短波红外单光子探测器的发展

导读

单光子探测器达到了光电探测的极限灵敏度，InP/InGaAs 短波红外单光子探测器 (SPAD) 是目前制备技术较为成熟且获得广泛应用的单光子探测器。通过半导体热电制冷 (TEC) 即可达到其工作温度 (−40 ℃ 左右)，具有体积小、成本低，方便安装和携带的应用优势；另外，基于常规半导体二极管的芯片制造工艺很容易实现大面阵单光子阵列，除了探测微弱信号，还具备三维数字成像功能。国外包括美国、瑞士、意大利、韩国、日本等对InP/InGaAs SPAD进行了长期持续的研究，目前已研制出单管的货架产品，性能还在不断地优化和改进之中。国外研制的单光子探测器阵列获得了清晰的三维成像效果，并广泛应用于激光雷达三维成像、远距离目标探测、激光通信等领域。国内包括重庆光电技术研究所、中国科学院上海技术物理所、西南技术物理研究所、中国科学技术大学、云南大学等对InP/InGaAs SPAD芯片进行了器件设计和器件制备研究，目前单管芯片已经达到与国外报道相当的性能。国内单光子探测器阵列的研究获得了一定的进展，但芯片规模和器件性能有待进一步提升。  

本文对近10年来基于InP/InGaAs  SPAD的技术改进进行了归纳总结，分析了器件设计和研制中面临的主要问题、技术解决途径和取得的进展，重点介绍了国内外高温、高速 InP/InGaAs单光子探测器及焦平面阵列的发展，对探测效率、暗计数率、后脉冲和时间抖动等性能进行了对比分析；最后结合新近出现的离化工程、新机理和新材料体系，探讨了短波红外单光子探测器未来的发展趋势。  

研究背景

工作在通讯波段1310 nm和1550 nm的短波红外单光子探测器，在光纤通讯、激光雷达、量子保密通讯、无人驾驶等领域具有广泛的应用需求。结合对人眼安全的应用考虑，1550 nm短波红外单光子探测器体现出了更为广泛的应用，同时也对高探测效率、高计数率、高温工作、低成本的单光子探测器提出了迫切的发展需求。随着 InP/InGaAs 短波红外单光子探测器 (SPAD)在材料结构、材料质量、工艺制备和淬灭电路等方面的不断改进和发展，目前 InP/InGaAs  SPAD 的性能获得了显著的提升，探测效率典型值从 20% 提升到30%，而暗计数率进一步降低，低于kHz。对于1550  nm的单光子探测技术，除了传统的InP/InGaAs  SPAD，目前还发展了 Sb 基数字合金构建的低噪声材料体系、采用离化工程的多倍增 InP/InGaAs SPAD、单片集成薄膜电阻的负反馈自淬灭（NFAD）SPAD、InAlAs/InGaAs SPAD等新材料、新结构、新机理探测技术，使短波红外单光子探测芯片技术获得了快速的发展和进步。  

主要内容    

1.InP/InGaAs 单光子探测器性能改进  

通过在光敏面上增加抗反射涂层增强吸收，或增加介电-金属反射层，如图1所示，提高对入射光子的吸收效率，提高器件的量子效率和探测效率；增加微透镜增强光线采集能力，减小有源区直径的同时提高填充因子，如图2所示。通过增加电荷层中的电荷，在InGaAs吸收区中实现较低的电场，减少来自吸收区场增强产生的暗计数率；提高制备工艺条件使有源区电场更均匀，大大改善了InP/InGaAs SPAD的探测效率、降低了暗计数率，近10年国内外有代表性的进展如表 1 所示。  

图1 中国科学技术大学金属层和三个周期的SiO2/TiO2布拉格反射镜组成的增强反射结构

  图 2 南韩Wooiro公司设计增加微透镜SPAD横截面  

表1  近十年报道的高探测效率InP/InGaAs SPAD的性能汇总

2.高温工作的 InP/InGaAs 单光子探测器

InP/InGaAs SPAD需要在低温 (约 230  K) 下工作，以降低暗计数率，但在低温时SPAD后脉冲大。若器件工作在室温条件下，同时还能保持可接受的暗计数率和探测效率，对抑制后脉冲、提高计数率具有显著的优势。工作温度为室温或接近室温 (如零度以上，通过一级TEC 很容易实现) 被视为高温工作条件。有别于常规制冷单光子探测器，高温工作的单光子探测器需要对暗计数进行特别的抑制，一方面，需要对材料结构、器件结构进行特殊的设计，确保吸收区、倍增区与热有关的载流子激发、隧穿降至最小，由此引发的暗计数最小，暗计数率控制在可接受的范围内；另外一方面，通过运用正弦门控淬灭电路亚 ns 级的有效门宽，减少暗计数，也能使性能较好的单光子探测器工作在室温。目前报道的高温器件性能如表2所示。  

