新型Ⅲ族氮化物日盲紫外變像管的研制及導彈逼近告警系統作用距離估算

任彬， 江兆潭， 郭暉， 石峰， 程宏昌， 拜曉鋒，申志輝， 楊曉波， 周躍， 崔穆涵

(1.北京理工大學 物理學院, 北京 100081; 2.微光夜視技術重點實驗室, 陜西 西安 710065;3.重慶光電技術研究所， 重慶 400060; 4.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 應用光學國家重點實驗室， 吉林 長春 130033)

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新型Ⅲ族氮化物日盲紫外變像管的研制及導彈逼近告警系統作用距離估算

任彬1,2， 江兆潭1， 郭暉2， 石峰2， 程宏昌2， 拜曉鋒2，申志輝3， 楊曉波3， 周躍4， 崔穆涵4

(1.北京理工大學 物理學院, 北京 100081; 2.微光夜視技術重點實驗室, 陜西 西安 710065;3.重慶光電技術研究所， 重慶 400060; 4.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 應用光學國家重點實驗室， 吉林 長春 130033)

圍繞Ⅲ族氮化物半導體在紫外戰術導彈逼近告警系統中的潛在應用前景，設計出一種基于新型Ⅲ族氮化物半導體光電陰極的紫外變像管，確定了影響光電陰極光電發射性能的Al摩爾組分、膜層厚度和P型摻雜水平。利用高分辨率X射線衍射儀和紫外分光光度計，對光電陰極結構和光學日盲特性進行仿真分析和測試。紫外變像管的光譜輻射靈敏度測試結果顯示：探測器像管的輻射靈敏度在220～270 nm波段范圍內波動較小，在波長266 nm處的輻射靈敏度為39.7 mA/W，光譜響應從波長270 nm之后開始急劇下降，表明其本征具有良好的日盲紫外屬性?；谧兿窆艿墓庾V輻射靈敏度測試結果及信噪比的作用距離模型，采用MODTRAN大氣模擬軟件包對以此變像管為核心探測器件的導彈逼近告警系統作用距離進行迭代求解。計算結果顯示：導彈逼近告警系統的作用距離可達到7.1 km.

兵器科學與技術； 導彈逼近告警； 紫外變像管； 光電對抗； Ⅲ族氮化物； 作用距離

0 引言

據報道，不受控制或擴散出來的便攜式防空導彈系統已有上千套，而且多數流落在非政府組織或恐怖組織中[1]。這就對飛機，特別是民用飛機的安全造成了極大的威脅。機載導彈逼近告警系統(MAWs)作為一種有效的反導手段可以被動式探測來襲的導彈，實時發出警報信息，提示駕駛員或者為自動選擇合適時機提供依據，實施有效干擾，采取規避等措施，對抗敵方導彈的攻擊[2-4]。在紫外告警系統中作用距離是重要的性能指標之一，也是使用者最為關心的性能指標，針對紫外告警系統設計參數及紫外輻射在大氣中的傳輸特點，估算紫外告警系統的作用距離具有非常重要的現實作戰意義[5]。紫外導彈逼近告警系統的核心為日盲紫外探測器，而日盲紫外探測器的核心為日盲紫外光電陰極。目前獲得裝備的常用陰極材料為Cs2Te和Rb2Te，但均并不具有日盲特性。

長久以來，Ⅲ族氮化物一直是發光二極管(LED)、藍光和紫外激光器(LD)和高頻功率晶體管的研究焦點，但缺乏合適的Ⅲ族氮化物外延生長襯底，使得Ⅲ族氮化物薄膜與襯底之間較大的晶格失配。近些年的技術進步可制備出無裂紋、高Al組分并實現一定程度歐姆接觸的AlGaN薄膜，為由AlGaN薄膜制作負電子親和勢(NEA)光電陰極鋪平了道路，使之拓展進入高功率真空光電子器件及焦平面顯示器件的制備領域。

