焦平面APD探測(cè)器的國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

1、紅外焦平面探測(cè)器的國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)一、 焦平面APD探測(cè)器的背景及特點(diǎn)焦平面APD探測(cè)器主要是由：APD陣列和讀出電路(ROIC)兩部分組成，其中APD是核心元件。1、APD雪崩光電二極管（APD）是一種具有內(nèi)部增益的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件，具有量子響應(yīng)度高、響應(yīng)速度快、線性響應(yīng)特性好等特點(diǎn)，在可見光波段和近紅外波段的量子效率可達(dá)90%以上，增益在10100倍，新型APD材料的最大增益可達(dá)200 倍，有很好的微弱信號(hào)探測(cè)能力。2、APD陣列的分類按照APD的工作的區(qū)間可將其分為：Geiger-mode APD（反向偏壓超過擊穿電壓）和線性模式APD（偏壓低于擊穿電壓）兩種。（1）Geige

2、r-mode APD陣列的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）極高的探測(cè)靈敏度，單個(gè)光子即可觸發(fā)雪崩效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)； 2）GM-APD輸出信號(hào)在100ps量級(jí)，即有高的時(shí)間分辨率，進(jìn)而有較高的距離分辨率，厘米量級(jí)； 3）較高的探測(cè)效率，采用單脈沖焦平面陣列成像方式； 4）較低的功耗，體積小，集成度高； 5）GM-APD輸出為飽和電流，可以直接進(jìn)行數(shù)字處理，讀出電路(ROIC)不需要前置放大器和模擬處理模塊，即更簡(jiǎn)單的ROIC。缺點(diǎn)：1）存在死時(shí)間效應(yīng)：GM-APD飽和后需要一定時(shí)間才能恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，為使其可以連續(xù)正常工作需要采用淬火電路對(duì)雪崩進(jìn)行抑制。 2）GM-APD有極高的靈敏度，其最噪聲因素更加敏感，

3、通道之間串?dāng)_更嚴(yán)重。（2）線性模式APD陣列的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 1）光子探測(cè)率高，可達(dá)90%以上； 2）有較小的通道串?dāng)_效應(yīng)；3）具有多目標(biāo)探測(cè)能力；4）可獲取回波信號(hào)的強(qiáng)度信息；5） 相比于GM-APD，LM-APD對(duì)遮蔽目標(biāo)有更好的探測(cè)能力。缺點(diǎn)：1）靈敏度低于GM-APD；（現(xiàn)今已經(jīng)研制出有單光子靈敏度的LM-APD） 2）讀出電路的復(fù)雜度大于GM-APD（需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、高速采樣、閾值比較、存儲(chǔ)等操作）。（其信號(hào)測(cè)量包括強(qiáng)度和時(shí)間測(cè)量?jī)刹糠郑?按照基底半導(dǎo)體材料APD可分為： Si APD、Ge APD、InGaAs APD、HgCdTe APD。其中Si的由于波長(zhǎng)在1um左右

4、，由于材料限制很難做到大于32*32的陣列，再考慮到人眼安全以及軍事對(duì)高功率激光的需求，工作波長(zhǎng)在：1.5um的InGaAs APD 及HgCdTe APD為研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。二、 國(guó)外的技術(shù)現(xiàn)狀按照APD的工作區(qū)間進(jìn)行分類討論。1、基于Geiger-mode APD(GM-APD)的焦平面探測(cè)器（1）技術(shù)手段： 1）APD陣列：主要采用p型襯底金屬有機(jī)氣相外延（MOCVD）及臺(tái)面工藝方法；或者n型襯底P擴(kuò)散平面工藝方法制備。 2）ROIC：采用CMOS工藝代工流片。 3）封裝技術(shù)：采用陶瓷封裝等將APD和ROIC集成在一起的探測(cè)器封裝，再封裝到半導(dǎo)體熱電制冷（TEC）方式使其工作與淺低溫的條件

5、。 4）APD和ROIC的集成：塊接(Bump-bonding)技術(shù)或者橋接(Bridge-bonding)技術(shù)。（2）發(fā)展歷史： 1998年林肯實(shí)驗(yàn)室研制出4*4的APD焦面探測(cè)器； 2001年研制出Gen-I系統(tǒng)； 2002年研制出微型化的Gen-II； 2003年研制出Gen-III（APD陣列：32*32）； 2011年研制出ALIRT系統(tǒng)（APD陣列：32*128）； 目前為止已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)：APD陣列：256*256，測(cè)量精度：5cm以內(nèi)。 （3）主要的研究機(jī)構(gòu)：美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室、波音Spectrolab公司、Princeton Lightwave公司等 （4）結(jié)構(gòu)及其原理框圖：

