超高灵敏度新型Super-HARP摄像管的发展

摘要：超高灵敏度新型Super-HARP摄像管是用炮电倍增原理制成的新型固体光电摄像器件。文中对该器件的工作原理和结构特点进行了较全面的介绍。给出了部分器件的技术特征和技术参数，并对今后超高灵敏度摄像管的发展方向进行了初步探讨。

关键词：HARP 高灵敏度 摄像管 微型铟柱 寻崩倍增膜

1 引言

随着半导体技术、微电子技术以及光电子技术的不断发展，近几年来，摄像器件的发展已能满足高质量图像的要求。但是，如果在黑暗条件下进行成像和观察，则要求摄像器件有更高的灵敏度。目前一般采用雪崩倍增膜法来提高灵敏度，这种方法结构简单、制造方便、成本较低，是一种混合式结构。采用该结构的受光面为形成的玻璃片上的雪崩倍增膜。再用微型铟柱将倍增膜连接在固体读出电路上（如MOS或CMOS读出电路）。该微型铟柱主要起机械和电气的连接作用。

摄像管的高灵敏度和超高灵敏度化标志着超高灵敏度摄像机的诞生，它不仅适用于高分辨率电视（HDTV）摄像系统，而且大大提高了标准电视摄像系统的质量。它的使用必将给电视节目制作和演播室照明技术带来新的变化。

2 高灵敏度摄像管的发展过程

摄像管的研究工作目前已在提高灵敏度和分辨率、降低惰性及噪声影响等方面取得进展。日本已先后推出HARP和Super-HARP摄像管，这些摄像管以其极高的灵敏度被认为是当今新一代摄像管的代表。

以往在Station或Plumbicon三管摄像机以及CCD摄像机进行拍摄时，只要照度低于20Lux,图像质量就难以保证。而硅靶增强型（SIT）摄像管和图像增强型（IT）摄像管虽然具有较高的灵敏度，但由于存在较强的惰性和较大的噪波，加之分辨率较低，也难以形成理想的图像。1987年，日本NHK研究所发现非晶硒与晶体半导体一样具有雪崩式倍增作用，在此基础上发明了可在低照度条件下产生良好的电视图像的新型光电导体和靶结构，即高增益雪崩倍增非晶光电导体（High gain Avalanvhe Rushing amorphous Photoconductor），简称HARP靶。利用这种结构研制的摄像管的灵敏度要比普通摄像管高10倍，并且能产生与HDTV摄像管相同的高质量图像。且该摄像管不仅适用于标准电视系统，而且非常适用于HDTV系统。1988～1993年，日本NHK研制成功了在20nm～1.9μm甚至x波段内有光响应的多种HARP靶摄像管，并被命名为“Harpicon”和“Super-Harpicon”。1991年，NHK又硬件出更高灵敏度的Super-HARP摄像管。它的灵敏度比普通摄像管和CCD摄像器件高100倍，并能在由日光到月光这样宽的照明条件下形成高质量图像，从而成为新一代的电视摄像管。

3 HARP和Super-HARP摄像管的原理

当半导体中空间电荷区的电场增强时，通过空间电荷区的电子和空穴在电场的作用下获得的能量亦随之增大。这样，晶体中运动的电子和空穴将不断地与晶体原子发生碰撞。当电子和空穴的能量足够大时，通过碰撞，可使其价键中的电子激发形成自由电子空穴对，这种现象称为碰撞电离。新产生的电子空穴对与原有的电子和空穴一样，在电场作用下，也向相反的方向运动，并重新获得能量。通过碰撞又将产生新的电子空穴对，这就是载流子的倍增效应。由于这种雪崩倍增现象同样存在于非晶硒中，所以HAPR和Super-HARP摄像管便可利用靶层内的雪崩倍增现象获得很高的灵敏度。图1是普通摄像管与HARP摄像管的工作原理比较。

由图1可见，在普通摄像管中，一个入射光子仅产生一个光生电子空穴对。而在HARP摄像管中，加在靶层中的强电场将使空穴朝电子束扫描运动方向加速，被加速的空穴与靶内原子相撞并使其发生电离以产生新的电子空穴对。由于雪崩倍增，HARP摄像管中的每一个入射光子将可读出大量的载流子。雪崩倍增的程序由靶厚度压值决定。HARP摄像管的靶厚早先为2μm，现已增加到4μm，而Super-HARP摄像管则大幅度增加了厚度，已增加到25μm。图2为靶与信号电流在蓝光入射时的关系曲线，可以看出，在420V靶压附近，Super-HARP的灵敏度与普通摄像管相同，此时没有雪崩倍增现象出现，蓝光量子效率为70%。当靶压超过420V时，信号电流迅速增加，在676V靶压时，灵敏度可达普通摄像管的100倍。由于Super-HARP摄像管使用了6μm靶厚和676V靶压，因而其靶内雪崩倍增现象十分强烈，因而可获得极高的灵敏度。Super-HARP摄像管与普通MSSATICON（2/3英寸）摄像管的外观相同。1996年，日本NHK科学与技术研究所研制出超高灵敏度新型Super-HARP摄像机，这种摄像机所用的核心器件为全新的Super-HARP靶结构（如图3所示），为了与旧HARP靶和最初的Super-HARP靶的电流-电压特性进行比较，图4给出了新型Super-HARP的信号和暗电流与靶电压的关系。

