盲濾光片過濾掉雜光，透過波長范圍一般在240～280 nm。這種窄帶紫外透射使電暈輻射信號(hào)更微弱，探測器常采用高靈敏的紫外ICCD。發(fā)展高靈敏紫外增強(qiáng)EMCCD和sCMOS技術(shù)，有望使電暈檢測設(shè)備大幅提升便攜性和成像分辨力。

圖8 紫外成像的電暈檢測應(yīng)用。(a)電暈探測儀器原理；(b)電暈放電圖像：日盲圖像(左上)，可見圖像(左下)，融合圖像(右)；(c)太陽光譜與電暈放電光譜；(d)南非UViRCO公司的CoroCAM 8多光譜電暈成像儀；(e)以色列Ofil公司的Luminar手持紫外成像儀 Fig.8 Application of UV imaging in corona detection. (a)Schematic diagram of corona discharge detector; (b)Corona discharge image: solar blind image(upper left), visible image(lower left), fusion image(right); (c)Solar spectrum and corona discharge spectrum; (d)Multi-spectral corona imager CoroCAM 8 of UViRCO, South Africa; (e)Luminar hand held UV imager of Ofil, Israel

雖然硅基探測器的寬光譜響應(yīng)使日盲探測需高帶外截止濾光片，但通過光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)單一探測器的紫外-可見-近紅外融合成像。

探測技術(shù)的發(fā)展趨勢是多波段信息的有效利用，因此發(fā)展紫外、可見、紅外多波段電暈檢測系統(tǒng)成為高性能探測一個(gè)重要方向。2011年，中科院長春光機(jī)所的的劉建卓報(bào)道了基于上述三波段的電暈系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)[100]，南非UViRCO公司推出的CoroCAM-8三波段電暈成像儀，如圖8(d)所示。這種多波段的探測系統(tǒng)能夠在白天、夜晚、大霧和雪天環(huán)境下遠(yuǎn)距離探測高壓輸電設(shè)備的電暈放電，并對(duì)電暈放電位置進(jìn)行精確定位，從而判斷高壓輸電設(shè)備的損壞程度，為電力部門預(yù)防重大電力事故的發(fā)生提供了技術(shù)保障。

5.4 軍事應(yīng)用

導(dǎo)彈推進(jìn)劑燃燒時(shí)的化學(xué)發(fā)光和熱致發(fā)光、槍炮射擊時(shí)出口附近火藥的二次燃燒都會(huì)產(chǎn)生紫外輻射。由于臭氧層對(duì)太陽紫外輻射的強(qiáng)烈吸收和散射作用，使240～280 nm波段形成背景為零的日盲區(qū)，280～400 nm波段形成背景均勻的可見盲區(qū)，這兩個(gè)波段成像效果分別體現(xiàn)為暗背景上的亮點(diǎn)和亮背景上的暗點(diǎn)，使紫外探測可獲得高信雜比和低虛警率。因此，紫外成像探測廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈逼近告警、天基預(yù)警、火力點(diǎn)定位等。

導(dǎo)彈逼近紫外告警系統(tǒng)具有虛警率低、體積小、無需致冷、低功耗、低成本等特點(diǎn)，已逐漸成為機(jī)載平臺(tái)的一種標(biāo)準(zhǔn)配置[101]。美國Northrop Grumman已生產(chǎn)了四代導(dǎo)彈逼近紫外告警系統(tǒng)，其中第四代產(chǎn)品AN/AAR-54(V)已發(fā)展為成像型紫外告警設(shè)備，可直接與紅外對(duì)抗系統(tǒng)(Directed InfraRed CounterMeasures,DIRCM)AN/AAQ-24配合使用，如圖9(a)所示。英國BAE公司研制生產(chǎn)了成像型導(dǎo)彈紫外告警器AN/AAR-57(V)，并作為AN/ALQ-212先進(jìn)威脅紅外對(duì)抗系統(tǒng)(Advanced Threat IR Countermeasures,ATIRCM)的子系統(tǒng)，如圖9(b)和圖9(c)所示。南非Saab Avitronics公司研制了日盲紫外導(dǎo)彈告逼近警器MAW-300；歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)(EADS)研制了AN/AAR-60紫外導(dǎo)彈器告警器。目前，發(fā)達(dá)國家新型的第三代戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)和第四代戰(zhàn)斗機(jī)均已裝備機(jī)載導(dǎo)彈逼近紫外告警器。為滿足全方向的告警需求，多采用幾個(gè)到幾十個(gè)紫外成像探測器組成的導(dǎo)彈逼近紫外告警系統(tǒng)。

