红外探测系统的核心组成部分是什么？

红外光电探测器是红外探测系统的核心组成部分，以大规模、小型化、多色、高速探测以及三维成像等为主要特点的第三代碲镉汞（HgCdTe）红外焦平面探测器已成为红外光电探测技术的主要发展方向。其中HgCdTe红外雪崩光电二极管（APD）阵列作为最近十多年来发展起来的新型探测器，以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点，成为未来微弱信号探测、三维主/被动探测应用的重要器件。

在可见光波段，硅APD的技术已经非常成熟，基本上取代了传统的光电培增管（PMT），但是硅材料在红外波段探测效率低。红外短波波段，InGaAs/InP雪崩二极管具有优势，其光谱相应在1100 ~ 1700 nm，吸收层材料为InGaAs，倍增层材料为InP。在红外波段，HgCdTe雪崩光子探测器（APD）成为很有潜力的雪崩光子探测器。Hg1 - xCdxTe是由HgTe和CdTe混合的三元化合物，其晶格常数随组分变化小，与CdZnTe衬底可以实现完美晶格匹配。Hg1 - xCdxTe是直接带隙半导体材料，红外光的吸收系数及量子效率比较高；通过改变材料组分，可以使器件光谱发生变化，响应波段完全囊括了整个红外光谱范围。另外，与其他红外光电半导体材料相比，HgCdTe材料的空穴与电子离化率差别很大，工作温度范围宽，因此增益带宽积比较宽和信噪比比较高，这些优点使得HgCdTe APD在红外雪崩光子探测领域具有广阔的应用前景。

2 雪崩光电探测器的基本原理

雪崩光电二极管（APD）是一种具有较高频率响应特性和较高内增益的器件。器件工作在高的反偏压下，当吸收层吸收入射光产生光生载流子，器件内部光生载流子在强电场的作用下与晶格碰撞离化会产生雪崩效应，单个载流子产生的光电流被放大至宏观上可以被探测的程度，从而实现单光电子探测，如图1所示为APD的工作原理图。APD的基本结构是工作于反向偏压下的pn结，在理想条件下，吸收层吸收每个入射光子，激发产生一个电子-空穴对，电子-空穴对在电场作用下分别向不同方向漂移形成光电流。随着反向偏置电压趋于反向击穿电压，在pn结的耗尽区形成了强电场，在强电场的作用下，获得很高的能量光生载流子，与晶格发生碰撞，将晶格中的原子发生电离产生新的电子-空穴对，新的电子-空穴对在强电场作用下获得很高的能量形成新的碰撞电离过程，如此重复下去形成显著的雪崩效应，在此过程中APD的载流子数目增加迅速，入射的光信号不断被放大成电信号，最终向读出电路输出较强的电信号。

图1 雪崩光电二极管的工作原理

雪崩光电二极管分为两种工作模式：线性工作模式、盖革工作模式。这两种模式工作在不同的工作电压下，因此内增益存在明显的差别。线性工作模式，一般低于雪崩电压，内增益通常低于1 × 103量级，无法用于单光子的探测。在线性工作模式下APD探测器，材料的电子离化率和空穴离化率存在很大的不同，入射光子数与输出电流成线性关系，可以实现光子探测。盖革工作模式APD的工作偏压比较高，要高于雪崩电压，反向强电场加速光生载流子触发雪崩效应，因此在盖革工作模式APD增益相当高的，通常达到1 × 105，因此用于单光子探测。其工作特点在于，在无自由载流子时，什么现象也不会发生；而一旦器件中出现一个自由电子，就将很快导致雪崩的发生，雪崩发生后，一直持续下去，直到器件永久损坏，因此需要使用淬灭电路阻止雪崩继续，并复位偏置电压，使APD回到初始态，才能进行下一次探测。

