黑硅光电探测器及其在双色激光引信中的应用

梅 浩

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳471009）

0 引言

近炸引信是导弹武器系统的关键组成部分之一，是决定导弹单发杀伤概率的一个重要因素。由于现代战争对导弹引信性能的要求不断提高，引信正向着主动智能化方向发展。激光引信以其独有的空间分辨率高、定向性好、启动精度高、体积小、抗电磁干扰能力强等特点，在空空导弹、面空导弹、空面导弹以及天基武器等方面得到了越来越广泛的应用［1］。

但是，由于工作波段单一的原因，激光引信也存在着受云、烟雾影响较大，容易产生虚警或难以识别云雾中目标的缺点。为此，提出了利用双波段激光实现激光引信抗干扰的新技术。由于体积和信号处理等原因，激光引信的探测系统往往只能使用单一的光电探测器来接收两个波段的激光回波。然而，普通的硅光电探测器对不同波段激光回波的响应度有较大差异，并且响应度绝对值较低，所得到的信号往往需要经过预放大才能供后续处理使用，同时探测系统噪声也将被放大，不利于整个系统信噪比的提升。

黑硅是近年来出现的一种新材料，以其独特的光、电特性引起了国际和国内研究者的极大兴趣。这种材料最大的特点就是从紫外到可见，再到红外的超宽光谱区域都有超高效率的吸收，表面反射几乎为零。以黑硅为光敏材料制成的黑硅光电探测器，其灵敏度比普通硅探测器高100倍左右，截止波长也扩展至1 250nm。基于上述特点，本文提出了一种将黑硅光电探测器应用于双色激光引信的新思路。

1 黑硅及黑硅光电探测器

1.1 黑硅的制备方法

黑硅也被成为表面微结构硅，被科学家誉为“21世纪革命性的新材料”。1998年，美国哈佛大学的Mazur教授等人在研究飞秒激光与物质的相互作用时，无意间发现了这种材料。借鉴了哈佛大学研究小组的试验方法，经过适当改进，进行了黑硅样品的制作。

制作黑硅的试验装置如图1所示。

图1 黑硅制作实验装置图

在把硅片放入金属盒内后，仔细密封金属盒，然后打开真空泵，对金属盒抽真空。当金属盒内气压低至0.1Pa后，停止抽气，开始从另外一个管子充入SF6气体。当SF6气压达到0.67×105Pa后，停止充气［2］。把飞秒激光的能量衰减到合适的水平，经过聚焦透镜和氟化钙窗，使照射在硅片上的光斑直径约为250μm。在光路上放置了一个照相机快门作为光闸，来控制照射在硅片上的脉冲数量。实际制作的黑硅样本扫描电镜照片如图2所示。

图2 制作的黑硅样本扫描电子显微镜（SEM）照片

用肉眼观察，与普通硅片的亮银色相比，硅片表面被激光照射过的部分呈暗黑色，表示可见光被高效率的吸收。由扫描电镜照片可以看到，飞秒激光和腐蚀气体在硅的表面蚀刻出一个个小“金字塔”型的结构。这些微小结构分布非常均匀，每个小“金字塔”结构顶端宽约1μm，高约15 μm。经适当淬火处理，可使结构侧壁表面更加光滑。

1.2 黑硅的光学特性

用一台美国Perkin Elmer 公司生产的LAMBDA 950型紫外-可见-近红外分光光度计（Spectrophotometer）来测量样品的光学特性。LAMBDA 950 的 测 量 范 围 可 以 从175 nm ～3 300nm，且具有反射式和透射式两种测量模式。只需要测得每个样品的反射效率（R）和透射效率（T），再利用式（1）即可得到样品的吸收效率（A）。

把用飞秒激光连续写入法制作的表面微结构硅载入LAMBDA 950 分光光度计，分别测量它在250nm～2 500nm 范围内的反射光谱和透射光谱，然后计算得到吸收光谱。之后，又测量了不带有表面微结构的普通硅片的反射光谱，与之对比。测得的光谱如图3和图4所示。

图3 表面微结构硅的反射、透射和吸收效率

图4 黑硅和普通硅片的表面反射效率对比

图3中点画线为测得的黑硅反射光谱，虚线为其透射光谱，而实线为计算得到的吸收光谱。可见，制作的黑硅在从紫外到可见光再到1 000 nm 附近的近红外波段都具有超高效率的吸收，最高处达95%，并且吸收光谱很平，表明这种黑硅在这一波段的吸光能力不依赖于波长的变化。而在1 100nm 附近，黑硅的吸收效率陡然下落约15%，在1 172nm 处取得最低值，为82%。这个位置刚好对应于硅的能带带隙（1.1eV），因为波长大于1 100nm 以后，单个光子的能量就小于1.1eV，这样光子的能量就不足以将硅内部的电子从价带激发到导带。在此之后，吸收效率又有缓慢回升，一直到2 500nm 吸收效率都基本保持在85%左右。可是，即便85%也是一个相对较高的吸收效率，表示了这种黑硅有很好的吸光效果。