GaN的禁帶寬度為3.4 eV，在GaN中摻入Al，能夠得到AlxGa1-xN，它覆蓋了3.4～6.2 eV的能量范圍。伴隨著以GaN為代表的第3代半導體產業的崛起，大量的研究人員開始研究能夠實現高紫外/可見光抑制比的Ⅲ族氮化物日盲紫外光電陰極。Ⅲ族氮化物日盲紫外光電陰極相比傳統以Cs2Te為代表的紫外光電陰極有3個顯著的優點：1)具有較高的電子逸出幾率；2)具有更高的量子效率；3)紫外/可見抑制比遠高于Cs2Te光電陰極。

1 紫外告警系統工作原理及組成

所謂日盲特性，指日盲紫外傳感器的背景成像是全黑的，太陽紫外光子誘導的背景噪聲將很小，即便在正中午對準太陽的狀態下也等價于沒有太陽輻射。由于“日盲區”在天空形成“暗”背景，相襯導彈羽煙的紫外輻射可構成良好的景物對比度，從而容易顯現出來[6-8]。具有天然日盲屬性的紫外傳感器可以消除昂貴的且犧牲巨大量子效率的濾光系統，不僅會帶來成本和系統復雜度的降低，而且作用距離的提升意味著有利于更早發現來襲目標，從而也更有利于提升戰場環境下人員及武器平臺的生還幾率[9-10]。

圖1 采用ICCD對紫外源成像原理示意圖Fig.1 Block diagram of an UV imaging system with ICCD

圖1是采用增強型電荷耦合器件(ICCD)對紫外輻射源成像的原理示意圖。成像型紫外告警系統通常采用攝像成像原理，光學系統以大視場、大孔徑對空間紫外信息進行接收，紫外探測器將視場內空間特定波長紫外輻射光子(包括目標、背景)進行光電轉換以形成可見光圖像，再通過光纖面板將圖像耦合到電荷耦合器件(CCD)上形成光電子脈沖，放大后由電路傳輸到信號處理系統；系統對信號進行預處理后送入計算機系統，中央處理器依據目標特征及預定算法對輸入信號做出有無導彈威脅的統計判斷[11]。

2 Ⅲ族氮化物光電陰極結構設計與表征

2.1 外延層結構參數設計

當前并沒有大尺寸的AlGaN單晶或高質量的具有相同晶格常數的其他材料單晶襯底，常用的襯底是藍寶石襯底。異質外延帶來的嚴重后果是：由于Ⅲ族氮化物和襯底的熱膨脹系數差異較大，當外延片從1 100 ℃的生長溫度冷卻到室溫時，會在Ⅲ族氮化物中形成很大的應變從而導致Ⅲ族氮化物出現裂痕。一個重要的技術突破是低溫生長AlN或GaN緩沖層技術，緩沖層可以快速合并Volmer-Weber三維(3D)生長模式的小島，使之轉化為Frank-Van der Merwe二維(2D)臺階流生長模式，從而帶來后續高溫生長AlGaN質量的提高[12]。盡管如此，15%的晶格失配仍會帶來高達108/cm2的源自于低溫層和藍寶石界面的線位錯密度。Mg作為P型摻雜劑是另一項Ⅲ族氮化物外延生長的重大突破，低能電子束輻照(LEEB)技術使得Mg摻雜的Ⅲ族氮化物電阻率大大減小，同時光致發光譜(PL)強度也大大提升[13]?；谏鲜隹紤]，Ⅲ族氮化物光電陰極外延層各功能層結構設計如圖2所示。

圖2 Ⅲ族氮化物光電陰極外延層結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of Ⅲ-nitride photocathode

圖2中的高溫AlN功能層不僅僅出自于生長高質量AlGaN薄膜的需要，同時也作為窗口層決定了日盲紫外像管的短波截止閾值為200 nm. 圖2中最重要的功能層為P-AlxGa1-xN層，其作為少子發射層，同時決定著日盲紫外的長波截止閾值。其參數設計基于以下考慮：理想情況下，日盲紫外探測器對長于280 nm的波長無響應，即紫外截止波長與禁帶寬度的關系為

(1)

式中：Eg為AlxGa1-xN導帶底和價帶頂的帶隙，是彎曲參數的2次方程式[14]，

Eg=6.13x+3.42(1-x)-1.08(1-x).

(2)

結合(1)式和(2)式，可得出Al摩爾組分為0.45[15].