在研究初期，研究人员致力于实现红外APD盖革模式下工作，并将其应用到激光雷达（LiDAR）成像系统中，但是在应用过程中发现，探测器在盖革模式下工作，存在无法直接判断光信号的强度、一次雪崩发生后探测器需要一段时间来复位该时间内没有探测能力、虚警率高等问题，无法满足LiDAR系统灵敏度高、速度快、时间精确性高的要求，而线性模式下的APD，具有可以获得多个目标的距离信息、降低虚警率、探测碎片后的目标、记录信号强度、不需要复位电路等优点，有利于应用在LiDAR系统中，因而线性模式下的HgCdTe APD逐步成为了研究的热点。

3 国内外的研究进展

1993年，Leveque等人发表了关于HgCdTe材料中电子和空穴离化系数的理论性文章，如图2所示，文中指出，当HgCdTe的截止波长小于1.9 μm时，空穴的离化系数远大于电子的离化系数，适合空穴触发型APD；而当HgCdTe的截止波长大于1.9 μm时，电子的离化系数远大于空穴的离化系数，适合电子触发型APD。由于HgCdTe材料中，两种载流子可以具有差别很大的离化系数，导致两种载流子的碰撞电离平均自由程具有大的差异，容易实现单载流子器件，所以雪崩倍增厚度可以在很宽的范围内变化，而HgCdTe APD始终保持在线性工作模式，即HgCdTe APD具有很宽的线性模式工作偏压范围；在高偏压下，载流子沿着一个方向移动，噪声低，过剩噪声因子接近1，因此在倍增过程中，噪声几乎不参与培增，这对于制备具有高增益因子的HgCdTe APD红外成像焦平面探测器是有益的。

图2 电子和空穴离化系数与组分x的关系图

从20世纪80年代开始，国外多家红外探测器制造商相继进行HgCdTe APD的研究，他们的研究成果逐步从概念性研究发展到实验室演示成像阶段，逐步推广到实际应用阶段。主要研究机构包括DRS、SELEX、Raytheon、CEA / LETI，这些研究机构将其在HgCdTe红外焦平面探测器方面取得的研究经验与成果，应用到HgCdTe APD的研发中，推动了HgCdTe APD的发展。

3.1 DRS公司的研究进展

美国DRS公司与英国SELEX公司采用的是高密度垂直集成光电器件结构（HDVIP），HDVIP器件是由早期提出的红外焦平面环孔pn结器件发展而成的，该器件不需要使用In柱互连技术来制备器件。如图3所示为HDVIP的结构原理，液相外延（LPE）生长HgCdTe材料，利用刻蚀方法将每个像元刻蚀形成的通路通到衬底，衬底上生长的p型掺杂（掺Au）HgCdTe薄膜为p型层，p型材料的掺杂浓度为8 × 1015~ 1.6 × 1016之间，Hg空位或者Hg空位和Cu提供空穴，部分材料同时掺杂浓度为2 ~ 4 × 1014 In作为施主原子；通过刻蚀及离子注入使p型层改性形成n型层，在刻蚀过程中，占据间隙位置的Hg原子填充空位，形成n层。n型层环绕在通路侧面，形成了n型层被p型层包围着的特殊结构。pn结的尺寸是可调的，一般通过改变刻蚀的条件来改变。该结构是横向电流传输，p区为吸收区，n区为倍增区，载流子在反向强电场作用下从p区到n区发生雪崩效应。该器件结构的特点主要包括：采用CdTe钝化技术，器件的1/f噪声显著降低；器件不再使用In柱互连技术，器件的热稳定性好；二极管的成结方向与材料生长方向相垂直，位错对器件性能的影响减小；器件工作在侧入射下，其量子效率及调制函数性能得到了极大地提高了。

图3 HDVIP器件的截面图和顶视图

DRS公司已成功研制了HDVIP中波红外焦平面器件，规格是2 × 8，每个像元又包括2 × 2的子像元，响应光谱为0.35 ~ 4.3 μm，-12.9 V偏压下增益达到1100，器件交付NASA GSFC进行测试，平均单光子的信噪比超过12，过剩噪声因子为1.2 ~ 1.3，展示出良好的器件性能，为实用化奠定了基础。

