碲鎘汞光子計(jì)數(shù)型線性雪崩探測(cè)器

光子計(jì)數(shù)技術(shù)能將光子信號(hào)充分放大以克服電子器件的讀出噪聲，利用弱光照射下探測(cè)器輸出電信號(hào)自然離散的特點(diǎn)，記錄一定時(shí)間內(nèi)探測(cè)器輸出的光子數(shù)，根據(jù)光子計(jì)數(shù)值推算出被測(cè)目標(biāo)的信息。為了實(shí)現(xiàn)極微弱的光探測(cè)，各國(guó)先后研究了多種不同種類的具有光子探測(cè)能力的儀器。固態(tài)雪崩光電二極管（APD）是利用內(nèi)光電效應(yīng)探測(cè)光信號(hào)的器件。與真空器件相比，固態(tài)器件在響應(yīng)速度、暗計(jì)數(shù)、功耗、體積和對(duì)磁場(chǎng)敏感性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，國(guó)外先后開展了基于固態(tài)APD光子計(jì)數(shù)成像技術(shù)的研究。

APD器件有蓋革模式（GM）和線性模式（LM）兩種工作模式，目前APD光子計(jì)數(shù)成像技術(shù)主要采用蓋革模式APD器件。蓋革模式APD器件具備單光子級(jí)別的高靈敏度、達(dá)數(shù)十納秒的高速響應(yīng)速度，可獲得高時(shí)間精度。但蓋革模式APD存在探測(cè)器死時(shí)間、探測(cè)效率低、光串音大、空間分辨率不高等問題，很難優(yōu)化折中高探測(cè)率和低虛警率的矛盾。而基于近無(wú)噪聲高增益HgCdTe APD器件的光子計(jì)數(shù)器工作于線性模式，沒有死時(shí)間和光串音限制，沒有與蓋革模式相關(guān)的后脈沖，不需要淬滅電路，具有超高動(dòng)態(tài)范圍，光譜響應(yīng)范圍寬且可調(diào)，探測(cè)效率和誤計(jì)數(shù)率可獨(dú)立優(yōu)化，開辟了紅外波段光子計(jì)數(shù)成像的新應(yīng)用領(lǐng)域，是光子計(jì)數(shù)器件的重要發(fā)展方向，在天文觀測(cè)、自由空間通信、主被動(dòng)成像、條紋跟蹤等方面有廣闊的應(yīng)用前景。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“碲鎘汞光子計(jì)數(shù)型線性雪崩探測(cè)器”為主題的文章。該文章第一作者為郭慧君副研究員，主要從事碲鎘汞雪崩探測(cè)器和高溫器件的物理機(jī)理、設(shè)計(jì)、制備和表征方面的研究工作；通訊作者為陳路研究員，主要從事分子束外延碲鎘汞材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生長(zhǎng)和碲鎘汞器件工藝方面的研究。

論文總結(jié)了國(guó)外和國(guó)內(nèi)在碲鎘汞光子計(jì)數(shù)型線性雪崩探測(cè)器研究方面的技術(shù)路線和研究現(xiàn)狀，分析了吸收倍增分離型（SAM）、平面PIN型和高密度垂直集成型（HDVIP）三種結(jié)構(gòu)的HgCdTe APD器件性能、光子計(jì)數(shù)能力以及制備優(yōu)缺點(diǎn)。

HgCdTe APD器件光子計(jì)數(shù)原理

HgCdTe APD器件基本特性

基于HgCdTe材料的APD器件可覆蓋波長(zhǎng)范圍廣，電子和空穴的離化系數(shù)差異大（見圖1（a）），在截止波長(zhǎng)1.3~11 μm內(nèi)表現(xiàn)了單載流子倍增機(jī)制，近乎無(wú)過剩噪聲（相比于Si APD器件的過剩噪聲因子FSi~2-3，III-V族器件FIII-V~4-5（見圖1（b）），使得器件信噪比隨增益增加幾乎不發(fā)生衰退，是比較理想的雪崩紅外探測(cè)器。