Al0.45Ga0.55N發射層厚度T的設計較為復雜，是一個權衡量，可參考文獻[16]的計算方法依據(3)式[17]來求解：

(3)

此外，異質外延生長后界面上的缺陷是各種位錯的主要來源，同時還存在大量的非輻射復合中心。在藍寶石和發射層AlxGa1-xN中插入寬禁帶的AlN勢壘層，與AlGaN形成的異質結可以阻止非平衡載流子向后界面擴散。以Al摩爾組分設計值x=0.45為計，利用AlxGa1-xN電子親和能公式[20]：χ=4.1-Ax，A為不確定性參數，A∈[1.44，2.30]，可以估算出后界面的勢壘高度在0.63～1.04 eV范圍內，擴散至后界面的非平衡載流子可以有效地被阻擋并被反射。

Mg的摻雜水平同樣是一個需要折中考慮的重要參量，摻雜高會較易形成NEA，但又帶來晶格缺陷的增加，故Mg的摻雜水平選取在5×1018cm-3至 1×1019cm-3之間，以有效地防止Mg固溶體的出現。

2.2 金屬有機氣相外延生長

Ⅲ族氮化物光電陰極外延生長在AIXTRON 200/4-HT水平流低壓金屬有機氣相外延生長(MOCVD)反應腔室中進行?；诒痴帐教綔y原理，襯底選用2 in雙拋c向(0001)藍寶石基底。Al、Ga和N源分別使用三乙基鋁(TMAl)、三甲基鎵(TEGa)和氨氣(NH3)作為前驅氣體，Mg源使用雙環戊二烯基鎂(Cp2Mg)作為摻雜劑，氫氣作為載氣。生長前，藍寶石襯底在1 100 ℃的氫氣氣氛下進行高溫熱清洗。

按照圖2中所示的器件結構，首先生長0.03 μm的AlN低溫成核層，再接著生長0.3 μm的高溫AlN緩沖層，在緩沖層之上再生長0.1 μm的Al0.45Ga0.55N發射層。典型的生長溫度和壓力分別為1 120 ℃和6 000 Pa. 生長Mg摻雜Al0.45Ga0.55N發射層時，Ⅴ/Ⅲ流量比隨NH3的流速而變化，要避免高Al組分下TMAl和NH3帶來的寄生反應而導致生長速率和晶體質量的下降。生長速率控制在0.5～0.8 ?/s，生長厚度通過多波長的反射計進行原位監控。生長結束后，外延片在770 ℃下的氮氣氣氛下保持5 min進行熱退火，以提升Mg受主的離化率。

2.3 結構特性表征和光學特性表征

Ⅲ族氮化物日盲紫外探測器的性能受限于外延片結構參數(組分、應變、缺陷等)和光學參數(透射、反射等)，詳盡地了解外延片結構和光學性能的研究是十分必要的。

2.3.1 高分辨率X射線衍射儀測試

由于異質外延的生長模式，AlGaN薄膜和襯底熱膨脹系數、晶格參數的不匹配造成外延薄膜的雙軸晶應變，晶格常數的計算需要基于雙軸晶應變考慮：(0002)面內均勻的壓應力會導致面外面間距的增加，也縮短了倒空間中(0002)點至原點的距離，因此薄膜面內外的晶格參數受到組分和應變的共同影響，這兩種影響必須分離，并分別定量。此外，衍射峰的寬化不僅與外延層的參數相關，同樣與儀器的條件相關。有效的處理方法是可以分為兩步：1)通過寬化因子的模型卷積來模擬實驗數據；2)將模型參數與實驗數據進行擬合，面間距和缺陷引起的加寬可以通過倒易空間圖(RSM)來得到。

AlGaN的組分和厚度可以通過x’pert epitaxy軟件擬合(0002)ω-2θXRD數據來得到。軟件基于運動學理論，組分和厚度的標準偏差分別為±0.01 nm和±1 nm，擬合結果見圖3，整個外延片的厚度非均勻性小于2 nm，得到的結果也更進一步證實MOCVD監控結果。從圖3(a)中可見，AlGaN的倒易晶格點(RLP)遠未落在過AlN緩沖層且垂直于qx的垂線上，說明AlGaN遠非完全應變的，而是接近于完全弛豫。從圖3(b)可以清楚地看到最強的主峰是AlN緩沖層的零階Bragg反射，主峰左側較弱的且較寬的峰是激活層AlGaN層的零階Bragg反射，圖3(b)中的Pendell?sung 衍射消光條紋進一步體現了AlGaN/AlN較好的生長質量及陡峭的界面。

