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CCD及CMOS的紫外响应增强膜

紫外探测技术是继激光探测技术和红外探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术。几十年来，紫外探测技术已经逐渐应用于光谱分析、军事、空间天文、环境监测、工业生产、医用生物学等诸多领域，对现代科研、国防和人民生活都产生了深远的影响。特别是在先进光谱仪器方面，国内急迫需要响应波段拓展到紫外的硅基成像器件。先进光谱仪器是集光、机、电和计算机于一体，技术密集的高科技产品。它是现代科技必不可少的精密检测和分析手段，是现代天文学、航空航天、分子生物学、现代医学、环境和生态等新科技建立和发展的基础。国家对发展先进光谱仪器和研制光谱仪器用的探测器件非常重视，“十一五”国家科技支撑计划专门设立了科学仪器设备研制与开发专项“先进大型光谱仪器的关键部件——高分辨分光器件和探测器件的研制”，技术人有幸成为承担该课题的主要研究人员，负责高分辨探测器件的研制工作。硅基成像器件如CCD和CMOS是最广泛应用的光电探测器，而且先进的光谱仪器都采用了CCD或CMOS作为探测器件，这是因为CCD和CMOS具有灵敏度高、低噪声等优点。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等都在紫外波段响应很弱，这种很弱的紫外响应限制了硅基成像器件在先进光谱仪器及其他紫外波段探测方面的使用。因此，本技术的研究成果硅基成像器件的紫外响应增强薄膜是经济建设和社会发展迫切需要。增强硅基成像器件的紫外响应，目前有两种方法：一是改变硅基探测器的结构，如背照式CCD；另外一种是在现有的成像器件光敏窗口加镀一层下变频膜，把紫外光先转化为可见光，然后再接收。国外自1980年起就开始增强硅基探测器紫外响应的下变频薄膜研究，按使用材料的属性，可以把变频膜分为有机变频膜和无机变频膜两种。有机变频膜技术相对成熟，也有相关的专利出现。哈勃太空望远镜CCD、星球相机（WFPC）CCD和Photometrics等公司提供的响应波段延伸到紫外的CCD都是镀的有机变频膜。目前紫外增强有机变频膜可使普通CCD的响应波段延伸到200nm，Roper Scientific公司开发的Metachrome II薄膜在120-430nm波段都具有良好的下变频效果。有机变频膜技术尽管成熟，但该类薄膜有着致命的缺点，那就是有机物分子在紫外辐射下降解速度很快。在照明度为1μW/cm2的光照下，有机分子以高达每小时3%的速率成指数降解。在这一方面，而无机变频膜具有不可比拟的优点。无机变频膜材料可以在它使用期限的前2%时间里，减少90%的降解量，因此，无机变频膜具有非常优越的稳定性。在无机变频膜方面，国外研究也刚起步，最早的报道见于2003年[1]，目前尚无成熟的增强硅基成像器件的紫外无机变频膜技术。国内在有机和无机变频膜方面，都没有已见报道的研究工作。为了提高探测器对紫外辐射的敏感性，我们采取了在硅基成像器件光敏窗口上镀变频膜的办法，成功地使CCD及CMOS的响应波段拓展到150nm。该产品可广泛应用在光谱分析、军事、空间天文、环境监测、工业生产、医用生物学等诸多领域，对推动国家的科研和产业在这些领域的发展有极大帮助。

上海理工大学 2021-04-11