4 HARP和Super-HARP摄像管的技术特性

4.1 主要特点

HARP和Super-HARP摄像管分别是高灵敏和超高灵敏的全新结构光电倍增摄像器件。其主要特点如下：

●灵敏度高、暗电流小

由图2可见，靶压超过420V之后，器件的信号电流迅速增加，在676V靶压时，灵敏度可达普通摄像管的100倍，而该点却仅有不到2μA的暗电流。另外由图4可以看出，对于新型Super-HARP靶，当靶压超过1500V时，信号电流迅速增加，在靶电压达到2500V时，灵敏度可达普通SATICON电视摄像管的600倍，而该点的暗电流仅为2nA。

●惰性小

HARP管的惰性几乎是纯电容性的，故可利用低温电子枪、增大靶厚或偏置光速来改善其惰性。使用二极管电子枪的Super-HARP摄像管在偏置光关闭、靶压为676V、信号电流为200nA、电子束电流为600nA的情况下，关闭入射光后，第三场的惰性为1.6%，小于使用相同电子枪的HARP摄像管的惰性（4.6%）。若使用偏置光，则仅产生10nA的信号电流，这时，其惰性可忽略不计。

●分辨率高

由于非晶硒靶层中不存在光扩散，而且具有很高的电阻，因此，HARP摄像管具有很高的分辨率。目前的水平极限分辨率已超过800线。影响其分辨率的主要因素是扫描电子束的截面积，因此，如果使用HDTV电子光学系统，其分辨率还可得到进一步地提高。

●噪波低

在Super-HARP摄像管中，由雪崩倍而引起的附加噪波非常小，固定型噪波根本观察不到，测得的噪波包括光子噪波。理论上认为在很低的光照下光子噪波亦不可避免，但由于Super-HARP摄像管的光利用率很高，因此，如此低的光子噪波几乎不会对图像质量产生影响。

●光谱响应特性

对于非晶硒材料，红光灵敏度的截止波长为620nm，这将影响电视摄像机红色通道摄像管的灵敏芳。但可利用向非晶硒材料中掺入一定量的碲（Te）的方法制造红色增强型Super-HARP摄像管，以解决红光灵敏度低的问题。

4.2 技术参数

1996年日本NHK研制出新型超高灵敏度Super-HARP摄像机。其性能参数如表1和表2所列。表1中的数据计算条件是：靶电容800pF(4μm)、400pF(8μm)、128pF(25μm)、束温3000℃、束流0.48μADC、2nADC。

表1 三种摄像管的输出电流和放大器增益

表2 新型Super-HARP摄像机的性能参数

1999年，日本广播协会开发成功了超高灵敏度固体摄像器件，它将雪崩倍增高增益非晶光电导体（HARP）与高耐压MOS晶体管开关阵列通过铟柱倒装互连耦合而成。其性能参数如表3所列。

表3 HARP-MOS管开关阵列性能参数

5 Super-HARP的发展超势

固体摄像器件一般由HARP膜和低噪声读出电路（如MOS和CMOS）组成，其典型构成如图5所示。图6为HARP膜MOS图像传感器的构成及单个像素的组成图。HARP膜在受到光照后产生的电子空穴对将在足够电场的作用下产生雪崩效应而形成雪崩放大。放大后的信号电荷（空穴）流向MOS管的漏极并使漏极电位升高。从源极来的电子流向漏极并和空穴结合，从源极来的信号电流经放大器放大后，由相关双取样（CDS）电路消除噪声后读出，从而使得输出信号有很高的信噪比。由于强光入射HARP膜的倍增作用很强，因而储存的信号电压太高，这就要求MOS管电路能耐较高的电压，也可以用二次光刻法来形成铟微型凸板以解决信号电压太高的问题。所以HARP膜式高灵敏度摄像器件有两种结构，一种是由MOS管直接和HARP膜结合，另一种是凸型铟板型。除此之外，在1998年，日本NHK研究所还开发出了HARP膜CMOS图像传感器。

在今后一段时间内，摄像器件将主要朝着高灵敏度、高分辨率、低功耗、低成本及小型化方向发展。要实现上述功能，采用CMOS工艺是极其关键的，也可以说，摄像器件目前发展的主要动向是CMOS化。

6 Super-HARP摄像机的应用

日本日立制作所和NHK研究所通过改变高增益雪崩倍增非晶光电导体（HARP）靶的光输入窗口和信号电极材料，开发出高灵敏度的超高灵敏度型HARP靶紫外和x射线摄像管，前者可用于天文、医学、生物观察与研究、指纹鉴别、字画和有价证券的鉴别等方面；后者则主要用于物质结晶情况观察、大规模集成电路检查分析以及质量监控等领域。

7 结论

目前真空摄像管的发展在高清晰度和高灵敏度方面都兼有长处，在HDTV应用更有优势；而固体摄像器件目前尚未达到这一点。真空摄像管和固体摄像器件发展的方向将主要表现为高灵敏度、高分辨率、低功耗、低成本及小型化。要达到这些要求，采用CMOS工艺是极其关键的。将HARP靶与MOS读出电路或CMOS读出电路用微型铟柱连接起来制成Super-HARP摄像管最有可能的发展方向，目前，采用此技术研制出的超高灵敏度新型Super-HARP摄像机已可在作为HDTV摄像系统中使用。