新型Ⅲ族氮化物日盲紫外變像管的研制及導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)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(xué) 物理學(xué)院, 北京 100081; 2.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710065;3.重慶光電技術(shù)研究所， 重慶 400060; 4.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)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(xué) 物理學(xué)院, 北京 100081; 2.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710065;3.重慶光電技術(shù)研究所， 重慶 400060; 4.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130033)

圍繞Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體在紫外戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用前景，設(shè)計(jì)出一種基于新型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體光電陰極的紫外變像管，確定了影響光電陰極光電發(fā)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(jì)，對光電陰極結(jié)構(gòu)和光學(xué)日盲特性進(jìn)行仿真分析和測試。紫外變像管的光譜輻射靈敏度測試結(jié)果顯示：探測器像管的輻射靈敏度在220～270 nm波段范圍內(nèi)波動(dòng)較小，在波長266 nm處的輻射靈敏度為39.7 mA/W，光譜響應(yīng)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(jié)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(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)作用距離進(jìn)行迭代求解。計(jì)算結(jié)果顯示：導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)的作用距離可達(dá)到7.1 km.

兵器科學(xué)與技術(shù)； 導(dǎo)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(jù)報(bào)道，不受控制或擴(kuò)散出來的便攜式防空導(dǎo)彈系統(tǒng)已有上千套，而且多數(shù)流落在非政府組織或恐怖組織中[1]。這就對飛機(jī)，特別是民用飛機(jī)的安全造成了極大的威脅。機(jī)載導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)(MAWs)作為一種有效的反導(dǎo)手段可以被動(dòng)式探測來襲的導(dǎo)彈，實(shí)時(shí)發(fā)出警報(bào)信息，提示駕駛員或者為自動(dòng)選擇合適時(shí)機(jī)提供依據(jù)，實(shí)施有效干擾，采取規(guī)避等措施，對抗敵方導(dǎo)彈的攻擊[2-4]。在紫外告警系統(tǒng)中作用距離是重要的性能指標(biāo)之一，也是使用者最為關(guān)心的性能指標(biāo)，針對紫外告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及紫外輻射在大氣中的傳輸特點(diǎn)，估算紫外告警系統(tǒng)的作用距離具有非常重要的現(xiàn)實(shí)作戰(zhàn)意義[5]。紫外導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)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(fā)光二極管(LED)、藍(lán)光和紫外激光器(LD)和高頻功率晶體管的研究焦點(diǎn)，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(shù)進(jìn)步可制備出無裂紋、高Al組分并實(shí)現(xiàn)一定程度歐姆接觸的AlGaN薄膜，為由AlGaN薄膜制作負(fù)電子親和勢(NEA)光電陰極鋪平了道路，使之拓展進(jìn)入高功率真空光電子器件及焦平面顯示器件的制備領(lǐng)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的崛起，大量的研究人員開始研究能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)以Cs2Te為代表的紫外光電陰極有3個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：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(yuǎn)高于Cs2Te光電陰極。

1 紫外告警系統(tǒng)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(dǎo)的背景噪聲將很小，即便在正中午對準(zhǔn)太陽的狀態(tài)下也等價(jià)于沒有太陽輻射。由于“日盲區(qū)”在天空形成“暗”背景，相襯導(dǎo)彈羽煙的紫外輻射可構(gòu)成良好的景物對比度，從而容易顯現(xiàn)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(tǒng)，不僅會(huì)帶來成本和系統(tǒng)復(fù)雜度的降低，而且作用距離的提升意味著有利于更早發(fā)現(xiàn)來襲目標(biāo)，從而也更有利于提升戰(zhàn)場環(huán)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(qiáng)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(tǒng)通常采用攝像成像原理，光學(xué)系統(tǒng)以大視場、大孔徑對空間紫外信息進(jìn)行接收，紫外探測器將視場內(nèi)空間特定波長紫外輻射光子(包括目標(biāo)、背景)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)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?shù)叫盘柼幚硐到y(tǒng)；系統(tǒng)對信號進(jìn)行預(yù)處理后送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，中央處理器依據(jù)目標(biāo)特征及預(yù)定算法對輸入信號做出有無導(dǎo)彈威脅的統(tǒng)計(jì)判斷[11]。

