航天用GaN基640×8元紫外焦平面探测器读出电路研究与设计

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1、密级：公开博士学位论文航天用GaN基640×8元紫外焦平面探测器读出电路研究与设计作者姓名:马丁指导教师:李向阳中国科学院上海技术物理研究所学位类别:理学博士学科专业:微电子学与固体电子学培养单位:中国科学院上海技术物理研究所2018年6月中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签

2、名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解中国科学院大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，编入CNKI学位论文全文数据库并充实到“学位论文学术不端行为检测系统”比对资源库，同意按章程规定享受相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：指导教师签名：日

3、期：年月日ResearchandStudyofGaNBased640×8UltravioletFocalPlaneArrayforAerospaceApplicationAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofPhilosophyDoctorofScienceinMicroelectronicsandSolidstateelectronicsByMaDing

4、SupervisorProfessorLiXiangyangShanghaiInstituteofTechnicalPhysicsoftheChineseAcademyofScienceJune2018摘要摘要紫外探测技术在军用、民用两方面都有极为广阔的应用前景。近年来，随着半导体技术的飞速发展，第三代半导体技术日臻成熟，GaN基紫外探测器也得到了越来越多的关注。GaN是直接禁带半导体，禁带宽度大、热导率高、化学稳定性好、抗辐照能力强。通过调整GaN基三元合金化合物的掺杂元素和组分，其禁带宽度连续可调。GaN材料因此也成为了制备紫外探

5、测器的理想材料，GaN基紫外探测器也成为了今年来研究的热点方向。GaN基紫外探测器具有量子效率高、成本低、体积小、抗震性好、抗辐照能力强等诸多优点。特别是它极低的带外响应性能，使其在系统应用时无需附加滤光片，这也使得GaN基紫外探测器在综合性能指标上得以超越传统的光电倍增管、微通道板及紫外增强型CMOS传感器等紫外探测器件。紫外焦平面探测器分为探测器阵列和读出电路两部分。读出电路主要作用是将紫外探测器产生的光电流进行前置放大，并通过多路传输传递至片外。同时，读出电路还需要能够为探测器提供稳定的偏压，并能够在片上进行噪声消除。因此，读出

6、电路的性能将直接影响到紫外焦平面探测器的性能。在紫外探测系统中，读出电路具有极其重要的意义。近年来，紫外探测器读出电路的相关研究成果颇为丰富，但绝大多数成果集中在新的读出方式与读出结构上。在如何设计高性能读出电路及读出电路与探测器耦合后的性能分析方面，则少有研究。从探测器工作原理入手，基于紫外探测器的自身性能特点，研究了紫外探测器读出电路的设计方法，设计完成了640×8元紫外探测器读出电路。对采用该读出电路制备的紫外焦平面探测器进行了全面的测试，并对关键性能指标进行了分析讨论。同时，为了使该电路能够满足航天应用的需求，还对读出电路的抗

7、辐照性能进行了研究。首先阐述了GaN基紫外焦平面探测器的工作原理和制备方法。通过理论分析和测试结果，确定了紫外探测器的电学模型和相关的模型参数。其后，介绍并分析了读出电路的典型输入结构，对其性能进行了对比分析。结合紫外探测器自身的性能特点，选取CTIA结构作为读出电路的输入级。根据紫外探测器的模型Ⅰ航天用GaN基640×8元紫外焦平面探测器读出电路研究与设计参数，对输入级电路的注入效率进行了分析，推导了注入效率的理论表达式，并通过试验验证了该理论的正确性。基于对注入效率的分析结果，设计了一种使用与紫外探测器的，具有高注入效率、大输出摆

8、幅、小面积的CTIA电路。通过理论计算，其注入效率为98.2%，输出摆幅为3.5V。其后，设计了可以实现全帧转移，并可兼容边积分边读出与先积分后读出两种读出方式的相关双采样结构；通过时序控制实现了低功耗列级缓冲器；设计了