高靈敏度電子擴(kuò)增ccd的發(fā)展

高靈敏度電子擴(kuò)增ccd的發(fā)展

商業(yè)樣機(jī)與芯片夜間成像檢測(cè)技術(shù)一直是各國(guó)軍事探測(cè)的中心，包括英國(guó)的電子兩倍技術(shù)（即ecd）。20世紀(jì)90年代,國(guó)外軍方在第三代微光像增強(qiáng)技術(shù)成熟后紛紛開展全固態(tài)電子倍增技術(shù)的研究。美國(guó)德克薩斯儀器(TexasInstruments簡(jiǎn)稱為TI)于1990-3-27和1994-8-9申請(qǐng)了美國(guó)專利,英國(guó)ANDOR-TECH于1998-9-23申請(qǐng)了歐洲專利。經(jīng)過將近十年的探索,ANDOR推出商業(yè)樣機(jī)系列CCD60,CCD65等,商標(biāo)名為L(zhǎng)3Vision;TI也推出商業(yè)樣機(jī)系列TC237,TC253等,商標(biāo)名為Impactron。其性能已經(jīng)被證實(shí)優(yōu)于現(xiàn)有微光像增強(qiáng)技術(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)是高量子效率、高靈敏度、高信噪比、高空間分辨率、高讀出速率、高幀速工作和可變的增益控制,可用于制造單光子檢測(cè)的科學(xué)CCD照相機(jī)。2001年,英國(guó)E2V公司通過商業(yè)渠道獲得EMCCD技術(shù),其中CCD65(其結(jié)點(diǎn)電容為65fF)是首批使用L3C技術(shù)的商業(yè)器件,在50Hz高增益模式下能有效控制讀出噪聲減小到1個(gè)電子rms以下。不久,美國(guó)TI公司推出Impactron?技術(shù),其中TC253系列采用幀轉(zhuǎn)移、黑白圖像,適用于高靈敏、低噪聲、小尺寸的應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于極微弱光信號(hào)的探測(cè),長(zhǎng)期以來一直采用ICCD設(shè)備,但其背景噪聲較大在使用當(dāng)中產(chǎn)生諸多不便?，F(xiàn)在,EMCCD技術(shù)的出現(xiàn)克服了這些問題,尤其是在對(duì)極微弱光信號(hào)的實(shí)時(shí)快速動(dòng)態(tài)探測(cè)方面具有先天的優(yōu)勢(shì),其探測(cè)靈敏度可達(dá)到真正單光子事件的檢測(cè)。1組成、結(jié)構(gòu)和工作原則無論是E2V公司的L3C還是TI公司的TC系列都在器件中合并了基于碰撞電離現(xiàn)象的固態(tài)電子倍增結(jié)構(gòu)(CCM)。1.1高壓電場(chǎng)轉(zhuǎn)移載荷1992年,Hynecek提出一種新穎的電荷探測(cè)概念,對(duì)小像素CCD成像探測(cè)器很有用。他建議:信號(hào)電荷在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下逐個(gè)讀出到輸出寄存器的轉(zhuǎn)移過程中,對(duì)CCD成像區(qū)域中的電荷載流子進(jìn)行倍增。這個(gè)建議涉及到在半導(dǎo)體材料中控制電極對(duì)建立高壓電場(chǎng)的問題。傳統(tǒng)的操作包括控制、收集、轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷,而在EMCCD元件中轉(zhuǎn)移過程所需的高壓電場(chǎng)是通過控制相鄰電極間保持巨大電壓差實(shí)現(xiàn)的。信號(hào)電荷載流子就這樣被加速成為“熱載流子”,在受控電極之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移時(shí)發(fā)生碰撞電離得到更多的載流子。