为了进行对比，测量了不带有表面微结构的普通硅片的光谱，对比结果如图4所示。图中点画线为不带微结构的普通硅片的反射光谱，可以看到，在可见光波段，30%～50%的光能量都被硅片直接反射回去，而在红外波段，则有将近一半的光能量被反射。实线为黑硅的反射光谱。相比之下，黑硅的反射效率在250nm～1 100nm 范围内保持在5%左右，在1 100nm 以上的红外波段也一直都在10%左右，表现出在吸光能力方面很大的优越性。

2 黑硅光电探测器

光电探测器在军事和国民经济的各个领域有着广泛的用途，可见波段的光电探测器主要用于测量和探测、工业自动控制、光度计算等，近红外波段的光电探测器主要用于导弹制导、红外热成像和红外遥感等。

目前光电探测器的主要问题：由于硅为间接能带半导体材料，且半导体能带间隙为1.1eV，这导致普通硅基探测器光电转换效率较低，且对于波长大于1 100nm 的入射光无法响应。硅制光电探测器主要用来探测可见光，随着对分辨率和灵敏度的要求越来越高，CMOS器件每个像素的尺寸势必要不断减小。可是，半导体加工工艺中一些原理性的缺陷使得更小的像素尺寸越来越难以达到。这就限制了普通CMOS光电探测器的发展和应用。锗（Germanium）探测器虽然被用来探测1 700nm 以下的红外光［3，4］，但Ge探测器的噪声较大，且不易去除；而其它用于红外光探测的PbSe，InSb，InGaAs等探测器多用昂贵且有毒性的材料制成，制作工艺复杂，成本较高，而且所需偏压较大［5～7］。无论是可见光探测器还是红外光探测器，目前的响应度都显得较低，对弱光的探测能力较差。因此迫切需要发展出一种具有宽相应光谱、高响应度、低功耗且成本较低的新型光电探测器。黑硅出现以后，它独特的光吸收特性展现出了在光电转换领域的巨大应用潜力。人们把黑硅与背面照射技术相结合，来研制新型的基于黑硅的光电探测器。

经测试，在仅为3V 的工作偏压下，黑硅光电探测器的响应度比普通硅、锗和InGaAs光电探测器提高了100倍，并且光谱响应范围大大超过传统硅探测器的响应范围，把截至波长从1 000 nm 延长到了1 250nm。图5 为SiOnyx 公司研制的黑硅光电探测器与传统光电探测器的效果对比［8］。正是黑硅这种材料，带来了光电探测器性能的如此大幅度提高。

图5 黑硅光电探测器与传统硅、锗和铟镓砷光电探测器的比较

3 应用探索

双色目标识别和抗干扰技术在导弹的导引系统中已广泛应用，如“尾刺”导弹采用两种探测器，分别探测紫外和中红外回波信号，经比较以区分目标和干扰；法国“西北风”导弹也采用了红外和紫外双色制导体制。然而，双色技术在引信领域的应用还处于探索和预先研究阶段。

通常认为，对引信探测系统形成干扰的主要是自然界云雾、战场烟尘（包括人造烟幕）等悬浮气溶胶类干扰物。当云、烟雾浓度足够大时，激光照射到云、烟雾上所产生的回波信号易超过阈值，从而使引信产生虚警，甚至早炸，严重影响装备激光引信的导弹系统的技、战术性能。

悬浮颗粒对入射激光主要有反射、散射和吸收三种效应。具体来讲，主要分为以下几种情况：

a）当粒子直径D 远大于入射波长λ时，此时入射光与粒子的相互作用主要体现为反射和折射，散射作用较弱，且与波长基本无关，主要体现为实体目标对入射激光的作用效果；

b）当粒子直径D 远小于入射波长λ 时，此时遵循瑞利散射规则，粒子尺寸增大，散射强度也迅速增大；

c）当粒子直径D 与入射波长λ 接近时（0.1λ＜D＜100λ），进入Mie散射区。

云雾粒子的典型直径在1μm～50μm，激光引信所使用光源一般在近红外波段，因此本文讨论的云、烟雾散射对激光引信的干扰属于Mie散射范畴。波长较短的光，散射作用较强；波长较长的光，散射作用较弱［9］。