圖1 （a）碲鎘汞材料碰撞電離系數(shù)比與Cd組分x的關(guān)系；（b）不同材料體系的APD器件的過剩噪聲因子F對(duì)比

表1比較了蓋革模式（GM）和線性模式（LM）的光子計(jì)數(shù)技術(shù)。兩者都能探測(cè)單光子事件，但是線性模式可以確定每個(gè)脈沖返回的光子數(shù)量，動(dòng)態(tài)范圍可以是幾百到上千。另一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別是，蓋革雪崩器件能產(chǎn)生幾十萬(wàn)上百萬(wàn)的倍增載流子實(shí)現(xiàn)高的增益，而線性雪崩器件只需要100~200的增益。蓋革雪崩擊穿一旦觸發(fā)，除非淬滅，否則雪崩將一直持續(xù)。淬滅雪崩的時(shí)間為死時(shí)間，在死時(shí)間內(nèi)，蓋革雪崩器件不能探測(cè)信號(hào)光子。蓋革雪崩器件的另一個(gè)問題是光學(xué)串?dāng)_。線性雪崩器件沒有持續(xù)的雪崩發(fā)生，雪崩的自然猝滅時(shí)間不到1 ns，因此，沒有后脈沖或輻射復(fù)合引起的光學(xué)串?dāng)_，可以實(shí)現(xiàn)脈沖間隔1 ns的時(shí)間分辨率。

表1 線性模式和蓋革模式技術(shù)比較

光電探測(cè)器接收單個(gè)光子后會(huì)激發(fā)出光電子脈沖，光子計(jì)數(shù)技術(shù)即是通過分辨這些光子激發(fā)脈沖，把光信號(hào)從熱噪聲中以數(shù)字化方式提取出來(lái)的一種新技術(shù)。由于微光信號(hào)在時(shí)間域上表現(xiàn)的較為分散，因此探測(cè)器輸出的電信號(hào)也是自然而離散的。根據(jù)微弱光的這一特點(diǎn)，通常采用脈沖放大，脈沖甄別以及數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)來(lái)對(duì)極弱光進(jìn)行探測(cè)?，F(xiàn)代光子計(jì)數(shù)技術(shù)具有信噪比高、區(qū)分度高、測(cè)量精度高、抗漂移性好、時(shí)間穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且可以將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的形式輸出給計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)的分析處理，這是其他探測(cè)方法所不能比擬的。

目前，光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域以及微光探測(cè)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，例如非線性光學(xué)、分子生物學(xué)、超高分辨率光譜學(xué)、天文測(cè)光、大氣測(cè)污等，都與微弱光號(hào)的采集檢測(cè)有關(guān)。圖2為光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，可以看出系統(tǒng)主要由光電探測(cè)器、前置放大器、脈沖幅度甄別器和計(jì)數(shù)器這四個(gè)部分組成。

圖2 光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)原理框圖

國(guó)外機(jī)構(gòu)研究進(jìn)展

國(guó)際上對(duì)HgCdTe APD的研究開始于20世紀(jì)70年代末，主要集中在美、英、法、德等國(guó)，已經(jīng)形成了各自的特點(diǎn)和研究成果，并實(shí)現(xiàn)了一定的產(chǎn)品化。主要有美國(guó)的雷神公司（Raytheon）和DRS技術(shù)公司、法國(guó) 的CEA/LETI實(shí)驗(yàn)室和Lynred公司（前身為Sofradir公司）、英國(guó)的Leonardo公司（前身為Selex公司）、德國(guó) AIM公司等致力于線性模式HgCdTe APD焦平面的研發(fā)。其中，美國(guó)雷神公司和DRS公司、法國(guó)CEA/LETI實(shí)驗(yàn)室和Lynred公司和英國(guó)的Leonardo公司先后開展了HgCdTe APD器件的光子計(jì)數(shù)探測(cè)應(yīng)用研究。

美國(guó)雷神公司（Raytheon）

HgCdTe APD器件技術(shù)路線

雷神公司在碲鋅鎘（CdZnTe）襯底上采用分子束外延（MBE）技術(shù)生長(zhǎng)多層異質(zhì)結(jié)的HgCdTe APD結(jié)構(gòu)，即吸收區(qū)和倍增區(qū)分離（SAM）的結(jié)構(gòu)，如圖3（a）所示。該結(jié)構(gòu)一般為臺(tái)面結(jié)構(gòu)，它的吸收區(qū)用于吸收光子而產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在電場(chǎng)作用下進(jìn)入倍增區(qū)發(fā)生碰撞電離，吸收層為N型層，倍增層Cd組分為0.73，是利用空穴電離諧振引發(fā)雪崩增益的短波器件，如圖3（b）所示。SAM結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于可設(shè)計(jì)各層材料的組分、厚度、濃度等參數(shù)以獲得高增益、高量子效率和低過剩噪聲；缺點(diǎn)是多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料生長(zhǎng)是一項(xiàng)工作量極大的任務(wù)，工藝復(fù)雜性高。

