高灵敏度电子扩增ccd的发展

高灵敏度电子扩增ccd的发展

商业样机与芯片夜间成像检测技术一直是各国军事探测的中心，包括英国的电子两倍技术（即ecd）。20世纪90年代,国外军方在第三代微光像增强技术成熟后纷纷开展全固态电子倍增技术的研究。美国德克萨斯仪器(TexasInstruments简称为TI)于1990-3-27和1994-8-9申请了美国专利,英国ANDOR-TECH于1998-9-23申请了欧洲专利。经过将近十年的探索,ANDOR推出商业样机系列CCD60,CCD65等,商标名为L3Vision;TI也推出商业样机系列TC237,TC253等,商标名为Impactron。其性能已经被证实优于现有微光像增强技术。该技术的特点是高量子效率、高灵敏度、高信噪比、高空间分辨率、高读出速率、高帧速工作和可变的增益控制,可用于制造单光子检测的科学CCD照相机。2001年,英国E2V公司通过商业渠道获得EMCCD技术,其中CCD65(其结点电容为65fF)是首批使用L3C技术的商业器件,在50Hz高增益模式下能有效控制读出噪声减小到1个电子rms以下。不久,美国TI公司推出Impactron™技术,其中TC253系列采用帧转移、黑白图像,适用于高灵敏、低噪声、小尺寸的应用场合。对于极微弱光信号的探测,长期以来一直采用ICCD设备,但其背景噪声较大在使用当中产生诸多不便。现在,EMCCD技术的出现克服了这些问题,尤其是在对极微弱光信号的实时快速动态探测方面具有先天的优势,其探测灵敏度可达到真正单光子事件的检测。1组成、结构和工作原则无论是E2V公司的L3C还是TI公司的TC系列都在器件中合并了基于碰撞电离现象的固态电子倍增结构(CCM)。1.1高压电场转移载荷1992年,Hynecek提出一种新颖的电荷探测概念,对小像素CCD成像探测器很有用。他建议:信号电荷在时钟驱动下逐个读出到输出寄存器的转移过程中,对CCD成像区域中的电荷载流子进行倍增。这个建议涉及到在半导体材料中控制电极对建立高压电场的问题。传统的操作包括控制、收集、转移信号电荷,而在EMCCD元件中转移过程所需的高压电场是通过控制相邻电极间保持巨大电压差实现的。信号电荷载流子就这样被加速成为“热载流子”,在受控电极之间进行转移时发生碰撞电离得到更多的载流子。尽管每次转移的电荷倍增值很低,一般为1%,但由于实际设备读出信号时要求有多次转移,所以信号的总增益量通常是较大的。这里使用的仅仅是雪崩过程的初始阶段,即碰撞电离阶段,因此称之为“线性雪崩”。由于伴随“线性雪崩”倍增过程的附加噪声很低,所以倍增的信号等级使探测器整体的信噪比大有改观。这种四相CCM结构如图1所示。如图2所示,实际的EMCCD成像器件是由以下几部分组成的:产生信号电荷的成像区,从成像区接收信号电荷的输出寄存器,再从输出寄存器转移到独立的倍增寄存器,以及在倍增寄存器元件中通过高压电场转移电荷时获得倍增的方法。实际的EMCCD结构与Hynecek所提建议并不完全相同。实际的CCM结构独立于传统CCD结构,这就好比成像区与存储区,倍增区顺理成章地成为CCD输出寄存器的扩展区。这样,倍增寄存器本身及其运行就可以不考虑传统CCD成像器件运行所要求的参数及其结构,而且传统CCD也无须为载流子倍增加以改进。1.2输出工艺测试如图3所示,实现雪崩倍增所需的高压电场是在倍增寄存器中由相邻电极间大电位差形成的。Ф3加上30~40V的高幅值时钟脉冲,而Фdc保持低直流偏压,一般取作2V。其余两个电极都有典型幅值为10伏的标准时钟脉冲。Ф3的高电平与直流偏压之间的电位差决定了高压电场的强度,从而调控倍增因子。