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中红外波段雪崩光子探测器研究进展

发布时间:2019-08-26 10:03 作者:和记娱乐

  中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海科技大学物质科学学院

  摘要:近年来,中红外雪崩光电二极管(APD)阵列,以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点,成为光纤通信、三维激光雷达成像、天文物理以及大气观测等应用的重要器件。本文具体介绍了中红外雪崩光电探测器的结构和探测原理,对其结构参数相关的性能以及优缺点进行了详细介绍,并展望其发展前景,同时介绍了一些中波红外雪崩光子探测器研究和应用进展。

  爱因斯坦对现代科学的主要贡献之一就是认识到光的能量是量子化的,这一最小光量子单位即被称为光子。光子数可分辨的探测能力是光子信息处理核心技术。作为最小信息的载体,最小光量子的光子探测是光信息探测的最高灵敏度。如果按照单个光子的频率对应的能量计算,在可见光和近红外波段内,其能量仅在10-19 J量级。要想探测这样微弱的信号,人们开始研究特殊的光电探测器件——雪崩光子探测器。目前雪崩光子探测器己在科学与工程领域的前沿得到了广泛的应用。初期的雪崩光子探测器多以光电倍增管与雪崩光电二极管为主,这类传统雪崩光子探测器支撑起了早期对于可见光波段弱光检测的实际应用。

  然而随着量子信息(Quantum Information,QI)技术的飞速发展,像光纤通信、三维激光雷达成像、天文物理以及大气观测等应用,传统的雪崩光子探测器己无法满足其需求。量子信息技术利用单个量子单元(如光子)以编码和传递信息,在信息传输速度及安全性都展现了极大的潜力。在量子密钥通信中,为了避免被窃听获取信息的风险,通常需要以单个光子传输信息以提升系统的安全性。此外,量子计算协议(Optical Quantum Computing,OQC)也在技术上对雪崩光子探测及雪崩光子源提出了更高的要求,如信噪比、探测效率、光谱范围与雪崩光子分辨能力等参数都需要远远超出传统的雪崩光子探测器。量子信息技术已经成为国际的前沿领域,美国的麻省理工学院、加州理工大学和南加州大学共同联合建立了量子信息和计算研究所,将量子信息作为3项重点研究方向之一。最近,Raytheon公司使用MBE(Molecular Beam Epitaxy)获得了ZnCdTe基的碲镉汞APD(AvalanchePhoto Diode)器件。采用该探测器的激光成像雷达系统获得的三维图像具有极佳的空间和距离分辨率。为了满足量子信息技术快速增长的广泛应用需求,世界各国的科研工作者正在不遗余力地优化和变革传统雪崩光电探测器结构和性能,同时也在不断地提出新的雪崩放大的探测思想和概念。

  雪崩光子探测器的性能通常以光谱范围、死时间、暗计数率、探测效率、时间抖动和光子数分辨能力等通用指标进行评估。不同的光学应用环境,对其的要求也不尽相同。雪崩光子探测器的具体性能,主要通过以下参数来反映:

  光谱范围(spectral range):雪崩光子探测器只对一定光谱范围内的光子信号有响应,这一光谱范围通常由其吸收层材料带隙所决定。对于可见光波段,目前技术最成熟的是硅雪崩光子探测器;而对于短波红外常见的波长1550nm通讯波段,一般使用InGaAs雪崩光电二极管。目前对于中长波雪崩光子探测方面的研究,最具有潜力的探测器是碲镉汞雪崩光电二极管。美国DRS公司研制的截止波长4.3μm的雪崩光子探测器光谱响应,如图1所示。