6、圖一、GM-APD FPA原理圖如圖一所示：激光發(fā)射的同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)計(jì)時(shí)開始信號(hào)（start）；當(dāng)光子回波到達(dá)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)COMS兼容的電壓脈沖(stop)；該脈沖使讀出電路時(shí)間測(cè)量單元停止計(jì)數(shù)；光脈沖到達(dá)的時(shí)間數(shù)字化，同時(shí)降低偏置實(shí)現(xiàn)雪崩淬滅，數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸處理獲取目標(biāo)三維距離信息。圖二、GM-APD FPA結(jié)構(gòu)圖如圖二所示：InGaAs/InP APD陣列通過In柱子的倒裝和下面的ROIC芯片集成，通過陶瓷封裝之后，再封裝到含有三級(jí)半導(dǎo)體熱電制冷器(TEC)和石英玻璃光窗的金屬管殼。圖三、GM-APD InGaAs/InP結(jié)構(gòu)圖如圖三所示：采用背照入射平面結(jié)構(gòu)，材料結(jié)構(gòu)上采用光吸收雪崩倍增層分離的

7、、具有能帶漸變層和電荷層的結(jié)構(gòu)。2、基于線性模式APD(LM-APD)的焦平面探測(cè)器 （1）技術(shù)手段： 1）APD陣列：主要通過分子束外延生長(zhǎng)（MBE）進(jìn)行制備 2）ROIC：采用CMOS工藝代工流片。 3）封裝技術(shù)：采用陶瓷封裝等將APD和ROIC集成在一起的探測(cè)器封裝，再封裝到半導(dǎo)體熱電制冷（TEC）方式使其工作與淺低溫的條件。 4）APD和ROIC的集成及其結(jié)構(gòu)：Z堆疊（Z-stacking）技術(shù)，或者垂直互連探測(cè)器陣列技術(shù)（Vertically Integrated Sensor Arrays，VISA）。 圖四、VISA與Z堆疊技術(shù)的結(jié)構(gòu)對(duì)比 如圖四所示：VISA采用垂直互連代替Z最

8、堆疊中的平行結(jié)構(gòu)，其可以克制芯片的長(zhǎng)度限制，用于制造更大規(guī)模的探測(cè)器陣列和更復(fù)雜的片上信號(hào)處理系統(tǒng)。 圖五、VISA的焦平面探測(cè)器結(jié)構(gòu) （2）發(fā)展歷史： 2000年開始Raytheon在國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)支持下先后研制了： 4*4,32*2,10*10,4*256等不同規(guī)格的APD陣列探測(cè)器； 2001年開始DRS公司對(duì)HgCdTe APD進(jìn)行研究，并利用高密度垂直集成光電二極管的結(jié)構(gòu)開發(fā)圓柱形N-on-P APD； 2005年開始ASC公司開發(fā)了一系列3D閃光激光探測(cè)成像傳感器InGaAs APD 陣列（APD陣列128×128）；2007年，Raytheon研制了一

9、種應(yīng)用于導(dǎo)彈系統(tǒng)和海軍空中作戰(zhàn)中心的HgCdTe APD三維成像雷達(dá)（APD陣列2×128），目前儀可以做出256*256； 2007年，DSR公司在美國(guó)陸軍CELRAP計(jì)劃支持下開發(fā)了HgCdTe APD脈沖無(wú)掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)（APD陣列128×128，增益可達(dá)1000倍）； 2011年，法國(guó)CEA/LETI和DEFIR實(shí)驗(yàn)室研制了一種具備主動(dòng)和被動(dòng)成像能力的HgCdTe APD三維閃光激光雷達(dá)（APD陣列320*256）； 目前為止：APD陣列320*256（近年已經(jīng)達(dá)到515*512）；分辨率：ns量級(jí)；增益大于100（3）主要的研究機(jī)構(gòu)：美國(guó)的：雷神公司（Rayth