圖3 （a）SAM型HgCdTe APD器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）分子束外延生長(zhǎng)的SAM型HgCdTe APD外延結(jié)構(gòu)

HgCdTe APD器件光子計(jì)數(shù)性能

為解決遠(yuǎn)距離（百萬(wàn)米距離）探測(cè)和衛(wèi)星跟蹤的信號(hào)脈沖衰減嚴(yán)重的問題，雷神公司2007年開發(fā)了具有單光子探測(cè)能力的4×4陣列規(guī)模的HgCdTe APD器件（見圖4），讀出電路帶寬達(dá)1~3 GHz，在增益50~200時(shí)輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了近無(wú)噪聲的單光子探測(cè)。如圖5所示，在每脈沖的平均照明強(qiáng)度為1個(gè)光子時(shí)，器件能探測(cè)分辨出0、1和2個(gè)光子（見圖5（a）），分辨單光子的兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間小于6 ns（見圖5（b））。2010年，通過進(jìn)一步優(yōu)化電路，限制熱載流子發(fā)出的輝光，實(shí)現(xiàn)了信噪比大于10，探測(cè)率大于95%，虛警率小于1%，性能指標(biāo)見表2，并將開發(fā)256×256陣列規(guī)模的HgCdTe APD光子計(jì)數(shù)器件。

圖4 4×4陣列規(guī)模的HgCdTe APD光子計(jì)數(shù)芯片組件

圖5 （a）平均照明強(qiáng)度為1個(gè)光子，多次采集顯示探測(cè)出0、1和2個(gè)光子；（b）獲得小于6 ns的緊密雙脈沖間隔時(shí)間的單光子，且觀察不到后脈沖

表2 4×4陣列規(guī)模的HgCdTe APD光子計(jì)數(shù)組件性能

美國(guó)DRS公司

HgCdTe APD器件技術(shù)路線

DRS技術(shù)公司基于早期的N/P環(huán)孔器件結(jié)構(gòu)開發(fā)出了高密度垂直集成器件（HDVIP）結(jié)構(gòu)，成功研制出高性能的HgCdTe e-APD器件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。這種結(jié)構(gòu)的器件大多采用IB族摻雜的P型材料，通過刻蝕工藝形成通孔用于芯片和讀出電路間的連接，刻蝕或注入形成的Hg填隙向內(nèi)部擴(kuò)散過程中，P型摻雜由于knock-out效應(yīng)會(huì)一起遷移，有助于低摻雜的N?區(qū)的形成。因此，HDVIP的單元結(jié)構(gòu)是橫向的N?-N?-P結(jié)，與平面PIN型APD有很大的相似之處。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）器件上下表面都進(jìn)行了CdTe鈍化，并進(jìn)行了互擴(kuò)散退火工藝，有效降低1/f噪聲；

（2）器件的電流信號(hào)通過刻蝕后的N區(qū)和Si讀出電路的電極直接相連，不需要通過In柱進(jìn)行互聯(lián)，因此器件的熱循環(huán)穩(wěn)定性得到很大提高，并且與像元尺寸及面陣大小無(wú)關(guān)；

（3）其結(jié)構(gòu)的取向使得PN結(jié)界面與外延材料中的穿越位錯(cuò)接近平行，有效降低了從PN結(jié)中穿越的位錯(cuò)密度，這有助于器件漏電流的減?。?br />
（4）HDVIP為正入射器件，有利于探測(cè)率D*、量子效率和調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的提高；

（5）外延材料的襯底全部去除后，襯底與讀出電路間的熱失配問題可以得到解決。但制備技術(shù)比較復(fù)雜，難度高，尤其是需要完整去除碲鋅鎘襯底，同時(shí)不對(duì)碲鎘汞薄膜造成損傷，因此限制了該技術(shù)方案的應(yīng)用。