  死时间(Dead time):死时间,又被称作探测器的恢复时间。探测器在实现一次光子探测后,需要一定的恢复时间来响应下一个光子,这个时间即称为死时间,这期间探测器无法探测到任何光信号。通常而言,探测器的材料与结构类型对探测器的死时间起主要作用,但是,在大多数情况下,死时间的实际测量结果也与探测器的外置电子电路密切相关。对于半导体雪崩光子探测器而言,刻意地延长死时间以抑制后脉冲会极大地影响探测器的最大计数率,因此在雪崩单光子探测器中通常辅助以“淬灭一重置”电路以改善其死时间特性,并使其远小于系统的工作时钟频率。

  暗计数(Dark count rate):在没有入射光子的情况下,探测器自身也会产生一些非光子响应的输出信号,通常被称为暗计数。探测器的材料缺陷、偏置条件或外部噪声会导致误计数,因此,决定了暗计数的水平。汞空位掺杂碲镉汞APD暗计数与工艺的关系,如图2所示。针对半导体雪崩光子探测器,在隔离的实验室环境下暗计数的测量实际意义不大,必须将探测器集成到系统的应用环境下测量其暗计数,确保为真实应用时暗计数的大小。通常情况下,暗计数的数值单位表达方式有两种,一种表达为个/秒,也可表达为个/探测门。通过工作在门触发模式或设置淬灭时间,人们能实现有效减缓探测器的暗计数率。探测器的抖动时间决定了最小探测门宽或淬灭时间的间隔。

  探测效率(Photon detection efficiency):针对雪崩光子探测器,通常定义探测效率为其探测到入射一个光子或者入射一束光子的效率,也即探测器响应入射光子的概率,是器件的光子探测能力的体现。探测效率可由下式给出:

  式中:Rout指探测器的输出计数,也即实际计数值;Rincident为入射的光子数。在实际光电响应应用中,因为在入射光传输到探测器的过程中,光子耦合可能存在一定的损耗,因此探测器的整体探测效率可以分解为耦合效率ηcouple和内量子效率ηquantum两部分,也即η=ηcoupleηquantum。一般情况下只讨论最终表现的整体探测效率η。为了确保探测效率的精确测量,一种方式是通常使用已经校准的光子源,另一种方式通常使用相关光子对来进行实验,同时要考虑到探测器的死时间,并且需要依据探测器的暗计数对Rout进行修正。理论上理想的雪崩光子探测器的探测效率能达到100%。随着材料制备水平的提高和器件结构优化技术的发展,雪崩光子探测器已经接近理想的探测效率。

  时间抖动(Timing jitter):当光予入射到雪崩探测器的光吸收材料上,光子被吸收后探测器产生的电脉冲信号输出之间会有一定时间延时,该延时的时间范围通常被称为时间抖动。对时间抖动的可靠测量,实验上通常采用多次测量相同时间的入射光子数,在时间轴上获得输出信号的统计分布的半高宽(Full-width half-maxlmum,FWHM)来确定。单个光子计数的最大时钟频率通常取决于探测器的时间分辨率,而探测器的时间分辨能力则由时间抖动决定。这项参数对雪崩光子探测器的很多实际应用都至关重要,比如在激光测距中决定其表面分辨率,在三维成像技术中决定了其精确度。

  光子数分辨能力(Ability to resolvephotonnumber):通常定义为准确分辨入射光子数的能力为雪崩光子探测器的光子数分辨能力。相比较当前的光子数敏感探测器件,大多数的传统光子探测器只能分辨“无光子”或者“有光子”两种状态,这种二元响应意味着多光子响应与雪崩光子响应的输出信号是相同的,而目前量子通讯领域的应用需要区分每个光子态。激光器在远高于阂值时,其光子数分布服从泊松统计:

  式中:(n)表示每个脉冲中的平均光子数。因此,光子数可分辨探测器的探测效率越高,越能真实反映入射的光子数。针对具有光子数分辨能力的雪崩光子探测器,人们可以利用其光响应输出的电信号强度来确定入射的光子数。

