焦平面APD探测器的国内外技术现状和发展趋势

1、焦平面 APD探测器的背景及特点 焦平面 APD探测器主要是由： APD阵列和读出电路 （ROIC） 两部分组成，其中 APD是核心 元件。1、APD雪崩光电二极管 （APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、 响应速度快、 线性响应特性好等特点， 在可见光波段和近红外波段的量子效率可 达 90%以上， 增益在 10 100 倍，新型 APD材料的最大增益可达 200 倍，有很好的微弱 信号探测能力。2、APD阵列的分类按照 APD的工作的区间可将其分为： Geiger-mode APD（反向偏压超过击穿电压）和 线性模式 APD（偏压低于击穿电压）两种。（1）Geig

2、er-mode APD 阵列的特点 优点：1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测；2）GM-APD输出信号在 100ps 量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离 分辨率，厘米量级；3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式；4）较低的功耗，体积小，集成度高；5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路（ROIC） 不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。缺点：1）存在死时间效应： GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其 可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。2 ） GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因

3、素更加敏感，通道之间串扰更严重。（2）线性模式 APD阵列的特点优点：1 ）光子探测率高，可达 90%以上；2 ）有较小的通道串扰效应；3）具有多目标探测能力；4）可获取回波信号的强度信息；5）相比于 GM-APD， LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。缺点：1）灵敏度低于 GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）2 ）读出电路的复杂度大于 GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采 样、阈值比较、存储等操作） 。（其信号测量包括强度和时间测量两部分） 按照基底半导体材料 APD可分为： Si APD 、Ge APD、 InGaAs APD、HgCdTe APD。

4、 其中 Si 的由于波长在 1um左右，由于材料限制很难做到大于 32*32 的阵列，再考虑到 人眼安全以及军事对高功率激光的需求，工作波长在：的InGaAs APD 及 HgCdTe APD为研究的热点内容。国外的技术现状按照 APD的工作区间进行分类讨论。1、基于 Geiger-mode APD（GM-APD） 的焦平面探测器（1）技术手段：1 ）APD阵列：主要采用 p 型衬底金属有机气相外延（ MOCV）D及台面工艺方法； 或者 n 型衬底 P扩散平面工艺方法制备。2 ） ROIC：采用 CMOS工艺代工流片。3 ）封装技术：采用陶瓷封装等将APD和 ROIC 集成在一起的探测器封装，

5、再封装到半导体热电制冷（ TEC）方式使其工作与浅低温的条件。4 ） APD 和 ROIC 的集成：块接 （Bump-bonding） 技术或者桥接 （Bridge-bonding） 技术。（2）发展历史：1998 年林肯实验室研制出 4*4 的 APD焦面探测器；2001 年研制出 Gen-I 系统；2002 年研制出微型化的 Gen-II ；2003 年研制出 Gen-III （ APD阵列： 32*32 ）；2011 年研制出 ALIRT 系统（ APD阵列： 32*128 ）；目前为止已经可以实现： APD阵列： 256*256 ，测量精度： 5cm以内。3）主要的研究机构：美国 MI

6、T 林肯实验室、波音 Spectrolab 公司、 Princeton Lightwave 公司等4）结构及其原理框图：图一、 GM-APD FPA原理图如图一所示： 激光发射的同时产生一个计时开始信号 （ start ）；当光子回波到达时 产生一个 COMS兼容的电压脉冲 （stop） ；该脉冲使读出电路时间测量单元停止计数；光 脉冲到达的时间数字化， 同时降低偏置实现雪崩淬灭， 数据经传输处理获取目标三维距 离信息。图二、 GM-APD FPA结构图如图二所示： InGaAs/InP APD 阵列通过 In 柱子的倒装和下面的 ROIC 芯片集成，通过 陶瓷封装之后，再封装到含有三级半导体

7、热电制冷器 （TEC） 和石英玻璃光窗的金属管壳。图三、 GM-APD InGaAs/InP 结构图如图三所示：采用背照入射平面结构，材料结构上采用光吸收雪崩倍增层分离的、具有能带渐变层和电荷层的结构。2、基于线性模式 APD(LM-APD)的焦平面探测器(1)技术手段：1 ) APD阵列：主要通过分子束外延生长( MBE)进行制备2 ) ROIC：采用 CMOS工艺代工流片。3 )封装技术：采用陶瓷封装等将APD和 ROIC 集成在一起的探测器封装，再封装到半导体热电制冷( TEC)方式使其工作与浅低温的条件。4 ) APD和 ROIC的集成及其结构： Z 堆叠( Z-stacking )技