2 Ⅲ族氮化物光電陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表征

2.1 外延層結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

當(dāng)前并沒有大尺寸的AlGaN單晶或高質(zhì)量的具有相同晶格常數(shù)的其他材料單晶襯底，常用的襯底是藍(lán)寶石襯底。異質(zhì)外延帶來的嚴(yán)重后果是：由于Ⅲ族氮化物和襯底的熱膨脹系數(shù)差異較大，當(dāng)外延片從1 100 ℃的生長溫度冷卻到室溫時(shí)，會(huì)在Ⅲ族氮化物中形成很大的應(yīng)變從而導(dǎo)致Ⅲ族氮化物出現(xiàn)裂痕。一個(gè)重要的技術(shù)突破是低溫生長AlN或GaN緩沖層技術(shù)，緩沖層可以快速合并Volmer-Weber三維(3D)生長模式的小島，使之轉(zhuǎn)化為Frank-Van der Merwe二維(2D)臺階流生長模式，從而帶來后續(xù)高溫生長AlGaN質(zhì)量的提高[12]。盡管如此，15%的晶格失配仍會(huì)帶來高達(dá)108/cm2的源自于低溫層和藍(lán)寶石界面的線位錯(cuò)密度。Mg作為P型摻雜劑是另一項(xiàng)Ⅲ族氮化物外延生長的重大突破，低能電子束輻照(LEEB)技術(shù)使得Mg摻雜的Ⅲ族氮化物電阻率大大減小，同時(shí)光致發(fā)光譜(PL)強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 Ⅲ族氮化物光電陰極外延層結(jié)構(gòu)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(zhì)量AlGaN薄膜的需要，同時(shí)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(fā)射層，同時(shí)決定著日盲紫外的長波截止閾值。其參數(shù)設(shè)計(jì)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(yīng)，即紫外截止波長與禁帶寬度的關(guān)系為

(1)

式中：Eg為AlxGa1-xN導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)膸?，是彎曲參?shù)的2次方程式[14]，

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

(2)

結(jié)合(1)式和(2)式，可得出Al摩爾組分為0.45[15].

Al0.45Ga0.55N發(fā)射層厚度T的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，是一個(gè)權(quán)衡量，可參考文獻(xiàn)[16]的計(jì)算方法依據(jù)(3)式[17]來求解：

(3)

此外，異質(zhì)外延生長后界面上的缺陷是各種位錯(cuò)的主要來源，同時(shí)還存在大量的非輻射復(fù)合中心。在藍(lán)寶石和發(fā)射層AlxGa1-xN中插入寬禁帶的AlN勢壘層，與AlGaN形成的異質(zhì)結(jié)可以阻止非平衡載流子向后界面擴(kuò)散。以Al摩爾組分設(shè)計(jì)值x=0.45為計(jì)，利用AlxGa1-xN電子親和能公式[20]：χ=4.1-Ax，A為不確定性參數(shù)，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(nèi)，擴(kuò)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(gè)需要折中考慮的重要參量，摻雜高會(huì)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(xiàn)。

2.2 金屬有機(jī)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(jī)氣相外延生長(MOCVD)反應(yīng)腔室中進(jìn)行?；诒痴帐教綔y原理，襯底選用2 in雙拋c向(0001)藍(lán)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(qū)氣體，Mg源使用雙環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg)作為摻雜劑，氫氣作為載氣。生長前，藍(lán)寶石襯底在1 100 ℃的氫氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)崆逑础?/p>

按照圖2中所示的器件結(jié)構(gòu)，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(fā)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(fā)射層時(shí)，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(yīng)而導(dǎo)致生長速率和晶體質(zhì)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(jì)進(jìn)行原位監(jiān)控。生長結(jié)束后，外延片在770 ℃下的氮?dú)鈿夥障卤３? min進(jìn)行熱退火，以提升Mg受主的離化率。

