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CCD及CMOS的紫外響應增強膜

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。先進光譜儀器是集光、機、電和計算機于一體，技術密集的高科技產品。它是現代科技必不可少的精密檢測和分析手段，是現代天文學、航空航天、分子生物學、現代醫學、環境和生態等新科技建立和發展的基礎。國家對發展先進光譜儀器和研制光譜儀器用的探測器件非常重視，“十一五”國家科技支撐計劃專門設立了科學儀器設備研制與開發專項“先進大型光譜儀器的關鍵部件——高分辨分光器件和探測器件的研制”，技術人有幸成為承擔該課題的主要研究人員，負責高分辨探測器件的研制工作。硅基成像器件如CCD和CMOS是最廣泛應用的光電探測器，而且先進的光譜儀器都采用了CCD或CMOS作為探測器件，這是因為CCD和CMOS具有靈敏度高、低噪聲等優點。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等都在紫外波段響應很弱，這種很弱的紫外響應限制了硅基成像器件在先進光譜儀器及其他紫外波段探測方面的使用。因此，本技術的研究成果硅基成像器件的紫外響應增強薄膜是經濟建設和社會發展迫切需要。增強硅基成像器件的紫外響應，目前有兩種方法：一是改變硅基探測器的結構，如背照式CCD；另外一種是在現有的成像器件光敏窗口加鍍一層下變頻膜，把紫外光先轉化為可見光，然后再接收。國外自1980年起就開始增強硅基探測器紫外響應的下變頻薄膜研究，按使用材料的屬性，可以把變頻膜分為有機變頻膜和無機變頻膜兩種。有機變頻膜技術相對成熟，也有相關的專利出現。哈勃太空望遠鏡CCD、星球相機（WFPC）CCD和Photometrics等公司提供的響應波段延伸到紫外的CCD都是鍍的有機變頻膜。目前紫外增強有機變頻膜可使普通CCD的響應波段延伸到200nm，Roper Scientific公司開發的Metachrome II薄膜在120-430nm波段都具有良好的下變頻效果。有機變頻膜技術盡管成熟，但該類薄膜有著致命的缺點，那就是有機物分子在紫外輻射下降解速度很快。在照明度為1μW/cm2的光照下，有機分子以高達每小時3%的速率成指數降解。在這一方面，而無機變頻膜具有不可比擬的優點。無機變頻膜材料可以在它使用期限的前2%時間里，減少90%的降解量，因此，無機變頻膜具有非常優越的穩定性。在無機變頻膜方面，國外研究也剛起步，最早的報道見于2003年[1]，目前尚無成熟的增強硅基成像器件的紫外無機變頻膜技術。國內在有機和無機變頻膜方面，都沒有已見報道的研究工作。為了提高探測器對紫外輻射的敏感性，我們采取了在硅基成像器件光敏窗口上鍍變頻膜的辦法，成功地使CCD及CMOS的響應波段拓展到150nm。該產品可廣泛應用在光譜分析、軍事、空間天文、環境監測、工業生產、醫用生物學等諸多領域，對推動國家的科研和產業在這些領域的發展有極大幫助。

上海理工大學 2021-04-11

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