表2  国内外报道的室温SPAD性能

3.高计数率 InP/InGaAs 单光子探测器

InP/InGaAs SPAD向高计数率发展面临的一个关键问题是死时间不断变短带来的后脉冲概率增大。通过采用正弦门、自差分（如图3所示）等技术目前实现了GHz的高速SPAD，相关的性能指标见表3所示。  

图3 东芝欧洲有限公司自差分电路  

表3  近十年报道的高计数率InP/InGaAs SPAD的性能汇总

4.InP/InGaAs 单光子探测器焦平面阵列

焦平面阵列具有广泛应用，特别是人眼安全的1550 nm的InP/InGaAs SPAD阵列，可用于三维成像、激光雷达等。美国 MIT 林肯实验室 (Massachusetts Institute of Technology，Lincoln Laboratory)报道了采用自研的256×64的1064 nm InP/InGaAsP SPAD焦平面阵列，阵列中心距50μm，零度条件下探测效率25%，暗计数率10 kHz，完成了激光雷达三维成像，以下是对Maynard市500 m×500 m面积进行扫描的三维成像图，如图4所示，扫描时间10 s，其中的颜色含有距离信息。

图4 美国MIT林肯实验室对Maynard市的扫描三维成像图

5.新材料、新结构单光子探测器

离化工程

对于SAGCM结构的短波红外单光子探测器，载流子离化倍增时，存在死区效应而需要厚倍增层，这降低了器件的响应速度,通过运用离化工程，增加能量积累层，可以减小死区效应，提高探测效率和响应速度，同时降低器件的过剩噪声因子。  

电子倍增InGaAs/InAlAs SPAD

倍增层材料除了空穴倍增的InP材料外，可以用与InGaAs晶格匹配，电子倍增的In0.52Al0.48As作为倍增材料。相比于InP材料，In0.52Al0.48As带隙更宽，雪崩击穿电压的温度依赖性相对InP更不敏感，因此InAlAs材料的SPAD工作温度具有灵活性。与InP/InGaAs SPAD相比，InGaAs/InAlAs SPAD具有高增益带宽积、低过深噪声、低温度系数和高灵敏度等优点。  

AlInAsSb数字合金雪崩光电二极管

GaSb基的AlxIn1-xAsySb1-y数字合金材料通过调整AlxIn1-xAsySb1-y中Al、Sb的成分可调整材料带隙，响应波长有望扩展到2000 nm或更长，具有与Si相当的低过剩噪声因子，是发展高性能短波红外单光子探测器的一个重要材料选择。目前该器件在击穿前已获得高达100的稳定增益，1550 nm波长处实现了大于80%的量子效率。弗吉尼亚大学报道的InAlAsSb数字合金雪崩光电二极管结构如图5所示。

图5 弗吉尼亚大学报道的InAlAsSb数字合金雪崩光电二极管

结论

近10年国内外研究团队通过优化器件结构、制备工艺以及雪崩信号提取电路显著提高了 InP/InGaAs SPAD的性能，高探测效率、低暗计数率、室温InP/InGaAs短波红外单光子探测器获得快速发展。提高工作温度到室温或零度以上，是降低后脉冲的一个有效解决途径，同时可显著减小封装体积、降低成本。具有更小温度系数、带隙更宽且与吸收层 InGaAs晶格匹配InGaAs/In0.52Al0.48As SPAD，其探测效率、暗计数率目前不如 InP/InGaAs SPAD，需要进一步改进提高。随着对三维成像的巨大发展需求，单光子焦平面阵列在规格和性能方面的提升是目前单光子探测器研究的一个重要工作。利用InAlAsSb合金材料制备的雪崩光电二极管显示了较高的量子效率和稳定的雪崩增益，有望应用于高性能短波红外单光子探测器制备。 




审核编辑：刘清