InGaAs材料MSM结构光电混频探测器，涉及非扫描激光四维成像雷达领域，为了满足FM/CW体制的InGaAs材料MSM结构探测器的需求。本发明专利技术所包括的像元采用64×64阵列式排布，每个像元包括衬底、缓冲层、吸收层、缓变层、势垒增强层和叉指电极；衬底上依次设置缓冲层、吸收层、缓变层、势垒增强层和叉指电极，吸收层的材料为InGaAs；每个像元的长和宽均为60μm。本发明专利技术适用于光电混频探测。
InGaAs material MSM structure photoelectric mixer detector
InGaAs material MSM structure photoelectric mixer detector relates to the field of non scanning laser four-dimensional imaging radar, in order to meet the requirement of FM/CW structure InGaAs material MSM structure detector. The invention comprises pixels using a 64 x 64 array arrangement, each pixel comprises a substrate, a buffer layer, absorbing layer, buffer layer, barrier layer and interdigital electrode; substrate sequentially arranged on the buffer layer, absorbing layer, buffer layer, barrier layer and interdigital electrode material for absorbing layer InGaAs; the length and width of each pixel is 60 M. The invention is suitable for the detection of photoelectric mixing.
【技术实现步骤摘要】
InGaAs材料MSM结构光电混频探测器
本专利技术涉及非扫描激光四维成像雷达领域。
技术介绍
激光成像技术是自激光诞生以来20世纪70年代发展起来的一个可对目标成四维像的成像技术。所谓四维像，是指激光成像雷达获取信息丰富，不仅能获取目标二维平面强度像，还能获取目标与雷达系统之间的二维平面距离像(也称为三维距离像)。激光雷达由于可记录激光发射与接收的时间，二者的时间差就是激光往返目标与雷达之间所需时间，按照光速公式，很容易换算成距离；也就是说，激光成像雷达能对目标上不同点处的距离以可分辨的测定，可获取目标的三维距离像。强度像，就是光照到目标上的反射回波信号强度与目标的材质、姿态等固有属性有关，回波信号强度称之为强度像，用灰度等级可以反映出目标不同材质及不同姿态。因此，激光成像雷达可以成目标的四维像(一维强度+三维距离)。直到20世纪90年代末，激光成像雷达一直是采用扫描体制。随着科技不断发展，也随着人们的需求不断提高，扫描体制最大的问题是对目标成一幅像，用时长即帧频数低，这在空中运动平台上，其不足就尤为突出，所以，人们在20世纪90年代末，提出了非扫描体制。1996年美国陆军实验室提出了调频连续波(FM/CW)非扫描激光成像雷达体制，是典型的非扫描体制激光成像雷达系统。该方案将出射激光扩束成面光，可以照亮目标处的一片空域，被照射到的目标各处都将有反射光返回，在接收端有焦平面面阵探测器，用面阵上各像元逐点同时接收回波，经高速信息处理便可得到辐照空域上的目标四维像特征。这种体制显然较扫描体制的成像速率大大提高。成就这种非扫描体制的关键技术是研制出可面阵接收的大面阵高灵敏度的探测器，如同焦平面面阵成像的红外探测器一样。非扫描激光成像雷达的面阵探测器，较红外探测器不同之处主要就在于每个像元都是一个给出距离和光强的高灵敏探测器，具备ns甚者是ps量级的快响应能力。陆军实验室用GaAs材料MSM结构(金属—非金属—金属结构)光电混频器件，组成非扫描FM/CW激光成像雷达系统，采用电外差技术，实验给出了远距离的目标四维像。MSM结构在探测器领域，是一种特指器件，是金属—非金属—金属结构(Metal-Semiconductor-Metal,MSM)，这是一种表面光敏的探测器。材料表面刻蚀成叉指状电极，见图7，电极(金属)—半导体材料(非金属)—电极(金属)，两个电极间加上电压，光照后在半导体材料处产生光电子，在两电极间运动形成光电流，通常MSM结构是背靠背的两个极向相反的二极管，产生的光电流叠加输出。美国陆军实验室采用由GaAs材料做成的MSM结构面阵探测器，用连续波输出的半导体激光器(813nm)，由扫频源控制的调制器，输出200MHz-800MHz频宽的啁啾调制信号进行输出，啁啾调制(FM/CW)激光做为出射激光，照射目标，而同时扫频源输出的另一支同频的啁啾调制电压信号，加到探测器上，在探测器各像元上加上了一个啁啾调制的电流信号做为本振电信号。当照射到目标上的光反射返回到探测器上，在探测表面产生光电流(这光电流亦是有一定延时的、同频的、啁啾调制频率的)，这一光电流称为主振电信号，与探测器各像元上加之的本振电信号间产生电混频，其差频信号，便是带有目标四维像信息的信号，经后期处理，便可得到目标区的强度像和距离像的四维像。