2.3 結(jié)構(gòu)特性表征和光學(xué)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(jié)構(gòu)參數(shù)(組分、應(yīng)變、缺陷等)和光學(xué)參數(shù)(透射、反射等)，詳盡地了解外延片結(jié)構(gòu)和光學(xué)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(zhì)外延的生長模式，AlGaN薄膜和襯底熱膨脹系數(shù)、晶格參數(shù)的不匹配造成外延薄膜的雙軸晶應(yīng)變，晶格常數(shù)的計(jì)算需要基于雙軸晶應(yīng)變考慮：(0002)面內(nèi)均勻的壓應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致面外面間距的增加，也縮短了倒空間中(0002)點(diǎn)至原點(diǎn)的距離，因此薄膜面內(nèi)外的晶格參數(shù)受到組分和應(yīng)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(shù)相關(guān)，同樣與儀器的條件相關(guān)。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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；2)將模型參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)來得到。軟件基于運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，組分和厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為±0.01 nm和±1 nm，擬合結(jié)果見圖3，整個(gè)外延片的厚度非均勻性小于2 nm，得到的結(jié)果也更進(jìn)一步證實(shí)MOCVD監(jiān)控結(jié)果。從圖3(a)中可見，AlGaN的倒易晶格點(diǎn)(RLP)遠(yuǎn)未落在過AlN緩沖層且垂直于qx的垂線上，說明AlGaN遠(yuǎn)非完全應(yīng)變的，而是接近于完全弛豫。從圖3(b)可以清楚地看到最強(qiáng)的主峰是AlN緩沖層的零階Bragg反射，主峰左側(cè)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(jìn)一步體現(xiàn)了AlGaN/AlN較好的生長質(zhì)量及陡峭的界面。

圖3 紫外變像管陰極外延片HRXRD結(jié)構(gòu)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(jì)測試

光學(xué)特性能夠更進(jìn)一步表征外延材料的質(zhì)量，見圖4紫外分光光度計(jì)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)的負(fù)重。UVB波段界限分明的干涉條紋再次反映出樣品較好的質(zhì)量和光滑過渡的界面態(tài)。

圖4 AlN/AlGaN異質(zhì)結(jié)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(jī)切割成φ20 mm的變像管尺寸，邊緣再經(jīng)過金剛石磨拋工序進(jìn)行修整。切割后的φ20 mm外延片首先經(jīng)過質(zhì)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?dú)獯蹈?；再通過電子束蒸發(fā)的方式在550 ℃下蒸鍍Ni/Au(50/50 nm)圓環(huán)合金；最后在氮?dú)猸h(huán)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(shù)，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(jī)械強(qiáng)度支撐。

隨后，φ20 mm陰極組件通過真空送樣室進(jìn)入超高真空(UHV)系統(tǒng)，以2 ℃/s 升溫至850 ℃，在此溫度下保持10 min，隨之與0.5 keV的氮?dú)怆x子濺射交替作用3個(gè)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(yù)置的鉻酸銫鹽和漏閥分別將Cs、O導(dǎo)入U(xiǎn)HV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(qū)，也使得擴(kuò)散至能帶彎曲區(qū)的非平衡少子將加速向表面移動(dòng)，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(yīng)測試

紫外變像管的輻射靈敏度測試系統(tǒng)包含如圖6所示：以氘燈作為紫外光源，入射光經(jīng)過相對孔徑為1/7的光柵單色儀進(jìn)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(dá)到0.1 nm. 出射光經(jīng)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(jīng)過分光后照射入商用Si光電二極管(日本Hamamatsu公司產(chǎn)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(chǎn)6487型皮安表讀出。像管輻射靈敏度利用光電發(fā)射電流值與Si光電二極管的電流比值計(jì)算得到，整個(gè)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制。