10、eon）、DRS公司、ASC（Advanced Scientific Concepts）公司、Lockheed Martin公司；法國(guó)的：CEA-Leti公司等等 （4）一些典型的APD陣列結(jié)構(gòu)及原理圖圖六、Raytheon旗下的各帶產(chǎn)品圖七、Raytheon產(chǎn)品APD陣列256*4的結(jié)構(gòu)圖如圖七所示是：Raytheon公司的一款256*4APD陣列的產(chǎn)品，其ROIC和APD陣列封裝在TEC中，TEC使其在淺低溫環(huán)境下工作，周圍的電路板提供旁路電容器、多路復(fù)用器、LVDS接收器等等。圖八、的ROIC結(jié)構(gòu)圖和計(jì)時(shí)原理圖如圖八所示：為法國(guó)CEA/LET研制的APD陣列為：320*256的焦平面探測(cè)

11、器的ROIC原理圖，處理系統(tǒng)采用脈沖飛行時(shí)間法（TOF）測(cè)距，讀出電路由CTIA放大器、比較器、鎖存器和采樣保持電路組成.其強(qiáng)度測(cè)量采用與CCD類似的積分形式實(shí)現(xiàn)；其時(shí)間測(cè)量采用對(duì)基準(zhǔn)參考電壓采樣實(shí)現(xiàn)；其原理右圖所示脈沖發(fā)射(T1)后，參考電壓開始隨時(shí)間線性增加，當(dāng)激光脈沖回波到達(dá)( T2)后，觸發(fā)鎖存器，對(duì)參考電壓采樣即V3D，根據(jù)電壓的大小，即可判定脈沖回波時(shí)間，獲取目標(biāo)距離。圖九、各材料的增益和噪聲的關(guān)系圖如圖九所示：可以很清楚的看出HgCdTe的增益大小和環(huán)境噪聲基本無(wú)關(guān)，并且一直保持很小，即相比于Si和InAlAs，HgCdTe的大增益抗噪聲能力更強(qiáng)。對(duì)比一下GM和LM：圖十、LM

12、APD和GM APM的對(duì)比如圖所示易知：1） GM的APD的增益比LM大很多2） GM的ROIC噪音比LM大的多3） GM不能測(cè)強(qiáng)度但是LM能4） GM的效率比LM小的多三、 國(guó)內(nèi)的技術(shù)現(xiàn)狀及與國(guó)外對(duì)比1、國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀（1）發(fā)展歷史： 2004年在863計(jì)劃支持下，我國(guó)研制出機(jī)載推帚式激光三維成像系統(tǒng)（APD陣列：1*16） 2010年電子科大設(shè)計(jì)了光纖耦合APD探測(cè)系統(tǒng)（APD陣列：4*4） 2012年上海光機(jī)所設(shè)計(jì)了一種GM-APD（APD陣列：3*3） 2012年清華大學(xué)設(shè)計(jì)了APD激光雷達(dá)系統(tǒng)（APD陣列：1*16） 2013年哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種APD探測(cè)器（APD陣列：5*5）

13、 上海技術(shù)物理所設(shè)計(jì)了一款了（APD陣列：1*25）（2）主要研究機(jī)構(gòu)：電子科技大學(xué)、上海技術(shù)物理所、上海光機(jī)所、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等（3）現(xiàn)存的狀況：我國(guó)在陣列化APD 焦平面探測(cè)器的研究工作處于起步階段，國(guó)內(nèi)公開發(fā)布的陣列 APD 探測(cè)系統(tǒng)像素?cái)?shù)量較低，由于受到相關(guān)器件和半導(dǎo)體光電探測(cè)器生產(chǎn)工藝的限制，以及國(guó)外對(duì)高靈敏度探測(cè)器的技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)的大部分還處于理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的階段，大部分關(guān)鍵技術(shù)和國(guó)外相比有較大的差距。2、國(guó)內(nèi)外技術(shù)對(duì)比圖十一、國(guó)內(nèi)外APD陣列探測(cè)系統(tǒng)的對(duì)比如圖十一所示：中國(guó)和國(guó)外的APD陣列的探測(cè)器的無(wú)論是陣列規(guī)模還是系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)都遠(yuǎn)不及國(guó)外。中國(guó)需要在APD陣列探測(cè)