  近年来光子探测技术正在飞速发展,越来越多的可用于光子探测的技术已经见诸报道,包括光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)、雪崩光电二极管、频率上转换技术、可见光子计数器(Visible LightPhoton Counter,VLPC)、超导光子探测器、量子点场效应晶体管(QDFET)等。本章将对目前各种光子探测技术的性能和前景进行总结和分析,在介绍各种光予探测技术的物理机制、性能和优缺点的同时,也指出了其进一步研发的潜力以及未来的发展方向。

  光电倍增管是于1949年最早实现单光子探测的元器件,目前已经得到了广泛的商业化应用。

  光电倍增管由一个真空管、阴极、阳极和几个电子束倍增极组成,如图3所示。当入射光子到达光电阴极以后,激发出光电阴极的电子,在电场作用下获得加速并依次冲击各级电子倍增极,每一次冲击释放出的电子都可在电场加速下冲击下一级倍增极。通过给PMT的各级倍增极施加比前一级更高的电势,可以产生非常显著的级联放大作用,单个电子就能产生106数量级的电子,被阳极收获而产生宏观电流,从而实现对雪崩光子的探测。

  与其他单光子探测器相比,PMT具有较大的探测面积(可达到平方厘米甚至平方米量级),极高的灵敏度和较高的增益。PMT也有着响应速度较快(输出信号上升时间低于1ns)、暗计数低(室温下只有几十Hz)以及光谱覆盖范围宽(115~1700nm)的优点。

  受光电阴极材料的外光电效应效率的限制,PMT的量子效率很难超过40%。由于PMT采用多倍增极的结构,其电子渡越时间分散较大,因此PMT通常具有较低的时间分辨率。通常而言PMT的物理尺寸较大,同时需要高真空与高偏置电压的工作环境,其中的电子也极易受磁场等外加因素的干扰,这使得PMT在机械稳定性、使用寿命、工作稳定性等方面具有较多的缺点,极大地限制了PMT的应用。另外,虽然PMT具有较宽的光谱覆盖范围,但是限于红外波段低至2%的量子效率,目前PMT在红外量子通信波段尚少实际应用价值。

  为了提高PMT的时间分辨率,出现了采用单级倍增结构的微通道端面光电倍增管(Microchannel Plate,MCP)。其基本结构即为将一种内壁涂有二次电子发射材料的玻璃毛细管密集成束,当光电阴极激发的电子进入玻璃管时,电子在玻璃管内部反复撞击而引发出更多的次级电子束,从而产生较大的增益。与传统的PMT结构不同,这种结构的倍增极是连续的,由于电子倍增是在单个微通道内的连续倍增极上产生的,因此具有较高的增益稳定性,其时间抖动可低至20ps。

  雪崩光电二极管是一种具有较高内增益和频率响应特性的器件,通常在PN结上加以重掺杂而形成。器件通常工作在较高的反偏压下,当入射光激发吸收层的光生载流子,在器件内部载流子与晶格碰撞离化会产生极强的雪崩倍增效应,可以将单个载流子产生的光电流放大至宏观上可被探测的程度,因此APD可用于单光子探测。APD的基本结构是工作于反向偏压下的PN结,当光子入射被吸收区域的电子吸收时会产生一个电子一空穴对,这一电子一空穴对在反偏压电场作用下分别向不同方向漂移从而形成光电流。比较普通的光电二极管,APD工作在较高的反向偏压下,形成了强电场加速光生载流子获得较高的能量,在与晶格发生碰撞后将使晶格中的原子发生电离产生新的电子一空穴对,这一碰撞电离过程与PMT的过程类似。这些新的电子一空穴对又可以在电场作用下获得动能形成新的碰撞电离过程,如此重复即可形成显著的雪崩效应,使APD中的载流子数目迅速增加,从而将入射的光信号不断放大,最终向读出电路输出较强的电信号。