圖3 紫外變像管陰極外延片HRXRD結構特性表征Fig.3 HRXRD structural characterization of AlGaN wafer for UV image converter tube

2.3.2 紫外光度計測試

光學特性能夠更進一步表征外延材料的質量，見圖4紫外分光光度計得到的透射率譜。從圖4中可以看出，透射率曲線在270～280 nm急劇變化，280 nm以外的長波透射率大于70%，由此決定了探測器的長波截止閾為280 nm，可以實現本征的紫外/可見抑制比，有助于減輕甚至消除外部濾波系統的負重。UVB波段界限分明的干涉條紋再次反映出樣品較好的質量和光滑過渡的界面態。

圖4 AlN/AlGaN異質結光電陰極紫外透射譜Fig.4 Transmittance spectrum of AlN/AlGaN heterostructure photocathode

2.4 紫外變像管制備及靈敏度測試

2.4.1 AlGaN陰極制備

生長好的2 in厚襯底利用波長266 nm的激光劃片- 裂片機切割成φ20 mm的變像管尺寸，邊緣再經過金剛石磨拋工序進行修整。切割后的φ20 mm外延片首先經過質量比20%的NaOH沸騰溶液中浸泡1 min，接著用去離子水沖洗15 min, 并用干燥氮氣吹干；再通過電子束蒸發的方式在550 ℃下蒸鍍Ni/Au(50/50 nm)圓環合金；最后在氮氣環境氣氛下保持500 ℃退火10 min以形成歐姆接觸。為提高266 nm處光通量的傳輸系數，接下來在外延片后端蒸鍍一層λ/4-MgF2的抗反射層。最后利用0.5 cm高度的透紫玻璃與φ20 mm的外延片鍵合成φ20 mm的陰極組件以提供機械強度支撐。

隨后，φ20 mm陰極組件通過真空送樣室進入超高真空(UHV)系統，以2 ℃/s 升溫至850 ℃，在此溫度下保持10 min，隨之與0.5 keV的氮氣離子濺射交替作用3個周期。這種處理可以得到原子級潔凈、有序的表面，O、C 的污染在1%/單層以下[21]。激活通過加熱Ni筒預置的鉻酸銫鹽和漏閥分別將Cs、O導入UHV中。表面Cs、O覆蓋層大大降低電子親和能而形成有效NEA，表面能帶向下彎曲形成耗盡區，也使得擴散至能帶彎曲區的非平衡少子將加速向表面移動，從而毫無阻礙地逸出表面。制備完成的NEA AlGaN光電陰極最終與MCP熒光屏一起銦封裝成為紫外變像管，如圖5所示[22]。

圖5 封裝AlGaN 光電陰極、MCP和熒光屏的 φ18 mm紫外變像管Fig.5 φ18 mm diameter UV image converter tube incorporated with AlGaN photocathode, MCP and phosphor

2.4.2 光譜響應測試

紫外變像管的輻射靈敏度測試系統包含如圖6所示：以氘燈作為紫外光源，入射光經過相對孔徑為1/7的光柵單色儀進行分光，入射和出射狹縫縫寬均為0.4 mm，光柵線色散率為1 200 L/mm，可提供的光譜分辨率達到0.1 nm. 出射光經過分光后一部分照射入像管的陰極輸入面，另一部分輸入光經過分光后照射入商用Si光電二極管(日本Hamamatsu公司產S2281-04型Si光電二極管)作為參考，用來確定輸入像管的輻射通量。像管加200 V直流偏壓用于收集出射光電子，光電流采用美國Keithley公司產6487型皮安表讀出。像管輻射靈敏度利用光電發射電流值與Si光電二極管的電流比值計算得到，整個系統采用計算機控制。

圖6 AlxGa1-xN日盲紫外變像管光譜響應測試圖Fig.6 Test system of spectral responsivity of AlxGa1-xN solar blind image converter tube