圖6 HDVIP型HgCdTe APD結(jié)構(gòu)截面圖和俯視圖

HgCdTe APD器件光子計(jì)數(shù)性能

2011年，DRS首次報(bào)道了2010年研制的2×8陣列規(guī)模的中波HgCdTe APD光子計(jì)數(shù)器件（見圖7），器件光譜響應(yīng)范圍從可見光到中波紅外，為0.4~4.3 μm，是響應(yīng)光譜最寬的光子計(jì)數(shù)器件，過剩噪聲接近于1，在增益500~1000之間可以穩(wěn)定探測(cè)光子；13 V偏壓下，增益為500，暗電流約1 pA，暗計(jì)數(shù)率低于20 kHz；光子脈沖信噪比為13.7，實(shí)現(xiàn)了單光子探測(cè)；光背景限制的光子探測(cè)假事件率（FER）為1 MHz時(shí)，光子探測(cè)效率為50%，分辨單光子的兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間小于10 ns。

此處的假事件率是指與目標(biāo)信號(hào)無(wú)關(guān)的任何光子探測(cè)，是在沒有任何有意的光子通量入射到探測(cè)器時(shí)測(cè)量的值，杜瓦光泄露、熱背景、暗電流和讀出電路的輝光都會(huì)影響假事件率的值。相對(duì)于短波HgCdTe APD器件，中波HgCdTe APD有幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：（1）增益大于1000時(shí)，產(chǎn)生復(fù)合和擴(kuò)散暗電流可以忽略不計(jì)；（2）實(shí)現(xiàn)所需雪崩增益的APD偏置電壓要低得多，簡(jiǎn)化了讀出電路的設(shè)計(jì)，大大提高了APD的可靠性；（3）能夠在更寬的光譜范圍內(nèi)檢測(cè)光子，具有高且?guī)缀蹙鶆虻牧孔有省?/p>

為了進(jìn)一步提升光子探測(cè)效率和降低光子探測(cè)假事件率，DRS于2013年改善了設(shè)計(jì)和工藝條件，獲得了性能更好的兩款器件A8237-8-2和A8237-14-1，器件性能對(duì)比見表3。相對(duì)于2010年的器件，光子探測(cè)效率提升至60%以上，增益可達(dá)到1 900，假事件率降至150 kHz。并于2018年研發(fā)了應(yīng)用于空間雷達(dá)的單光子計(jì)數(shù)HgCdTe APD組件，在0.9~4.3 μm間光子探測(cè)效率大于60%，暗計(jì)數(shù)率低于250 kHz。2022年，通過進(jìn)一步優(yōu)化電路，降低了電路輝光誘導(dǎo)的暗計(jì)數(shù)，假事件率降至35 kHz，并研制了4×4、2×30、7×8陣列規(guī)模的光子計(jì)數(shù)器件，4×4陣列器件的平均增益可達(dá)6100。

表3 2010年與2013年研制的2×8線列的HgCdTe APD光子計(jì)數(shù)陣列性能對(duì)比

采用2013年研發(fā)的2×8陣列規(guī)模的光子計(jì)數(shù)器件，DRS于2016報(bào)道了HgCdTe APD器件在自由空間通信上的應(yīng)用性能，器件搭載CubeSat衛(wèi)星進(jìn)行了通信驗(yàn)證，在1550 nm激光波段可實(shí)現(xiàn)50 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，通過高通濾光片和多像素陣列組合，在8×10??的誤碼率下可實(shí)現(xiàn)110 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。