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

從光譜響應(yīng)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(yīng)逐漸向短波方向移動(dòng)，這充分體現(xiàn)出AlxGa1-xN合金材料探測器長波閾值的可調(diào)性。圖7給出輻射靈敏度在245 nm達(dá)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(shè)計(jì)值266 nm重合。不重合的原因經(jīng)分析可能有以下3點(diǎn)：1)光電陰極發(fā)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(diǎn)；2)是采用(3)式進(jìn)行厚度估算時(shí)，光吸收系數(shù)值采用經(jīng)驗(yàn)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(dǎo)致長波光子的逸出幾率低于短波光子。后續(xù)工作中提高設(shè)計(jì)吻合度將是探測器性能優(yōu)化的重要研究方向之一。為進(jìn)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(yīng)測試系統(tǒng)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(dá)到3個(gè)數(shù)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(yīng)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(xiàn)代輻射測量技術(shù)的實(shí)踐證明：隨著探測系統(tǒng)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(biāo)本身亮度的增加[23-24]。因此，對于MAWs系統(tǒng)作用距離的估算建立基于探測系統(tǒng)信噪比分析的作用距離模型。假定無目標(biāo)信號時(shí)噪聲電壓幅值的概率密度函數(shù)為瑞利分布，有目標(biāo)信號時(shí)系統(tǒng)輸出電壓的分布為高斯函數(shù)，由系統(tǒng)所給出的虛警概率和探測概率性能指標(biāo)得到系統(tǒng)滿足探測要求的最低信噪比，再通過信噪比計(jì)算告警系統(tǒng)的作用距離。建立基于信噪比的作用距離模型時(shí)，以光子數(shù)為單位，從目標(biāo)的成像過程出發(fā)分別估算ICCD系統(tǒng)探測到信號的光子數(shù)NS和ICCD系統(tǒng)輸出的噪聲值NICCD[25]：

(4)

NICCD=

(5)

式中：R為目標(biāo)到系統(tǒng)的作用距離(km)；I為目標(biāo)的輻射強(qiáng)度W/sr；τ(R)為目標(biāo)輻射傳輸距離為R時(shí)的大氣透過率；GMCP為MCP電子增益的平均值；h為普朗克常數(shù)，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(jié)合虛警概率Pfa和探測概率Pd指標(biāo)得到告警系統(tǒng)所能探測到的最大作用距離為

(6)

式中：Φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；其他參數(shù)見表1中所示。

表1 紫外探測系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Performance parameters of UV detection system

假定目標(biāo)的輻射強(qiáng)度I為2.0×10-2W/sr，且對于本系統(tǒng)，提出的性能指標(biāo)探測概率Pd為96%，虛警時(shí)間為1次/10 h. 虛警概率Pfa用虛警時(shí)間τfa表示為

(7)

式中：f0為系統(tǒng)的電子通帶中心頻率，取50 Hz. 經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)的虛警概率Pfa為5.55×10-7，系統(tǒng)滿足探測要求的最低信噪比為7.12.

此時(shí)，(6)式中的未知參量只剩R及大氣透過率τ(R)，是關(guān)于作用距離R的隱函數(shù)方程。在解R時(shí)，需要反復(fù)利用大氣透過率軟件包MODTRAN精確計(jì)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(gè)隨作用距離、告警系統(tǒng)所在的具體氣候環(huán)境、海拔高度等因素變化較大的變量。計(jì)算時(shí)假定大氣條件為：1976年美國標(biāo)準(zhǔn)大氣，鄉(xiāng)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(jì)算可以得出，在滿足假定的目標(biāo)輻射強(qiáng)度下，以此AlGaN型日盲紫外變像管為核心探測器件的導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)作用距離可達(dá)到7.1 km. 一般說來，計(jì)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(shù)方程求解算法本身的不精確性引起。

4 結(jié)論

本文圍繞戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體在紫外導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用前景，闡述了一種新型日盲型紫外變像管的研制，并對導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)中應(yīng)用此變像管進(jìn)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(dǎo)體光電陰極的紫外變像管，對光電陰極的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算和分析，并結(jié)合傳統(tǒng)MOCVD外延生長工藝對器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了兼容性考慮；利用HRXRD和紫外分光光度計(jì)對器件結(jié)構(gòu)和光學(xué)日盲特性進(jìn)行分析和確認(rèn)。

2)借鑒傳統(tǒng)微光像增強(qiáng)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(jìn)行了光譜輻射靈敏度的測試。結(jié)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(dá)到峰值41.526 mA/W，紫外/可見光抑制比達(dá)到3個(gè)數(shù)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(rèn)的MODTRAN大氣模擬軟件包對作用距離進(jìn)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(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)的作用距離可達(dá)到7.1 km.