基于上述分析，利用双色技术实现引信抗干扰的基本原理：目标与云、烟雾的后向散射特性对于不同波段的激光存在较大差异，可以通过目标与干扰对两种不同波长激光回波信号散射强度比值的差异来判断目标或干扰。

由于国内外激光引信多采用半导体激光器作为光源，因此引信接收系统常采用体积小、成本低、稳定性相对较高的硅PIN 探测器。典型硅PIN 探测器的响应度曲线，如图6所示。

图6 硅探测器响应度随入射光波长的变化

硅PIN 探测器虽然有自身的特点，但也有两点主要不足：

a）响应度较低：光电转换得到的电流信号非常微弱，往往需要配合大倍数前置放大器使用，后面还加有一级主放大器。前置放大器的使用一方面增大了本来就对体积、尺寸要求极为苛刻的引信系统工程化难度，另一方面，前置放大器不仅会放大有效信号，暗电流等噪声也会被放大，这给后续的信号提取和识别增大了难度；

b）对不同波长光的响应度差别较大，截止波长较低：对于单色激光引信，只需选取响应度曲线峰值附近的波长作为光源即可，但是对于双色激光引信，两种波长的激光响应度差别过大会对后续的信号处理带来极大的困扰，甚至将两种波长激光对于目标和干扰的散射差异完全抵消，从而丧失了双色技术在抗干扰方面的优势。

采用黑硅光电探测器将较好的解决上述问题。黑硅光电探测器比普通硅PIN 探测器响应度高100倍以上，因此不需要前置放大器，只需单级放大即可；其次，黑硅光电探测器截止频率比硅PIN 探测器大为提高，且响应度曲线较为平直，这使得选取两种波长差别尽量大、响应度差别尽量小的光源成为可能。目前国内已有科研院所能够制作双色半导体激光器，这种激光器将两种波长的激光管芯封装在同一个管壳内，因此体积与常用的单色半导体激光器一致，管壳直径仅为11 mm 左右；并且这两种波长均在黑硅光电探测器的响应波段范围之内，引信每个象限使用单个探测器即可满足探测要求。因此，双色激光引信的光源和探测器体积均未增加，这就大大降低了系统集成的难度。这对于对系统体积要求严苛的激光引信来讲无疑具有重要意义。

根据上述思想，设计了基于黑硅光电探测器的双色激光引信系统框图，如图7所示。信号处理电路给发射电路以驱动信号，驱动两种激光器发光。双色激光照射到目标或干扰物上产生回波，经共口径接收光学系统聚焦到黑硅光电探测器上进行光电转换，电信号经预处理，被送往目标识别与抗干扰电路进行识别。

图7 双色激光引信原理框图

4 结束语

双色或双模抗干扰技术在国内外导弹导引系统中已广泛应用。作为导弹武器系统的重要组成部分，激光引信也亟需利用双色技术解决自身易受云、烟雾等干扰的缺陷。黑硅光电探测器作为一种新型探测器，具有很多传统硅探测器不具备的优势。若加以研究应用于双色激光引信当中，必将解决装备了激光引信的导弹系统抗干扰能力不足的缺点，真正实现导弹武器系统的“全天候”作战。

［1］ 张好军，赵建林.采用双色技术的激光引信抗干扰技术［J］.2011，40（6）：1070-1074.

［2］ Her T H，Finlay R J，Wu C，et al.Microstructuring of Silicon with Femtosecond Laser Pulses［J］.Appl Phys Lett，1998，73：1673-1675.

［3］ Ramaswamy A，Piels M，Nunoya N，et al.High Power Silicon-germanium Photodiodes for Microwave Photonic Applications［J］.IEEE Trans Mi-crowave Theory Tech，2010，58：3336-3343.

［4］ Oehme M，Werner J，Jutzi M，et al.High-speed Germanium Photodiodes Monolithically Integrated on Silicon with MBE［J］.Thin Solid Films，2006，508：393-395.

［5］ Martinelli R U，Zamerowski T J，Longeway P A.2.6μm InGaAs Photodiodes［J］.Appl Phys Lett，1988，53：989-991.

［6］ Munoz A，Melendez J，Torquemada M C，et al.PbSe Photodetector Arrays for IR Sensors［J］.Thin Solid Films，1998，317：425-428.

［7］ Camargo E G，Ueno K，Morishita T，et al.Performance Improvement of Molecular Beam Epitaxy Grown InSb Photodiodes for Room Temperature Operation［J］.Jpn J Appl Phys，2008，47：8430-8433.

［8］ SiOnyx Inc.Black Silicon：A New Material for Photo Detecting and Imaging［J］.White Paper，2009.

［9］ 彭双春，刘光斌，张健.烟雾干扰下的实时图滤波方法研究［J］.红外与激光工程，2005，34（4）：478-480.