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本论文研究了延伸波长InGaAs红外焦平面暗电流及读出电路。InGaAs红外焦平面组件在0.9-1.7μm波段可以非制冷室温下工作,但是当响应光谱延展至2.4μm时,InGaAs光敏元与衬底InP晶格不匹配,暗电流比1.7μm波段的大2—3个数量级。针对延伸波长InGaAs暗电流大,容易使读出电路积分电容饱和、均匀性差等问题,对焦平面噪声与温度、积分时间(Tint)关系进行测量,分析噪声成分,并提出一种基于输入级失调补偿的读出电路设计,用于补偿读出电路输入级的失调补偿电压,从而减小光敏元两端的偏压,以达到抑制暗电流的目的。本论文研究的内容和主要结果如下:
1、通常焦平面组件信号与积分时间Tint成正比,而其噪声与Tint的开方成正比,因而利用焦平面的片内积分功能即延长Tint就可以提高信噪比。本论文在实验上发现在某些条件下,焦平面噪声与积分时间成正比的现象,并进行了理论分析。对三种不同尺寸InGaAs光敏元的焦平面噪声与温度、积分时间的关系进行了实验和分析,结果表明对于小周长面积比(25×25μm2)的延伸波长InGaAs焦平面,其主要噪声是散粒噪声和产生复合噪声,1/f噪声最大只占总噪声功率的38％左右；而大周长面积比(38×500μm2)的延伸波长InGaAs焦平面,其主要噪声是1/f噪声,积分时间越长,1/f噪声占焦平面总噪声比重越大,可以达到总噪声功率的75％左右,此时焦平面噪声与积分时间Tint成正比。这些结果提示,改进光敏芯片的表面处理工艺从而降低表面漏电引起的1/f噪声,是提高延伸波长InGaAs焦平面性能的一个重要方面。
2、针对延伸波长InGaAs暗电流比较大的特点,设计了带有Autozero补偿技术的8元读出电路,并对读出电路进行仿真,版图设计、验证。采用0.5μm标准CMOS工艺流片之后,对读出电路以及其与InGaAs光敏元耦合互连后的焦平面进行测试,结果表明:A)读出电路工作在没有电压补偿的模式下,饱和信号值为1.85V,线性范围为0—1.8V,Tint=3ms时,噪声为7.5E-4V,动态范围为68dB；B)工作在补偿模式下,光敏元两端的失调电压反而从4mV增到16mV。对光敏元偏置电压的稳定性测量分析指出,MOS晶体管的栅极注入电荷和漏电流是影响失调补偿的主要因素。为了克服MOS管栅极注入电荷的影响,提出了一种新的读出电路设计方案,增大补偿电容、改变放大器双端输出为单端输出、增大控制补偿电容的MOS管长宽比,完成了新读出电路的版图设计与验证。