然而，在實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境中，地形、氣候、戰(zhàn)場背景情況復(fù)雜多變，還有器件性能的穩(wěn)定性等等，這些因素均會(huì)給MAW系統(tǒng)作用距離帶來一定的影響。后續(xù)工作中將一方面繼續(xù)優(yōu)化器件在探測窗口的探測性能，另一方面也將進(jìn)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(shí)物仿真測試和實(shí)彈打靶測試。

References)

[1] 李曉峰, 趙學(xué)峰, 陳其鈞, 等. K2Te(Cs) 日盲紫外光電陰極研究[J]. 光子學(xué)報(bào), 2014, 43(6):0625003-1-0625003-6. LI Xiao-feng, ZHAO Xue-feng, CHEN Qi-jun, et al. Study on K2Te(Cs) solar blind ultraviolet cathode[J]. Acta Photonica Sinica, 2014, 43(6): 0625003-1-0625003-6. (in Chinese)

[2] 權(quán)利, 王穎, 羅木昌, 等. 紫外圖像傳感器技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 半導(dǎo)體光電, 2013, 34(4): 537-541. QUAN Li, WANG Ying, LUO Mu-chang, et al. Advances in UV image sensor technology[J]. Semiconductor Optoelectronics, 2013, 34(4): 537-541. (in Chinese)

[3] 國愛燕, 白廷柱, 韓強(qiáng), 等. 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽煙紫外輻射特性分析[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2013, 34(4):418-424. GUO Ai-yan, BAI Ting-zhu, HAN Qiang, et al. Analysis of ultraviolet radiation characteristics of liquid propellant rocket motor exhaust plumes[J]. Acta Armamentarii, 2013, 34(4): 418-424. (in Chinese)

[4] 鄧科, 周成康, 于殿軍, 等. 導(dǎo)彈熱發(fā)射方式增推效能研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2016, 37(6): 1038-1043. DENG Ke, ZHOU Cheng-kang, YU Dian-jun, et al. Research on efficiency of additional thrust of thermal launching[J]. Acta Armamentarii, 2016, 37(6): 1038-1043. (in Chinese)

[5] 婁穎, 白廷柱, 高稚允, 等. 紫外告警系統(tǒng)探測距離的估算[J]. 光學(xué)技術(shù), 2005, 31(3):473-475. LOU Ying, BAI Ting-zhu, GAO Zhi-yun, et al. Estimation of detectable distance for ultraviolet warning system[J]. Optical Technique, 2005, 31(3): 473-475.(in Chinese)

[6] 郭渭榮, 栗蘋, 陳慧敏, 等. 不同角度下散射太陽光對光電探測器的干擾[J]. 探測與控制學(xué)報(bào), 2009, 31(1): 41-45. GUO Wei-rong, LI Ping, CHEN Hui-min. Interference from scattered sunlight on photodetector posed in different angles[J]. Journal of Detection & Control, 2009, 31(1): 41-45. (in Chinese)

[7] 藍(lán)天, 倪國強(qiáng). 紫外通信的大氣傳輸特性模擬研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 23(4): 419-423. LAN Tian, NI Guo-qiang. Simulation research on ultraviolet atmospheric transmission in UV communication[J]. Transaction of Beijing Institute of Technology, 2003, 23(4): 419-423. (in Chinese)

[8] Neele F P, Schleijpen R M. Electro-optical missile plume detection[J]. Proceedings of SPIE, 2003, 5075: 270-280.

[9] 夏潤秋, 王霞, 金偉其, 等. 海面環(huán)境中紅外偏振成像系統(tǒng)作用距離模型[J]. 紅外與激光工程, 2016, 45(3): 0304007-1. XIA Run-qiu, WANG Xia, JIN Wei-qi, et al. Distance model of infrared polarization imaging system used in sea-surface environment[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(3): 0304007-1. (in Chinese)

[10] 劉松, 金偉其, 李力, 等. 低照度成像組件的最小可分辨率對比度測量及其作用距離模擬[J]. 光子學(xué)報(bào), 2016, 45(3): 0312003-1. LIU Song, JIN Wei-qi, LI Li, et al. Minimum resolvable contrast measurement of low illumination imaging module and simulation of its range[J]. Acta Photonic Sinca, 2016, 45(3): 0312003-1. (in Chinese)

