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具有紫外響應的硅基成像器件

傳統的CCD、CMOS硅基成像器件都不能響應紫外波段的光信號，這是因為紫外波段的光波在多晶硅中穿透深度很小（<2nm）。但是近年來隨著紫外探測技術的日趨發展，人們越來越需要對紫外波段進行更深的探測分析與認識。紫外探測技術是繼激光探測技術和紅外探測技術之后發展起來的又一軍民兩用光電探測技術。幾十年來，紫外探測技術已經逐漸應用于光譜分析、軍事、空間天文、環境監測、工業生產、醫用生物學等諸多領域，對現代科研、國防和人民生活都產生了深遠的影響。特別是在先進光譜儀器方面，國內急迫需要響應波段拓展到紫外的硅基成像器件。硅基成像器件如CCD、CMOS是應用最廣泛的光電探測器件。當前最先進的光譜儀器大都采用了CCD或CMOS作為探測器件，這是因為CCD、CMOS具有靈敏度強、噪聲低、成像質量好等優點。但由于紫外波段的光波在多晶硅中穿透深度很?。?lt;2nm），CCD、CMOS等在紫外波段響應都很弱。成像器件的這種紫外弱響應限制了其在先進光譜儀器及其他領域紫外波段探測的使用。在技術發達國家,寬光譜響應范圍、高分辨率、高靈敏度探測器CCD已經廣泛應用于高檔光譜儀器中。上世紀中葉美國Varian公司開發的Varian700 ICP-AES所使用的寬光譜CCD檢測器分辨率達0.01nm,光波長在600nm和300nm時QE分別達到了84%和50%；美國熱電公司開發的CAP600 系列ICP所用探測器光譜響應范圍更是達到165～1000nm，在200nm時的分辨率達到0.005nm.法國Johinyvon的全譜直讀ICP，其所用的CCD探測器像素分辨率達0.0035nm,紫外響應拓展到120nm的遠紫外波段。德國斯派克分析儀器公司的全譜直讀電感耦合等離子體發射光譜儀一維色散和22個CCD檢測器設計，其光譜響應范圍為120－800nm。德國耶拿JENA 連續光源原子吸收光譜儀contrAA采用高分辨率的中階梯光柵和紫外高靈敏度的一維CCD探測器，分辨率達0.002nm,光譜響應范圍為189—900 nm。總而言之，發達國家在寬光譜響應和高分辨率高靈敏度探測器件的研制領域已取得相當的成就。主要技術指標和創新點（1）我們在國內首次提出紫外增強的硅基成像器件，并在不改變傳統硅基成像探測器件的結構的基礎上，利用鍍膜的方法增強成像探測器件CCD、CMOS的紫外響應，使其光譜響應范圍拓寬到190—1100nm，實現對190nm以上紫外光的探測。（2）提高成像探測器的紫外波段靈敏度，達到0.1V/lex.s。（3）增強成像探測器件的紫外響應的同時，盡量不削弱探測器件對可見波段的響應。（4）選用適合的無機材料，克服有機材料使用壽命短的缺陷。紫外探測技術已經逐漸應用于光譜分析、軍事、空間天文、環境監測、工業生產、醫用生物學等諸多領域，對現代科研、國防和人民生活都產生了深遠的影響。特別是在先進光譜儀器方面，國內急迫需要響應波段拓展到紫外的硅基成像器件，該設計與傳統CCD、CMOS結合，能滿足寬光譜光譜儀器所需的紫外響應探測器的需要。能提高光譜儀器光譜響應范圍，在科學實驗和物質分析和檢測中具有很廣的市場前景。該設計樣品能取代傳統CCD、CMOS，應用于大型寬光譜光譜儀器上，作為光譜儀的探測器件。將傳統光譜儀器的光譜檢測范圍拓寬到190—1100nm. 實現紫外探測和紫外分析。具有較強的市場推廣應用價值。

上海理工大學 2021-04-11

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