圖9 紫外成像的軍事應(yīng)用。(a)AN/AAR-54(V)紫外告警系統(tǒng)；(b)AN/AAR-57(V)紫外告警系統(tǒng)；(c)直升機(jī)上安裝的AN/AAR-57(V)；(d)美國太空跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)衛(wèi)星示意圖；(e)槍、炮口的可見紫外疊加圖 Fig.9 Application of UV imaging in military. (a)The photograph of AN/AAR-54(V); (b)The photograph of AN/AAR-57(V); (c)AN/AAR-57(V) in helicopter; (d)The schematic of space tracking and surveillance system; (e)UV-visible fusion image of firing

1998年，美國的“太空跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”(Space Tracking and Surveillance System,STSS)的示意圖中明確包含了紫外波段的天基預(yù)警(圖9(d))。天基紫外預(yù)警系統(tǒng)利用搭載在地球同步軌道預(yù)警衛(wèi)星上的紫外成像探測器，在彈道導(dǎo)彈的助推段、戰(zhàn)略導(dǎo)彈的助推段和末助推段及時(shí)發(fā)現(xiàn)助推器羽煙中的紫外輻射，對(duì)彈道導(dǎo)彈和戰(zhàn)略導(dǎo)彈進(jìn)行可靠的早期預(yù)警和跟蹤，是紅外預(yù)警技術(shù)的有效補(bǔ)充。

在現(xiàn)代城市作戰(zhàn)和反恐任務(wù)中，敵方火力點(diǎn)多處于隱蔽狀態(tài)。然而步槍、火箭彈和火炮等射擊時(shí)，槍炮口噴出的火藥二次燃燒會(huì)發(fā)射很強(qiáng)的紫外輻射，如圖9(e)所示。因此，使用紫外成像探測器能準(zhǔn)確識(shí)別火力點(diǎn)。這些信息由地面作戰(zhàn)人員和機(jī)組人員共享后可協(xié)同對(duì)火力點(diǎn)定位，為反擊作戰(zhàn)提供信息。

6 結(jié)束語

紫外成像探測技術(shù)發(fā)展離不開應(yīng)用需求牽引和器件性能提升的推動(dòng)。表2總結(jié)了硅紫外探測器的3種技術(shù)路線的特點(diǎn)以及其優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 紫外增強(qiáng)硅基成像探測器的3種主要技術(shù)路線

硅基紫外成像探測器得益于硅半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，在可靠性、集成度、大面陣、低成本方面具有優(yōu)勢。無論是半導(dǎo)體工藝紫外增強(qiáng)CCD和CMOS、熒光轉(zhuǎn)換材料紫外增強(qiáng)硅探測器，還是與低維材料結(jié)合的硅基異質(zhì)結(jié)探測器，都有著進(jìn)一步深入研究和性能提升的空間。伴隨紫外探測技術(shù)的廣泛應(yīng)用需求，新材料、新工藝將為硅基紫外成像探測器件發(fā)展帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

(1)探測光譜極紫外延伸：目前，EUV波段應(yīng)用以真空器件為主。硅器件在低于100 nm的EUV波段，由于表層SiO2的吸收使其響應(yīng)并不高，而傳統(tǒng)的Lumogen、暈苯材料的光學(xué)性能不佳，且與探測器結(jié)合的效率偏低。因此，硅器件表面鈍化處理工藝還需要進(jìn)一步研究突破，并探索穩(wěn)定性好、光學(xué)性能優(yōu)異、EUV波段高熒光產(chǎn)率、低成本的新紫外增強(qiáng)熒光材料體系。

(2)提升探測靈敏度：基于現(xiàn)有的高靈敏成像探測技術(shù)，如EMCCD和sCMOS，增強(qiáng)器件的紫外光譜響應(yīng)是提升探測靈敏度非常有效的途徑；基于量子裁剪、三線態(tài)裂變[102]等機(jī)理發(fā)展熒光量子產(chǎn)率超過100%的熒光轉(zhuǎn)換材料，理論上可以使硅基成像探測器的外量效率提升到100%以上；將新材料與高靈敏硅讀出電路相結(jié)合，進(jìn)一步發(fā)展硅基異質(zhì)結(jié)探測器，將突破硅材料的帶隙限制，為硅基紫外增強(qiáng)探測器件發(fā)展開辟新方向。

(3)帶外截止：在日盲或單譜線紫外探測應(yīng)用時(shí)，需要探測器對(duì)帶外光截止，而硅基探測器屬于寬光譜響應(yīng)型，因此需要設(shè)計(jì)高性能的帶外截止光學(xué)系統(tǒng)和濾光片。近年來，基于鋁微納網(wǎng)格、光子晶體、光學(xué)系統(tǒng)的日盲探測技術(shù)不斷發(fā)展[103-105]，研究探索高性能帶外截止技術(shù)成為日盲或可見盲紫外成像探測技術(shù)的一個(gè)重要方向。