8、术，或者垂直互连探 测器阵列技术( Vertically Integrated Sensor Arrays， VISA)。图四、 VISA 与 Z 堆叠技术的结构对比如图四所示：VISA 采用垂直互连代替 Z 最堆叠中的平行结构，其可以克制芯片的长度限制，用于制造更大规模的探测器阵列和更复杂的片上信号处理系统。图五、 VISA 的焦平面探测器结构(2)发展历史：2000 年开始 Raytheon 在国防预先研究计划局 (DARPA)支持下先后研制了： 4*4,32*2,10*10,4*256 等不同规格的 APD阵列探测器；2001 年开始 DRS公司对 HgCdTe APD进行研究，并利用高

9、密度垂直集成光电二 极管的结构开发圆柱形 N-on-P APD；2005年开始 ASC公司开发了一系列 3D闪光激光探测成像传感器 InGaAs APD 阵列( APD阵列 128 128)；HgCdTe2007 年， Raytheon 研制了一种应用于导弹系统和海军空中作战中心的APD三维成像雷达（ APD阵列 2 128），目前仪可以做出 256*256 ；2007年， DSR公司在美国陆军 CELRAP计划支持下开发了 HgCdTe APD脉冲无扫描激光雷达系统（ APD阵列 128128，增益可达 1000 倍）；2011 年，法国 CEA/LETI 和 DEFIR 实验室研制了一种具

10、备主动和被动成像能力的 HgCdTe APD三维闪光激光雷达（ APD阵列 320*256 ）；目前为止：APD阵列 320*256 （近年已经达到 515*512 ）；分辨率： ns 量级；增益大于 100（3）主要的研究机构：美国的：雷神公司（Raytheon ）、 DRS公司、 ASC（AdvancedScientific Concepts ）公司、 Lockheed Martin 公司；法国的： CEA-Leti 公司等等（ 4）一些典型的 APD阵列结构及原理图图六、 Raytheon 旗下的各带产品图七、 Raytheon 产品 APD阵列 256*4 的结构图如图七所示是： Ra

11、ytheon 公司的一款 256*4APD 阵列的产品，其 ROIC和 APD阵列封装 在 TEC中， TEC 使其在浅低温环境下工作， 周围的电路板提供旁路电容器、 多路复用器、 LVDS接收器等等。图八、的 ROIC结构图和计时原如图八所示：为理图法CEA/LET研制的 APD阵列为： 320*256 的焦平面探测器的 ROIC原理图，处理系统采用脉 冲飞行时间法（ TOF）测距，读出电路由 CTIA 放大器、比较器、锁存器和采样保持电路 组成. 其强度测量采用与 CCD类似的积分形式实现； 其时间测量采用对基准参考电压采样实现；其原理右图所示脉冲发射 （T1） 后，参考电压开始随时间线性

12、增加，当激光脉冲回波到达 （ T2） 后，触发锁存器，对参考电压采样即V3D，根据电压的大小，即可判定脉冲回波时间，获取目标距离。图九、各材料的增益和噪声的关系图如图九所示：可以很清楚的看出 HgCdTe的增益大小和环境噪声基本无关，并且一直保 持很小，即相比于 Si 和 InAlAs ，HgCdTe的大增益抗噪声能力更强。对比一下 GM和 LM：图十、 LM APD和 GM APM的对比如图所示易知：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不能测强度但是 LM能4）GM的效率比 LM小的多国内的技术现状及与国外对比1、国内技术现状（1）发展历史

13、：2004 年在 863 计划支持下， 我国研制出机载推帚式激光三维成像系统（ APD阵列：1*16）2010 年电子科大设计了光纤耦合 APD探测系统（ APD阵列： 4*4 ）2012 年上海光机所设计了一种 GM-APD（ APD阵列： 3*3 ）2012 年清华大学设计了 APD激光雷达系统（ APD阵列： 1*16 ）2013 年哈尔滨工业大学设计了一种 APD探测器（ APD阵列： 5*5 ）上海技术物理所设计了一款了（ APD阵列： 1*25 ）（ 2）主要研究机构：电子科技大学、上海技术物理所、上海光机所、清华大学、哈尔滨工业大学等（ 3）现存的状况：我国在阵列化 APD 焦平

14、面探测器的研究工作处于起步阶段，国内公开发布的阵列 APD 探测系统像素数量较低，由于受到相关器件和半导体光电探测器生产工艺的限制， 以及国外对高灵敏度探测器的技术封锁，国内的大部分还处于理论和实验验证的阶段， 大部分关键技术和国外相比有较大的差距。2、国内外技术对比图十一、国内外 APD阵列探测系统的对比如图十一所示： 中国和国外的 APD阵列的探测器的无论是阵列规模还是系统的各项参数都远不及国外。 中国需要在 APD阵列探测器的系统层次上设计及系统性能的研究上着手跟上世界先进的步伐。四、 未来的发展趋势近年来国外一些国家已经研制出多种模式的阵列 APD 探测器和接收处理系统，并制造 出实用