陆军实验室用此方案和装置，已获得了远处目标的四维图像。但是这一工作进一步发展受到限制，主要是探测器有的材料GaAs，其响应波长在0.5～0.9μm波段，而这一波段可用的激光器只有半导体激光器。由于体制是光电混频，这就要求用到的激光器只能是单管的半导体激光器，然而单管半导体激光器输出功率充其量在3-4W之间，不能再做到大的功率输出，这样从激光雷达方程可以看到，成像距离就受到了很大限制。陆军实验室因此也提出了进一步发展的方案，即将发射激光器，改为当时已经发展起来的光纤激光器，特别是1.55μm波长的光纤放大器，与之相适应的MSM探测器，因GaAs材料响度应波长限制，再用GaAs材料就不再匹配。故提出了用InGaAs材料做为探测器，但方案提出后，至今尚没报导过用InGaAs材料研制的大面阵的(如64×64像元的)MSM结构的探测器。国内也有过报导用InGaAs材料MSM结构探测器做的有关工作。但尚没有对大面阵，比如64×64像元的，InGaAs材料MSM结构探测器的报道。FM/CW体制需要MSM结构的面阵探测器，从需求来总结，这种探测器需要满足如下要求：1.首先应能满足探测器与激光器波长的一致。2.由于FM/CW体制是非扫描体制，探测器是焦平面成像探测，为能实现远距离的成像，探测器响应度要高，即探测器灵敏度要高，响应度定义为A/W，每瓦入射光可在探测器上产生多大的光电流。3.除掉这些对探测器自身性能要求之外，还有一重要的约束，便是这种非扫描激光成像雷达系统，如应用到空中运动平台上，对探测器的要求，还要增加一些新的约束。对这种应用，就有一个小尺寸的要求，探测器本身在保证有足够高的响应度的前提下，需要尽量减少大面阵探测器的光敏面，
技术实现思路
本专利技术的目的是为了满足FM/CW体制的InGaAs材料MSM结构探测器的需求的问题，从而提供InGaAs材料MSM结构光电混频探测器。本专利技术所述的InGaAs材料MSM结构光电混频探测器，所包括的像元采用64×64阵列式排布，每个像元包括衬底、缓冲层、吸收层、缓变层、势垒增强层和叉指电极；衬底上依次设置缓冲层、吸收层、缓变层、势垒增强层和叉指电极，吸收层的材料为InGaAs；每个像元的长和宽均为60μm。64×64像元大面阵InGaAs材料、MSM结构的光电混频面阵探测器，该类面阵探测器主要用途之一是用于非扫描的激光成像雷达，而这类激光成像雷达又主要是用于空中运动平台上。为提高空间分辨率，需要面阵探测器是大面阵的，即像元数尽量多，本专利技术研制的是64×64像元的面阵探测器，但为适应空中运动平台上使用，空中运动平台的限制之一便是体积要小。本面阵探测器做为接收系统，它必然要与接收光学天线(光学系统)相匹配，这就对探测器焦平面尺寸提出了要求。按通常的应用，如果探测器有效的接收面积(焦平面)大，则所匹配的接收入光学系统焦长就要长，如果可以减小焦平面尺寸，光学系统的焦长就可降到系统需求，焦长减小了，整个空间平台的体积就可大大减小，使之更加有利于应用。通过Silvaco器件分析软件进行仿真，并通过不同批次的材料生长和实际工艺验证，为适应系统的要求，将本专利技术的光敏面积设计为4.3mm×4.3mm，每个像元的长和宽均为60μm。大面阵即探测器像元数增多，比如64×64像元，总像元数据是4096个像元，这对空间分辨率的提高是非常重要的，可以确保目标图像清晰程度提高，但是大面阵又同时要求尺寸小，这就要求采取措施，优化器件以便取得最佳效果。本专利技术研制64×64像元大面阵探测器，如果按照像元是100μm，则像面尺寸为6.4mm×6.4mm，对应光学系统焦距长度将大于1m，这是难以满足需求的。为此，必须研制小像元尺寸的面阵MSM自混频探测器。根据需求，提出光敏面尺寸为60μm，使激光成像系统体积缩小了近一半，效果十分明显。与国际报道指标相比，GaAs材料32×32像元MSM结构面阵探测器的面本文档来自技高网...
【技术保护点】
InGaAs材料MSM结构光电混频探测器，其特征在于，所包括的像元采用64×64阵列式排布，每个像元包括衬底、缓冲层、吸收层、缓变层、势垒增强层和叉指电极；衬底上依次设置缓冲层、吸收层、缓变层、势垒增强层和叉指电极，吸收层的材料为InGaAs；每个像元的长和宽均为60μm。
【技术特征摘要】
1.InGaAs材料MSM结构光电混频探测器，其特征在于，所包括的像元采用64×64阵列式排布，每个像元包括衬底、缓冲层、吸收层、缓变层、势垒增强层和叉指电极；衬底上依次设置缓冲层、吸收层、缓变层、势垒增强层和叉指电极，吸收层的材料为InGaAs；每个像元的长和宽均为60μm。2.根据权利要求1所述的InGaAs材料MSM结构光电混频探测器，其特征在于，所述缓冲层的材料为InAlAs，缓变层的材料为InGaAlAs，势垒增强层的材料为InAlAs。3.根据权利要求1或2所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙剑峰，李献杰，郜键，王骐，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23
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