法國(guó)CEA/LETI實(shí)驗(yàn)室和Lynred公司

HgCdTe APD器件技術(shù)路線

法國(guó)CEA/LETI實(shí)驗(yàn)室和Lynred公司（前身為Sofradir公司）采用平面PIN型結(jié)構(gòu)制備HgCdTe e-APD器件，結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。這種結(jié)構(gòu)是在普通PN結(jié)器件中間加入一個(gè)本征層I，人為地增大空間電荷區(qū)的寬度，用于載流子的雪崩倍增。不過，由于本征型和淺摻的P-型的HgCdTe很難獲得，實(shí)際中一般用淺摻的N-型代替。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單成熟、步驟簡(jiǎn)單、成品率高和N?-N?-P結(jié)可控性好。其缺點(diǎn)也是所有平面N-on-P器件存在的問題，其產(chǎn)生復(fù)合電流和漏電流的水平都會(huì)比P-on-N器件大；另外器件的占空比無(wú)法繼續(xù)提升，當(dāng)焦平面器件往更小像元、更高密度的方向發(fā)展時(shí)，由于非平衡載流子的橫向擴(kuò)展或者表面漏電的原因會(huì)使得平面結(jié)器件的電學(xué)串音隨之增加。

圖8 平面PIN型HgCdTe APD結(jié)構(gòu)示意圖

HgCdTe APD器件光子計(jì)數(shù)性能

CEA/LETI實(shí)驗(yàn)室和Sofradir公司于2010年報(bào)道了應(yīng)用于低光通量和光子計(jì)數(shù)的HgCdTe APD器件，Cd組分為0.3~0.41，器件增益如圖9所示，短波和中波器件典型性能見表4，最大增益帶寬積達(dá)2.1 THz，脈沖響應(yīng)時(shí)間幾乎不隨增益變化。圖10展示了探測(cè)到1個(gè)光子和2個(gè)光子時(shí)的概率分布以及倍增層中均勻分布的暗電流。從圖可知，探測(cè)到1個(gè)光子事件和探測(cè)到2個(gè)光子事件的概率分布被很好的分離開了。因而，HgCdTe e-APD探測(cè)器可以分辨出1個(gè)光子或者2個(gè)光子探測(cè)事件，可實(shí)現(xiàn)比例光子計(jì)數(shù)。受殘余熱光子限制，中波器件的暗計(jì)數(shù)率（DCR）約為1 MHz；受隧穿暗電流噪聲限制，短波器件高增益下的DCR為100 kHz；器件的內(nèi)光子探測(cè)效率（PDE）可達(dá)90%。

圖9 截止波長(zhǎng)2.9~5.3 μm、80 K的HgCdTe e-APD器件的增益曲線

表4 短波和中波紅外HgCdTe APD器件在80 K時(shí)的典型性能

圖10 探測(cè)到1個(gè)光子事件和2個(gè)光子事件時(shí)的概率分布和倍增層均勻分布的暗電流

2015年，法國(guó)CEA/LETI公司報(bào)道了80~200 μm的大面積單元器件，器件帶寬在20~100 MHz之間，噪聲等效功率NEP為20~70 fW/Hz，成功進(jìn)行了月球激光通信演示，在環(huán)月球運(yùn)行的LADEE太空船和位于特內(nèi)里費(fèi)（Teneriffe）的ESAs光學(xué)地面站之間可以實(shí)現(xiàn)80 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了吸收區(qū)組分梯度（見圖11），在增益100時(shí)，芯片帶寬達(dá)到80 K下4 GHz和273 K下3 GHz。于2021年實(shí)現(xiàn)300 K下增益為1時(shí)帶寬達(dá)10 GHz、更大增益時(shí)帶寬達(dá)3 GHz，并應(yīng)用于大動(dòng)態(tài)范圍空間激光雷達(dá)，其指標(biāo)要求見表5，實(shí)現(xiàn)了GHz單光子探測(cè)速率。

圖11 HgCdTe APD快速響應(yīng)器件結(jié)構(gòu)示意圖：吸收區(qū)和倍增區(qū)分離、變化吸收區(qū)組分

表5 應(yīng)用于空間激光雷達(dá)HgCdTe APD器件性能指標(biāo)