盡管每次轉(zhuǎn)移的電荷倍增值很低,一般為1%,但由于實(shí)際設(shè)備讀出信號(hào)時(shí)要求有多次轉(zhuǎn)移,所以信號(hào)的總增益量通常是較大的。這里使用的僅僅是雪崩過程的初始階段,即碰撞電離階段,因此稱之為“線性雪崩”。由于伴隨“線性雪崩”倍增過程的附加噪聲很低,所以倍增的信號(hào)等級(jí)使探測(cè)器整體的信噪比大有改觀。這種四相CCM結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖2所示,實(shí)際的EMCCD成像器件是由以下幾部分組成的:產(chǎn)生信號(hào)電荷的成像區(qū),從成像區(qū)接收信號(hào)電荷的輸出寄存器,再?gòu)妮敵黾拇嫫鬓D(zhuǎn)移到獨(dú)立的倍增寄存器,以及在倍增寄存器元件中通過高壓電場(chǎng)轉(zhuǎn)移電荷時(shí)獲得倍增的方法。實(shí)際的EMCCD結(jié)構(gòu)與Hynecek所提建議并不完全相同。實(shí)際的CCM結(jié)構(gòu)獨(dú)立于傳統(tǒng)CCD結(jié)構(gòu),這就好比成像區(qū)與存儲(chǔ)區(qū),倍增區(qū)順理成章地成為CCD輸出寄存器的擴(kuò)展區(qū)。這樣,倍增寄存器本身及其運(yùn)行就可以不考慮傳統(tǒng)CCD成像器件運(yùn)行所要求的參數(shù)及其結(jié)構(gòu),而且傳統(tǒng)CCD也無須為載流子倍增加以改進(jìn)。1.2輸出工藝測(cè)試如圖3所示,實(shí)現(xiàn)雪崩倍增所需的高壓電場(chǎng)是在倍增寄存器中由相鄰電極間大電位差形成的。Ф3加上30~40V的高幅值時(shí)鐘脈沖,而Фdc保持低直流偏壓,一般取作2V。其余兩個(gè)電極都有典型幅值為10伏的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖。Ф3的高電平與直流偏壓之間的電位差決定了高壓電場(chǎng)的強(qiáng)度,從而調(diào)控倍增因子。為了調(diào)整倍增因子,可以調(diào)節(jié)高幅值脈沖的高電平或直流偏壓。但一般來講,由于Фdc的值不能過小以免過剩電荷溢出,所以調(diào)節(jié)倍增因子主要依靠調(diào)整Ф3的高電平。對(duì)于某些應(yīng)用,各級(jí)倍增寄存器元件,為實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷倍增而產(chǎn)生的高壓電場(chǎng)可以隨時(shí)間或依賴于元件位置在數(shù)量級(jí)上有所變化。但一般來講,要求產(chǎn)生同樣的電場(chǎng)。信號(hào)電荷從輸出寄存器通過每個(gè)倍增元件串行轉(zhuǎn)移,這樣就避免了列與列之間可能出現(xiàn)的增益偏差,即避免了固定模式噪聲,從而使積聚在成像區(qū)中的每一個(gè)像素得到同等程度的倍增。對(duì)于倍增寄存器中元件的數(shù)目并沒有嚴(yán)格的規(guī)定,而是根據(jù)實(shí)際的信噪比加以改進(jìn)。如果元件數(shù)目充分多就可以實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù),也就是說,可以實(shí)現(xiàn)充分低噪倍增以至于清清楚楚地探測(cè)到在各像素中產(chǎn)生電子空穴對(duì)的光子。一般要求,倍增寄存器中元件的數(shù)目是輸出寄存器元件數(shù)目的整倍數(shù)。這個(gè)整倍數(shù)可以是一倍或多倍,以便兩者能以同樣速率讀出。這樣才能使設(shè)備操作起來與標(biāo)準(zhǔn)行正程同步。