15、化的设备， APD 阵列像元数可达 512512，探测范围将包含从可见光到中波段红外 线（ MWIR），探测器噪声越来越低的同时精度和灵敏度也逐步提高，应用范围更加广泛，包 括了光谱测量、 机载成像、 深空探测等， 并且已经在军事领域扮演重要角色的基础上开始向 民用领域上进行市场大进军。而随着材料科学的发展，单光子灵敏度的LM APD阵列的发现，使得 LM-APD已经取代了GM-APD的优势地位。为了三维探测的需求其发展趋势如下：1、APD 阵列应具有：更大的象元素量、更高的饱和阈值、更大的增益、更高的动态范 围、更高的工作温度、更高的距离分辨率以及更小的象元尺寸等。2、ROIC应具有：更小的

16、体积、更小的信号处理复杂度、更低的信号噪音、更低的信号 处理的带宽等。3、整体上应具有：更高的象元集成度、更小的体积、更低的功耗性能、片上偏置电压 非均匀性校正、更低的制造成本、以及更简洁的工业批量生产工艺。4、在发展硬件系统设计的同时，图像处理技术的发展也是不可或缺的。五、 参考文献1、 Jeff IR imaging with 128 128 HgCdTe electron avalanche photodiode FPAC. Proceedings of SPIE, 2007, 6542: 17.2、 et dimensional imaging laser radar with a p

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18、ar and Area HgCdTe APD Arrays For Eyesafe LADARS ensors. 2001 SPIE 0277 -786X/015、HgCdTeA PD-based Linear-Mode Photon Counting Components and LADARR eceivers. 2011 SPIE CCC code: 0277 -786X/116、Eric de Borniol, Fabrice Guellec, Johan Rothman. HgCdTe-based APD focalplane array for 2D and 3D active im

19、aging: first results on a 320 256 with 30mpitch demonstratorC. Proceedings of SPIE, 2010,7660:3-5.7、Advances in LADAR Components and Subsystems at Raytheon. SPIE 8353-778 、 Roger Stettnerand Howardlaserradar 3D imaging C.Proceedings of SPIE, 2004, 5412: 111-116.9、Roger Stettner, Howard Bailey, and S

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21、学 2013APD焦平面探测器 在现今常见的单光子探测器中，基于 III-V 族材料 APD 的红外单光子探测器在近红外波段 实用化程度最高、性能最好。当 APD应用在光纤通信时， 其工作在线性模式下，增益最大只 有 102 数量级。传统的商用 APD就可以满足其要求，这种 APD的工艺和技术都很成熟，性能 也很稳定。当 APD应用于单光子探测时，其工作在盖革模式下，增益可达106 数量级。针对单光子探测专用的 APD其结构和性能的改进是基于传统APD的。早期的 InGaAs APD使用同质结结构，但其产生的大隧道电流现象使得异质结结构（SAM）被引进。 异质结结构包括分离的倍增区和吸收区，

22、可以避免大的隧道电流， 但倍增区和吸收区 之间形成的异质结位垒影响器件的响应速度并带来较大的暗电流。 所以现在最流行的结构是 吸收渐变电荷倍增分离性结构 （ SAGC）M，通过加入一层渐变电荷层来调节吸收层和倍增层的 电场分布， 提高器件的响应速率和响应度，减小暗电流， 同时也能起到保护环的作用， 在制 作工艺上更容易实现。 目前光纤通信上用的高性能 InGaAs/Inp APD主要就是采用这种结构。单个 APD的制备：1. 结构 ：n-InGaAs Contactn-InP Capn-InGaAs Contactn-InPCapi-InGaAsAbsorptionlayerInGaAsPGr

23、aded layern-InPCharge layeri-InPMultiplierP-InPBuffer 2P-InPBuffer 1i-InGaAsP Absorptionlayern-InPCharge layeri-InPMultiplierP-InPBuffer 2P-InPBuffer 1Gm-APD device designGm-APD device design2. 工艺：以的 APD为例，结构中不同的层（ layer ）依次通过金属有机物气相外延（ MOVP）E 生长在锌掺杂（ 100）的 InP 基底上（保证晶格匹配）。生长温度为670，最顶层的接触层温度控制在 600 。倍增层生长，载流子浓度为的电荷层生长25nm，非故意掺杂（n2x10 15cm-3 ）的 InGaAsP 吸收层生长，n+InP Cap 层生长 ，载流子浓度大于的InGaAs 接触层生长 。之后，用湿法刻蚀得到光滑的台面，台面的边缘用聚酰亚胺钝化处 理， Ti/Au