HgCdTe APD器件技術(shù)路線

英國(guó)Leonardo公司開發(fā)了金屬有機(jī)氣相外延（MOVPE）生長(zhǎng)Hg-CdTe薄膜技術(shù)，采用低成本化的GaAs襯底，制備了中心距為24 μm的異質(zhì)結(jié)HgCdTe APD 320×256陣列器件，命名為Selex Avalanche PhotodiodeHgCdTe In-frared Array（SAPHIRA），器件結(jié)構(gòu)圖和能帶結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。器件結(jié)構(gòu)包含吸收區(qū)、倍增區(qū)和兩者之間的緩沖層。吸收區(qū)的截止波長(zhǎng)為2.5 μm，倍增區(qū)的截止波長(zhǎng)為3.5 μm，倍增區(qū)采用窄帶隙可有效提高增益，吸收區(qū)和倍增區(qū)之間的緩沖層為HgTe和CdTe，用以減少陷阱輔助隧穿電流（TAT）和陷阱相關(guān)的熱電流，以及減緩GaAs襯底引起的晶格失配。采用MOVPE外延異質(zhì)結(jié)HgCdTe APD器件的優(yōu)點(diǎn)在于能大尺寸批量生產(chǎn)，成本低；缺點(diǎn)在于位錯(cuò)密度難以降低，制備的APD器件受吸收層中陷阱載流子限制，響應(yīng)時(shí)間較慢，帶寬限制在kHz范圍。

圖12 MOVPE異質(zhì)結(jié)HgCdTe APD器件（a）陣列結(jié)構(gòu)和（b）能帶結(jié)構(gòu)

HgCdTe APD器件光子計(jì)數(shù)性能

Leonardo公司2018年報(bào)道了SAPHIRA器件的光子計(jì)數(shù)性能，器件能夠探測(cè)到單個(gè)光子，但吸收了兩個(gè)或多個(gè)光子，在一次讀取中是不能分辨的；器件的單光子探測(cè)率大于90%，時(shí)間分辨率為125 μs，暗電流為21 e?·s?1·pixel?1，對(duì)應(yīng)暗計(jì)數(shù)率為21 Hz/pixel。器件具備近紅外光子計(jì)數(shù)能力，并應(yīng)用于天文探測(cè)，探測(cè)器性能將進(jìn)一步優(yōu)化。

法國(guó)First Light Imaging公司2016年基于SA-PHIRA 320×256HgCdTe APD短波器件，研發(fā)出了C-RED ONE相機(jī)（見圖13），在3500幀頻下，讀出噪聲小于一個(gè)電子，過剩噪聲因子小于1.25，有效像元率達(dá)99.3%，可應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)、空間碎片跟蹤和條紋跟蹤等天文應(yīng)用，并成功應(yīng)用于美國(guó)天文探測(cè)的密歇根紅外組合器（MIRC）（見圖14），將MIRC的系統(tǒng)噪聲降低了10~30倍，大大提高了條紋探測(cè)的信噪比，C-RED ONE相機(jī)性能見表6。這也極大促進(jìn)了HgCdTe APD器件產(chǎn)品化和商業(yè)化進(jìn)程。

表6 C-RED ONE相機(jī)性能

國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)對(duì)HgCdTe APD器件的研究開始于2010年左右，研究機(jī)構(gòu)主要有中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（ITP）、昆明物理研究所（KIP）和華北光電技術(shù)研究所，主要集中在平面PIN結(jié)的中波HgCdTe APD器件的研究，近五六年在HgCdTe APD器件的研制上取得了一定進(jìn)展，但未形成光子計(jì)數(shù)應(yīng)用的能力。

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所采用液相外延（LPE）生長(zhǎng)的中波碲鎘汞材料，制備了平面PIN結(jié)構(gòu)單元器件和中心距為50 μm的128×128陣列中波HgCdTe APD焦平面器件，單元器件增益可達(dá)1000以上，焦平面器件性能如圖15（a）~（c）所示，在反偏?10 V下器件增益達(dá)到728，反偏?8 V以下增益歸一化暗電流密度GNDCD<1×10?? A/cm2，過剩噪聲因子F<1.5@增益M<400，噪聲等效光子數(shù)NEPh約為12@增益M=133，與DRS的GNDCD~1×10?? A/cm2水平下的NEPh相當(dāng)。設(shè)計(jì)了帶寬結(jié)構(gòu)的單元器件，通過減薄P區(qū)厚度，實(shí)現(xiàn)了器件帶寬從30~60 MHz提升至300~600 MHz，如圖15（d）所示。此外，還制備了中心距30 μm的320×256陣列的中波HgCdTe APD焦平面器件，對(duì)焦平面器件進(jìn)行了成像演示，表明HgCdTe APD器件適合應(yīng)用短積分快速成像。