從光譜響應圖7可以看出，探測器在220～270 nm之間較為平坦，從270～280 nm之后開始急劇下降，具有良好的截止特性。由圖7可以看出，相比二元化合物GaN光電陰極，Al組分的增加，隨之帶來禁帶寬度的增加，使得光譜響應逐漸向短波方向移動，這充分體現出AlxGa1-xN合金材料探測器長波閾值的可調性。圖7給出輻射靈敏度在245 nm達到峰值41.526 mA/W，266 nm處的輻射靈敏度為39.751 mA/W，峰值位置并未與設計值266 nm重合。不重合的原因經分析可能有以下3點：1)光電陰極發射層厚度太薄，造成266 nm處的輻射光功率吸收不夠，從圖4的透過率曲線也可以看出這點；2)是采用(3)式進行厚度估算時，光吸收系數值采用經驗值不夠精確；3)可能是Cs、O激活層的缺陷對長波光子的勢壘阻擋作用大于短波光子，導致長波光子的逸出幾率低于短波光子。后續工作中提高設計吻合度將是探測器性能優化的重要研究方向之一。為進一步分析探測器的日盲紫外特性，將探測器更換至可見光譜響應測試系統上，測試得到500 nm波長處的輻射靈敏度為0.016 mA/W. 定義紫外/可見光抑制比為峰值靈敏度與500 nm處的輻射靈敏度比值，由此得到此探測器的紫外/可見光抑制比達到3個數量級，顯示出較好的日盲紫外特性。

圖7 典型Al0.45Ga0.55N日盲紫外變像管光譜響應曲線Fig.7 Spectral responsivity of AlxGa1-xN image converter with x=0.45

3 基于信噪比的作用距離模型

現代輻射測量技術的實踐證明：隨著探測系統靈敏度的提高，其作用距離的增大主要取決于信噪比的提升，而非目標本身亮度的增加[23-24]。因此，對于MAWs系統作用距離的估算建立基于探測系統信噪比分析的作用距離模型。假定無目標信號時噪聲電壓幅值的概率密度函數為瑞利分布，有目標信號時系統輸出電壓的分布為高斯函數，由系統所給出的虛警概率和探測概率性能指標得到系統滿足探測要求的最低信噪比，再通過信噪比計算告警系統的作用距離。建立基于信噪比的作用距離模型時，以光子數為單位，從目標的成像過程出發分別估算ICCD系統探測到信號的光子數NS和ICCD系統輸出的噪聲值NICCD[25]：

(4)

NICCD=

(5)

式中：R為目標到系統的作用距離(km)；I為目標的輻射強度W/sr；τ(R)為目標輻射傳輸距離為R時的大氣透過率；GMCP為MCP電子增益的平均值；h為普朗克常數，h=6.626×10-34J·s；c為光速，c=3×108m/s；λ為輻射波長，取紫外濾光片中心波長266 nm.

由最低信噪比結合虛警概率Pfa和探測概率Pd指標得到告警系統所能探測到的最大作用距離為

(6)

式中：Φ為標準正態分布；其他參數見表1中所示。

表1 紫外探測系統的相關參數Tab.1 Performance parameters of UV detection system

假定目標的輻射強度I為2.0×10-2W/sr，且對于本系統，提出的性能指標探測概率Pd為96%，虛警時間為1次/10 h. 虛警概率Pfa用虛警時間τfa表示為

(7)

式中：f0為系統的電子通帶中心頻率，取50 Hz. 經計算，系統的虛警概率Pfa為5.55×10-7，系統滿足探測要求的最低信噪比為7.12.