[11] 李炳軍. 紫外探測技術(shù)在導(dǎo)彈來襲告警系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]. 長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2007:35-38. LI Bing-jun. Ultraviolet detecting technology and its applications in the missile approaching warning system[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2007: 35-38. (in Chinese)

[12] Lin Z Y, Zhang J C, Zhou H, et al. Influence of double AlN buffer layers on the qualities of GaN films prepared by metal-organic chemical vapour deposition[J]. Chinese Physics B, 2012, 21(12):403-407.

[13] Lester S D, Ponce F A, Craford M G, et al. High dislocation densities in high efficiency GaN-based light-emitting diodes[J]. Applied Physics Letters, 1995, 66(10): 1249-1251.

[14] Ozgur U, Wood G W, Everitt H O, et al. Systematic measurement of AlxGa1-xN refractive indices[J].Applied Physics Letters, 2001, 79(25): 4103-4105.

[15] Duboz J Y, Grandjean N, Omnes F. Internal photoemission in solar blind AlGaN Schottky barrier photodiodes[J]. Applied Physics Letters, 2005, 86(6): 063511-1-063511-3.

[16] 任彬, 石峰, 郭暉, 等. InP/InGaAs轉(zhuǎn)移電子光陰極吸收層厚度設(shè)計(jì)與計(jì)算[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(10):3010-3014. REN Bin, SHI Feng, GUO Hui, et al. Design and calculation of absorption layer thickness on InP/InGaAs transferred-electron photocathode[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(10): 3010-3014. (in Chinese)

[17] 賈欣志. 半導(dǎo)體光電陰極[M].北京:科學(xué)出版社, 2013:122. JIA Xin-zhi. Semiconductor photocathodes[M]. Beijing: Science Press, 2013: 122. (in Chinese)

[18] Uchiyama S, Takagi Y, Niigaki M, et al. GaN-based photocathodes with extremely high quantum efficiency[J]. Applied Physics Letters, 2005, 86(10): 103511-1-103511-3.

[19] Kuek J J, Wong M A, Fisher T A, et al. Modelling AlGaN heterojunction solar-blind photodetectors[C]∥Optoelectronic and Microelectronic Materials Devices. Perth, WA, US:IEEE, 1999: 407-410.

[20] Ambacher O. Growth and applications of Group Ⅲ-nitrides[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 1998, 31(20):2653-2710.

[21] Wu C I, Kahn A. Electronic states and effective negative electron affinity at cesiated p-GaN surfaces[J]. Journal of applied physics, 1999, 86(6): 3209-3212.

[22] Bai L F, Zhang Y, Gu G H, et al. Analysis and fusion methods on low light level image and ultraviolet image[J]. Infrared and Laser Engineering, 2007, 36(1): 113-117.

[23] 崔穆涵, 易翔宇, 周躍, 等. 近紫外探測系統(tǒng)作用距離分析[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2015, 27(9): 091012-1-091012-5. CUI Mu-han, YI Xiang-yu, ZHOU Yue, et al. Detection range model of near ultraviolet detection system[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(9): 091012-1-091012-5. (in Chinese)

[24] 趙建川, 陳兆兵, 郭勁, 等. 基于信噪比的紫外紅外復(fù)合告警系統(tǒng)模型[J]. 中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué), 2009, 2(3): 195-199. ZHAO Jian-chuan, CHEN Zhao-bing, GUO Jin, et al. UV and IR complex warning system based on signal-to-noise[J]. Chinese Journal of Optics and Applied Optics, 2009, 2(3): 195-199. (in Chinese)

[25] 曹慧. 紫外成像告警技術(shù)的研究[D]. 長春:長春理工大學(xué), 2010. CAO Hui. Ultraviolet imaging alarm technology[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2010. (in Chinese)

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(yù)先研究項(xiàng)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(dǎo)師。 E-mail: 18991205211@189.cn

TN235

A

1000-1093(2017)05-0924-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.05.012