圖15 80 K下中波紅外HgCdTe APD的性能。

（a）光電流、暗電流和增益；（b）過剩噪聲因子F隨增益M的變化；（c）噪聲等效光子數(shù)（NEPh）與DRS HgCdTe APD的NEPh對(duì)比；（d）帶寬

昆明物理研究所采用LPE生長(zhǎng)的中波碲鎘汞材料，通過B離子注入N-on-P平面結(jié)技術(shù)制備了單元器件和規(guī)模為256×256、像元中心距為30 μm的碲鎘汞APD焦平面探測(cè)器芯片。單元器件的增益可達(dá)1000以上。焦平面芯片在?8.5 V反偏下平均增益達(dá)到166.8，增益非均勻性為3.33%；在0~?8.5 V反向偏置下，APD器件增益歸一化暗電流為9.0×10?1?~1.6×10?13 A，過噪因子F介于1.0~1.5之間。對(duì)碲鎘汞APD焦平面進(jìn)行了成像演示，并獲得了較好的成像效果，如圖16所示。

圖16 20 μs積分時(shí)間下不同增益狀態(tài)碲鎘汞APD焦平面成像演示。（a）M=1；（b）M=19

表7對(duì)比了不同研究機(jī)構(gòu)的光子計(jì)數(shù)HgCdTe APD器件的性能。相比于國(guó)際先進(jìn)水平，國(guó)內(nèi)碲鎘汞雪崩器件的暗電流要高出一兩個(gè)量級(jí)，其中一個(gè)原因是抑制器件表面漏電的表面鈍化工藝需要進(jìn)一步完善。國(guó)內(nèi)碲鎘汞雪崩器件集成時(shí)間計(jì)數(shù)信號(hào)的高速讀出電路尚處于研制當(dāng)中，未見主被動(dòng)雙模成像報(bào)道?？傮w上，國(guó)內(nèi)雪崩器件的制備技術(shù)及其讀出電路技術(shù)落后國(guó)際先進(jìn)水平10來(lái)年。

表7 不同研究機(jī)構(gòu)的光子計(jì)數(shù)HgCdTe APD器件性能

結(jié)束語(yǔ)

碲鎘汞雪崩探測(cè)器幾乎無(wú)過剩噪聲，隨著增益增加，信噪比不發(fā)生衰減，沒有蓋革雪崩器件相關(guān)的死時(shí)間和后脈沖限制，非常適合應(yīng)用于光子計(jì)數(shù)，是未來(lái)光子計(jì)數(shù)器件的重要發(fā)展方向。文中介紹了線性模式相對(duì)于蓋革模式光子計(jì)數(shù)的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)了美國(guó)雷神和DRS公司、法國(guó)CEA/LETI實(shí)驗(yàn)室和Lynred公司、以及英國(guó)Leonardo公司的HgCdTe APD器件在光子計(jì)數(shù)應(yīng)用方面的技術(shù)路徑和發(fā)展現(xiàn)狀。各公司根據(jù)自身技術(shù)水平選擇了不同的技術(shù)路線，并且根據(jù)結(jié)構(gòu)需要選擇不同的制備技術(shù)生長(zhǎng)碲鎘汞材料，成功制備了高性能線性雪崩器件并實(shí)現(xiàn)了單光子探測(cè)，將應(yīng)用于天文探測(cè)、空間雷達(dá)、自由空間通信、條紋跟蹤等方面。

國(guó)內(nèi)碲鎘汞雪崩探測(cè)器研究起步比較晚，雖然在HgCdTe APD單元器件和焦平面研制上取得了一定的進(jìn)展，但與國(guó)際先進(jìn)水平仍存在一定差距，在光子計(jì)數(shù)應(yīng)用方面未見到有關(guān)的進(jìn)展情況。目前國(guó)內(nèi)主要是研制平面PIN結(jié)構(gòu)的HgCdTe APD器件，技術(shù)路徑與法國(guó)CEA/LETI實(shí)驗(yàn)室相近。因而，我國(guó)可借鑒CEA/LETI實(shí)驗(yàn)室成功經(jīng)驗(yàn)和Lynred公司的運(yùn)營(yíng)模式，持續(xù)推進(jìn)HgCdTe APD器件的研究，以早日達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)和光子計(jì)數(shù)應(yīng)用。

審核編輯：劉清