3.2 Leonardo公司（前SELEX）的研究进展

英国的 Leonardo 公司（前SELEX）和美国的DRS公司一样，在研究初期选用了由环孔pn器件发展而来的高密度垂直集成光电器件结构（HD-VIP）作为HgCdTe APD的器件结构，但是在研究过程中发现环孔结构在高反偏压下，漏电流大，器件需要保持在40 K的低温工作，因此SELEX于2004年开始研究利用金属有机物气相外延（MOVPE）代替液相外延（LPE）外延生长方式，在廉价的GaAs衬底上生长HgCdTe外延层。MOVPE和分子束外延（MBE）类似，可以实现一次生长过程生长不同组分和掺杂的多层HgCdTe材料，能够精确实现材料能带结构的“裁剪”。采用优化的异质结结构，结构如图4所示，即宽禁带的吸收层和窄禁带的增益区，实现APD器件高量子效率、高增益、响应快、暗电流低等性能。

2016年，SELEX并入Leonardo，对器件结构进行了进一步的优化，取消了宽禁带的缓冲层的生长，将响应光谱的短波方向从1.3 μm降低到0.8 μm。截止波长为2.5 μm，在60 K时，-19 V偏压下增益为637，并成功研制了320 × 256短波红外焦平面APD。

3.3 Raython公司的研究进展

Raytheon公司是最先开始研究HgCdTe APD的公司之一，他们的研究集中在响应波长为1.4 ~ 1.8 μm，是对人眼安全的波段，该波段的HgCdTeAPD是3D激光主动成像系统中的核心部件。在器件结构设计方面，采用了吸收和倍增分离的APD器件结构（SAM-APD），详细的结构如图5所示，利用分子束外延（MBE）在Si或者CZT衬底上生长五层HgCdTe材料。在结构设计中，使倍增层厚度尽量小，倍增处电场比较均匀，避免不可控制的雪崩击穿；而吸收层厚度尽量大，使入射的光子大部分被吸收，以提高器件的量子效率；在穿通状态下，吸收层和倍增层分开以降低器件的击穿电压。而且异质结的结构设计，可以提高少子的注入效率，提高载流子的迁移率等，同时可以降低HgCdTe APD的暗电流。因此异质结SAM结构比较适合HgCdTe APD的器件要求。

图4 MOVPE生长器件结构示意图

图5 SAM-APD结构示意图

Raytheon公司成功研制了HgCdTe APD，工作温度为300 K，增益为100时，过剩噪声因子接近于1，暗电流＜10nA，NEP大约为0.5 nW，吉赫兹带宽，展示出良好的器件性能。目前，Raytheon公司依托低缺陷密度的HgCdTe材料、低噪声高增益的APD和高质量的ROIC等技术优势，成功制备了四种不同用途的HgCdTe APD探测器：高灵敏度100 ~ 300 μm大面阵单元HgCdTe APD，4 × 256扫描型LiDAR传感器，256 × 256快速接收器以及线性模式光子计数器。如图6所示。

图6 Raytheon公司的LiDAR产品

3.4 CEA/LETI的研究进展

与其他公司相比较，CEA/LETI公司对HgCdTe APD研究起步较晚，但是依托原有成熟的HgCdTe红外焦平面技术和经验，CEA/LETI公司的HgCdTe APD研究进展较大，在短短几年内，已经相继开展了超高灵敏高动态范围被动凝视阵列、主动2D/3D成像、双模被动-主动成像系统。他们选用典型的PIN结构，器件结构如图7所示。利用LPE或者MBE方法在衬底上外延HgCdTe薄膜，p型层的Hg空位浓度为Na= 1 × 1015 ~ 1 × 1016cm-3，n+区域通过离子刻蚀形成，浓度为Nd= 1 × 1018 cm-3，n+区和p区的Hg空位发生中和，在p区和n+区之间形成了n-区，浓度为Nd= 1× 1014 cm-3，通过改变n+区的厚度来相应的改变n-区的厚度，从而达到改变器件性能的目标。p区为吸收层，吸收入射光子后，电子经过n-区加速倍增后，到达n+区，通过电极In柱由读出电路读出信号。