为了调整倍增因子,可以调节高幅值脉冲的高电平或直流偏压。但一般来讲,由于Фdc的值不能过小以免过剩电荷溢出,所以调节倍增因子主要依靠调整Ф3的高电平。对于某些应用,各级倍增寄存器元件,为实现信号电荷倍增而产生的高压电场可以随时间或依赖于元件位置在数量级上有所变化。但一般来讲,要求产生同样的电场。信号电荷从输出寄存器通过每个倍增元件串行转移,这样就避免了列与列之间可能出现的增益偏差,即避免了固定模式噪声,从而使积聚在成像区中的每一个像素得到同等程度的倍增。对于倍增寄存器中元件的数目并没有严格的规定,而是根据实际的信噪比加以改进。如果元件数目充分多就可以实现光子计数,也就是说,可以实现充分低噪倍增以至于清清楚楚地探测到在各像素中产生电子空穴对的光子。一般要求,倍增寄存器中元件的数目是输出寄存器元件数目的整倍数。这个整倍数可以是一倍或多倍,以便两者能以同样速率读出。这样才能使设备操作起来与标准行正程同步。从CCD相邻存储区到输出寄存器的任一行信号电荷是在行消隐期间并行传送的。然后这些电荷在标准TV行正程期间,从输出寄存器串行转移到倍增寄存器,与此同时,已经转移到倍增寄存器的前一行电荷在行消隐期间暂时保留,此时被转移到电荷探测电路给出一个信号输出。需要说明的是,任一个倍增寄存器元件的电荷容量都要比输出寄存器大。这样,倍增寄存器才可以容纳倍增产生的更多的信号电荷。每个倍增寄存器元件都具有同样的电荷容量,或者越靠近电荷探测电路的倍增寄存器元件的电荷容量越大。当倍增产生的信号电荷总量超过倍增寄存器的电荷容量时,为阻止过剩信号电荷溢出到相邻寄存器元件中,提供一种与成像区抗光晕结构相似的信号抑制手段。图4(a)显示了倍增寄存器的一部分,其中包括了限制信号电荷最大值的方法;图4(b)(i)显示了图4(a)中A-B横截面上典型的势阱形状,图4(b)(ii)显示了图4(a)中C-D纵截面上的势阱形状。其中屏障电压Vb要小于Ф3高电平形成的势阱深度VФ,这样任何过剩的信号电荷就被收集到排沟区中,方向如箭头所示。Hynecek在不同照度下,对TC253的输出响应进行实验测试,结果如图5所示。它表明对于给定的增益倍数,倍增寄存器的输出(即通道1ch)随着光强增大先是迅速增加,而此时溢出寄存器收集到的电荷基本为零;当光强超过一定强度时,倍增寄存器的输出会达到饱和,而溢出寄存器的输出(即通道2ch)则开始迅速增大,表明排沟区收集到越来越多的过剩电荷,直到自身也达到饱和。1.3增强gaas光电导光单因素试验以CCD65为例,前照明方式、背照明方式的CCD与MCP增强GaAs光电阴极进行比较,其中背照明CCD分别装有红色与蓝色增透膜,它们的量子效率如图6所示。从图中可看出背照明CCD明显优于前照明以及MCP增强光电阴极的量子效率。2cd成像技术EMCCD的应用起始于微光监视和超灵敏探测的科学仪器。Pool等人指出太空中充满危险的电离辐射,但研究表明太空中大多数的电离辐射对EMCCD的倍增机制没有明显的影响,因此EMCCD成为一类其它技术不可替代的太空科学仪器。如激光雷达LIDAR、径向速度分光仪RVS等。D.J.Denvir等人提出利用EMCCD可以对生物分子进行超灵敏探测。活体荧光成像系统就是利用高灵敏度的致冷EMCCD进行实时检测,可拍摄人的肉眼不可见荧光信号。例如生命科学中的DNA标记、药物发明、单分子检测和显微成像等。Andor’sLuca是一种最新型的EMCCD相机,图7(a)和7(b)是用Luca相机在晚间拍摄的微光照片,左图增益11倍,右图增益110倍。通过对比可以发现倍增增益110倍时的照片更清析,能显示出更多细节。3景噪声和图像失真的影响由于EMCCD对信号电荷进行电荷级别的放大