14、器的系統(tǒng)層次上設(shè)計(jì)及系統(tǒng)性能的研究上著手跟上世界先進(jìn)的步伐。四、 未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)近年來(lái)國(guó)外一些國(guó)家已經(jīng)研制出多種模式的陣列 APD 探測(cè)器和接收處理系統(tǒng)，并制造出實(shí)用化的設(shè)備，APD 陣列像元數(shù)可達(dá)512×512，探測(cè)范圍將包含從可見光到中波段紅外線（MWIR），探測(cè)器噪聲越來(lái)越低的同時(shí)精度和靈敏度也逐步提高，應(yīng)用范圍更加廣泛，包括了光譜測(cè)量、機(jī)載成像、深空探測(cè)等，并且已經(jīng)在軍事領(lǐng)域扮演重要角色的基礎(chǔ)上開始向民用領(lǐng)域上進(jìn)行市場(chǎng)大進(jìn)軍。而隨著材料科學(xué)的發(fā)展，單光子靈敏度的LM APD陣列的發(fā)現(xiàn)，使得LM-APD已經(jīng)取代了GM-APD的優(yōu)勢(shì)地位。為了三維探測(cè)的需求其發(fā)展趨勢(shì)如下：1、AP

15、D陣列應(yīng)具有：更大的象元素量、更高的飽和閾值、更大的增益、更高的動(dòng)態(tài)范圍、更高的工作溫度、更高的距離分辨率以及更小的象元尺寸等。2、ROIC應(yīng)具有：更小的體積、更小的信號(hào)處理復(fù)雜度、更低的信號(hào)噪音、更低的信號(hào)處理的帶寬等。3、整體上應(yīng)具有：更高的象元集成度、更小的體積、更低的功耗性能、片上偏置電壓非均勻性校正、更低的制造成本、以及更簡(jiǎn)潔的工業(yè)批量生產(chǎn)工藝。4、在發(fā)展硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，圖像處理技術(shù)的發(fā)展也是不可或缺的。五、 參考文獻(xiàn)1、Jeff Beck.Gated IR imaging with 128 ×128 HgCdTe electron avalanche photodio

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21、，增益最大只有102數(shù)量級(jí)。傳統(tǒng)的商用APD就可以滿足其要求，這種APD的工藝和技術(shù)都很成熟，性能也很穩(wěn)定。當(dāng)APD應(yīng)用于單光子探測(cè)時(shí)，其工作在蓋革模式下，增益可達(dá)106數(shù)量級(jí)。針對(duì)單光子探測(cè)專用的APD其結(jié)構(gòu)和性能的改進(jìn)是基于傳統(tǒng)APD的。早期的InGaAs APD使用同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，但其產(chǎn)生的大隧道電流現(xiàn)象使得異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（SAM）被引進(jìn)。異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)包括分離的倍增區(qū)和吸收區(qū)，可以避免大的隧道電流，但倍增區(qū)和吸收區(qū)之間形成的異質(zhì)結(jié)位壘影響器件的響應(yīng)速度并帶來(lái)較大的暗電流。所以現(xiàn)在最流行的結(jié)構(gòu)是吸收漸變電荷倍增分離性結(jié)構(gòu)（SAGCM），通過加入一層漸變電荷層來(lái)調(diào)節(jié)吸收層和倍增層的電場(chǎng)分布，提高器件的

22、響應(yīng)速率和響應(yīng)度，減小暗電流，同時(shí)也能起到保護(hù)環(huán)的作用，在制作工藝上更容易實(shí)現(xiàn)。目前光纖通信上用的高性能InGaAs/Inp APD主要就是采用這種結(jié)構(gòu)。單個(gè)APD的制備：1.結(jié)構(gòu) ： n-InGaAs Contactn-InP Capi-InGaAsP Absorption layern-InP Charge layeri-InP MultiplierP-InP Buffer 2P-InP Buffer 1n-InGaAs Contactn-InP Capi-InGaAs Absorption layerInGaAsP Graded layern-InP Charge layeri-InP

23、MultiplierP-InP Buffer 2P-InP Buffer 1 1.06 m Gm-APD device design 1.5 m Gm-APD device design2.工藝：以1.06 m的APD為例，結(jié)構(gòu)中不同的層（layer）依次通過金屬有機(jī)物氣相外延（MOVPE）生長(zhǎng)在鋅摻雜（100）的InP基底上（保證晶格匹配）。生長(zhǎng)溫度為670，最頂層的接觸層溫度控制在600。倍增層生長(zhǎng)0.8m ，載流子濃度為5.0x1017cm-3的電荷層生長(zhǎng)25nm，非故意摻雜（n2x1015cm-3）的InGaAsP吸收層生長(zhǎng)1.5m，n+InP Cap層生長(zhǎng)1.0m，載流子濃度大于2.0x1018cm-3的InGaAs接觸層生長(zhǎng)0.01m。之后，用濕法刻蝕得到光滑的臺(tái)面，臺(tái)面