從CCD相鄰存儲(chǔ)區(qū)到輸出寄存器的任一行信號(hào)電荷是在行消隱期間并行傳送的。然后這些電荷在標(biāo)準(zhǔn)TV行正程期間,從輸出寄存器串行轉(zhuǎn)移到倍增寄存器,與此同時(shí),已經(jīng)轉(zhuǎn)移到倍增寄存器的前一行電荷在行消隱期間暫時(shí)保留,此時(shí)被轉(zhuǎn)移到電荷探測(cè)電路給出一個(gè)信號(hào)輸出。需要說明的是,任一個(gè)倍增寄存器元件的電荷容量都要比輸出寄存器大。這樣,倍增寄存器才可以容納倍增產(chǎn)生的更多的信號(hào)電荷。每個(gè)倍增寄存器元件都具有同樣的電荷容量,或者越靠近電荷探測(cè)電路的倍增寄存器元件的電荷容量越大。當(dāng)倍增產(chǎn)生的信號(hào)電荷總量超過倍增寄存器的電荷容量時(shí),為阻止過剩信號(hào)電荷溢出到相鄰寄存器元件中,提供一種與成像區(qū)抗光暈結(jié)構(gòu)相似的信號(hào)抑制手段。圖4(a)顯示了倍增寄存器的一部分,其中包括了限制信號(hào)電荷最大值的方法;圖4(b)(i)顯示了圖4(a)中A-B橫截面上典型的勢(shì)阱形狀,圖4(b)(ii)顯示了圖4(a)中C-D縱截面上的勢(shì)阱形狀。其中屏障電壓Vb要小于Ф3高電平形成的勢(shì)阱深度VФ,這樣任何過剩的信號(hào)電荷就被收集到排溝區(qū)中,方向如箭頭所示。Hynecek在不同照度下,對(duì)TC253的輸出響應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果如圖5所示。它表明對(duì)于給定的增益倍數(shù),倍增寄存器的輸出(即通道1ch)隨著光強(qiáng)增大先是迅速增加,而此時(shí)溢出寄存器收集到的電荷基本為零;當(dāng)光強(qiáng)超過一定強(qiáng)度時(shí),倍增寄存器的輸出會(huì)達(dá)到飽和,而溢出寄存器的輸出(即通道2ch)則開始迅速增大,表明排溝區(qū)收集到越來越多的過剩電荷,直到自身也達(dá)到飽和。1.3增強(qiáng)gaas光電導(dǎo)光單因素試驗(yàn)以CCD65為例,前照明方式、背照明方式的CCD與MCP增強(qiáng)GaAs光電陰極進(jìn)行比較,其中背照明CCD分別裝有紅色與藍(lán)色增透膜,它們的量子效率如圖6所示。從圖中可看出背照明CCD明顯優(yōu)于前照明以及MCP增強(qiáng)光電陰極的量子效率。2cd成像技術(shù)EMCCD的應(yīng)用起始于微光監(jiān)視和超靈敏探測(cè)的科學(xué)儀器。Pool等人指出太空中充滿危險(xiǎn)的電離輻射,但研究表明太空中大多數(shù)的電離輻射對(duì)EMCCD的倍增機(jī)制沒有明顯的影響,因此EMCCD成為一類其它技術(shù)不可替代的太空科學(xué)儀器。如激光雷達(dá)LIDAR、徑向速度分光儀RVS等。D.J.Denvir等人提出利用EMCCD可以對(duì)生物分子進(jìn)行超靈敏探測(cè)?；铙w熒光成像系統(tǒng)就是利用高靈敏度的致冷EMCCD進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),可拍攝人的肉眼不可見熒光信號(hào)。例如生命科學(xué)中的DNA標(biāo)記、藥物發(fā)明、單分子檢測(cè)和顯微成像等。Andor’sLuca是一種最新型的EMCCD相機(jī),圖7(a)和7(b)是用Luca相機(jī)在晚間拍攝的微光照片,左圖增益11倍,右圖增益110倍。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)倍增增益110倍時(shí)的照片更清析,能顯示出更多細(xì)節(jié)。3景噪聲和圖像失真的影響由于EMCCD對(duì)信號(hào)電荷進(jìn)行電荷級(jí)別的放大