此時，(6)式中的未知參量只剩R及大氣透過率τ(R)，是關于作用距離R的隱函數方程。在解R時，需要反復利用大氣透過率軟件包MODTRAN精確計算τ(R)，作線性插值和迭代，直到作用距離R收斂為止。τ(R)是一個隨作用距離、告警系統所在的具體氣候環境、海拔高度等因素變化較大的變量。計算時假定大氣條件為：1976年美國標準大氣，鄉村衰減，水平路徑，1.5 km起始海拔，23 km視見距離，由此得到的大氣傳輸率如圖8所示。

圖8 距離海平面1.5 km處的大氣傳輸率Fig.8 Atmosphere transmittance at 1.5 km from sea level

綜合以上計算可以得出，在滿足假定的目標輻射強度下，以此AlGaN型日盲紫外變像管為核心探測器件的導彈逼近告警系統作用距離可達到7.1 km. 一般說來，計算值與測量值有一定的誤差，這主要是由τ(R)的近似性以及隱函數方程求解算法本身的不精確性引起。

4 結論

本文圍繞戰略性先進電子材料Ⅲ族氮化物半導體在紫外導彈逼近告警系統中的潛在應用前景，闡述了一種新型日盲型紫外變像管的研制，并對導彈逼近告警系統中應用此變像管進行了作用距離效能評估。

1)提出一種基于新型Ⅲ族氮化物半導體光電陰極的紫外變像管，對光電陰極的關鍵參數設計進行了計算和分析，并結合傳統MOCVD外延生長工藝對器件結構設計進行了兼容性考慮；利用HRXRD和紫外分光光度計對器件結構和光學日盲特性進行分析和確認。

2)借鑒傳統微光像增強器的制備過程完成紫外變像管的制備與封裝。制備完成的紫外變像管進行了光譜輻射靈敏度的測試。結果顯示：探測器組件在220～270 nm之間較為平坦，從270～280 nm之后開始急劇下降，輻射靈敏度在245 nm達到峰值41.526 mA/W，紫外/可見光抑制比達到3個數量級，顯示出較好的日盲紫外特性；

3)基于信噪比的作用距離模型，并利用公認的MODTRAN大氣模擬軟件包對作用距離進行迭代求解。以此AlGaN型日盲紫外變像管為核心探測器件的導彈逼近告警系統的作用距離可達到7.1 km.

然而，在實際戰場環境中，地形、氣候、戰場背景情況復雜多變，還有器件性能的穩定性等等，這些因素均會給MAW系統作用距離帶來一定的影響。后續工作中將一方面繼續優化器件在探測窗口的探測性能，另一方面也將進一步開展以此類器件為紫外MAW核心探測器組件的作用距離半實物仿真測試和實彈打靶測試。

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Experiment of New Protype Group Ⅲ-nitride UV Image Converter Tube andEvaluation of Detectable Distance of Missile Approach Warning System with It

REN Bin1,2, JIANG Zhao-tan1, GUO Hui2, SHI Feng2, CHENG Hong-chang2, BAI Xiao-feng2,SHEN Zhi-hui3, YANG Xiao-bo3, ZHOU Yue4, CUI Mu-han4

(1.School of Physics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2.Science and Technology on Low-Light-Level Night Vision Laboratory, Xi’an 710065, Shaanxi, China;3.Chongqing Optoelectronics Research Institute, Chongqing 400060, China;4.State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, Jilin, China)

A superior ultraviolet image converter tube made of Ⅲ-nitride semiconductor material was developed for missile approach warning (MAW) system. The Al mole fraction, film thickness and P-type doping level parameters which have the effects on the photoelectric emission performance of photocathode were determined. High resolution X ray diffractometer and ultraviolet spectrometer are used to analyze the structural and optical characteristics of photocathode. A relative flat and high quantum efficiency with small fluctuation in the wavelength range from 220 nm to 270 nm is obtained, the radiation sensitivity is 39.7 mA/W at 266 nm wavelength, and the spectral response begins to fall from 270 nm wavelength. According to the spectral radiation sensitivity and detectable distance model based on signal-to-noise ratio, MODTRAN atmosphere transmittance simulation software is used to calculate the operating range of MAW system with image converter tube by means of iteration solution. The calculated result shows that the operating range of MAW system can be up to 7.1 km.

ordnance science and technology; missile approach warning system; UV image converter tube; electro-optical countermeasure; group Ⅲ-nitride; detectable distance

2016-09-14

武器裝備預先研究項目(9140C380502150C38002)

任彬(1981—), 男, 高級工程師， 博士研究生。 E-mail: robinson_cv@163.com

郭暉(1964—), 女, 研究員， 博士生導師。 E-mail: 18991205211@189.cn

TN235

A

1000-1093(2017)05-0924-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.05.012