图7 PIN-APD结构示意图

CEA/LETI公司已经成功研制了320 × 256中心距为30 μm的2D/3D主动成像，距离分辨率低于15 cm（1 ns）。在80 K时，器件的截止波长分别为2.9 μm到5.3 μm，反偏电压在-20V时，增益达到600以上，过剩噪声因子为1.1 ~ 1.3，显示出良好的器件性能。

3.5 中国科学院上海技术物理研究所的研究进展

中国科学院上海技术物理研究所是国内首家进行HgCdTe APD研究的单位，首先对平面结和台面结HgCdTe APD进行了理论研究，并且对暗电流的主要产生机制进行了分析。利用MBE生长技术制备了PIN结构HgCdTe APD器件，77K时，截止波长为4.76 μm，反偏电压为-10 V时，增益达到了335。

4 HgCdTe APD的应用

经过十多年的技术研究与开发，HgCdTe APD逐步从实验演示走向了实际应用。DRS公司和美国航空航天局（NASA）合作，为宇宙飞行中心提供两种类型HgCdTe APD，一种规格为4 × 4 HgCdTe APD阵列用于追踪气体测试，另一种规格为2 × 8线性模式光子计数HgCdTe APD阵列用于大气背散射测试。HgCdTe APD波长范围在0.9 ~ 4.3 μm，APD增益大于500，量子效率超过90%，器件噪声极其低，成为了新型用于星球科学研究的探测器。Raytheon公司提供的四种不同规格的LiDAR接收器，其中单元器件可用于远距离3D成像，是第一代APD器件；高速4 × 256扫描型LiDAR传感器是为美国NAVAIR研发，是第二代APD器件，用于多模传感器寻得器（MMSS），海军舰艇的监视与观察，以及目标识别的3D成像；256 × 256凝视型LiDAR接收器是为NASA Langley研发，实现自主精确着陆和危险物避让技术（ALHAT），主要用于月球着陆和航行的3D成像；而最新研发的超灵敏的光子计数器，可用于深太空天文研究。

图8 HgCdTe APD的应用和核心的传感器技术

5 结论

综上所述，国外机构在HgCdTe雪崩光电二极管研究方面已经做了大量的工作，但是国内的研究仍然处于起步阶段，需要突破的关键技术主要包括：低缺陷碲镉汞材料的生长技术，由于HgCdTe APD工作偏压比较高，材料内部的位错会引起器件在高偏压下性能变差，因此要求碲镉汞外延材料具有低的位错密度；pn结成结技术，离子注入和退火技术是制备平面结HgCdTe APD的关键技术之一，离子注入后，通过退火控制各个区域的位置以及掺杂浓度，形成理想的PIN结构；暗电流抑制技术，暗电流和材料的截止波长、工作温度以及表面漏电流等因素有直接的关系，需要分析暗电流的主要因素，设计出符合应用要就的器件；高偏压低噪声读出电路设计，HgCdTe APD要求读出电路满足高注入和高偏压的工作特点，对读出电路设计是一个重大的挑战；器件评价和测量技术，HgCdTe APD的增益因子、过剩噪声系数、工作带宽的测量与普通焦平面探测器件完全不同，需要重新搭建新的测量平台和采取新的测量技术手段。

本文综述了HgCdTe雪崩光电二极管的基本工作原理、以及材料和器件的研究，并且简单介绍了其应用方向和研究进展。从上面的讨论可知，HgCdTe雪崩光电二极管无论在民用还是军用方面都有着广阔的应用前景。但是我国HgCdTe雪崩光电二极管的研究相对于国外来说，仍然存在着巨大的差距，因此对该方向的研究迫在眉睫。
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