  有两种工作模式的APD探测器件,分别是线性模式与盖革模式。它们的主要区别是工作电压大小。线性模式下的APD工作偏压低于雪崩电压,相当于一个具有增益的普通光电二极管。这种APD探测器要求材料的电子离化率和空穴离化率要有较大的差异,输出电流与入射光子数成线性关系,达到光子分辨的探测。而在盖革模式下器件工作在雪崩电压以上,形成的强电场使得进入耗尽区的每个载流子都可以触发雪崩效应,因此工作在盖革模式下的APD具有非常高的光增益,可以达到光子分辨探测的水平。这种模式下的APD相比PMT具有更高的探测效率,但是其暗计数比PMT要高。盖革模式下的雪崩发生后,会一直持续下去直到器件永久损坏,因此需要使用雪崩淬灭电路停止雪崩过程,并复位偏置电压。与PMT相比,半导体APD器件体积小,生产成本低,无需高真空工作条件,并且其制作工艺易于与后续电路集成,因此在大部分领域,APD较之于PMT都有更广泛的应用,例如近来提出的碲镉汞电子雪崩光电二极管,见图4。

  目前硅APD的技术已经非常成熟,在可见光波段的应用几乎完全取代了PMT。但是硅材料的光谱响应上限只有1100nm,在红外波段下探测效率极低。目前在短波红外波段雪崩光子响应通常使用InGaAs/lnP雪崩二极管,其中InGaAs作为吸收层材料,InP作为倍增层材料,其主要工作波段在1100nm~1700nm。由于材料自身的缺陷,也由于其工艺尚不及硅APD成熟,InGaAs/InP APD的探测效率一般只有10%~25%,而且暗计数也远高于PMT。

  频率上转换单光子探测技术的核心是将长波光子转换为较易被探测的短波光子,可以更有效地匹配目前技术较为成熟的硅探测器。其原理是通过非线性光学晶体的和频效应产生频率的变化:同时注入频率为A的弱光信号与频率为B的强泵浦光,在一定条件下可产生频率为C的输出光。在足够强的泵浦光下,达到非常高的转换效率,同时保留输入信号光子的量子特性。例如在周期性极化铌酸锂晶体中,1550nm的入射信号光可以在1064nm泵浦光的作用下转换为630nm的光,从而被现有的硅雪崩光子雪崩光电二极管探测,其转换效率可达到90%以上。使用厚吸收层的Si SPADs(检测单个光子的APD)其探测效率达到了46%,对于1550 nm的入射光子其时间抖动为400 ps,暗计数率为800kHz。当SiSPADs采用薄吸收层,其系统具有较低的探测效率,但是暗计数仅为20kHz,时间抖动低于40ps。

  目前频率上转换单光子探测技术在实际应用中面临的主要挑战是其需要较强的泵浦光,这需要较大块的稳定的非线性晶体;若通过波导将泵浦光集中到一个较小的区域以提高强度,又会带来较高的波导输入输出损耗。同时较高的泵浦光会带来较高的背景噪声,这可以通过选用终端探测器无法响应的波长更长的光源来加以改善。频率上转换技术在拓宽雪崩光子探测响应光谱范围的同时可有效地与硅器件集成,因此在近红外与中红外波段仍是最具实用价值的雪崩光子探测技术,同时这种转换技术能实现量子态的相干转换,在量子信息技术领域有着极大的潜在应用价值。

  可见光子计数器是一种超低温工作的半导体雪崩光子探测器,其器件结构如图5所示。VLPC的工作原理与APD略为相似,都是利用载流子在电场加速下碰撞电离而成的雪崩效应来产生大量载流子。在VLPC中光子在硅本征吸收区被吸收产生电子空穴对,在倍增区电场的作用下带正电的空穴向倍增区移动并获得能量,从而与倍增区内的As杂质产生碰撞电离,激发As杂质能级上的电子进入导带。这些被激发出来的自由电子继续被电场加速,激发电离出更多的施主能级,从而导致雪崩式的倍增效应,产生大量的载流子。

  与APD相比,由于VLPC是依靠载流子与杂质离子的碰撞产生倍增,而其中的As杂质能级只是导带下54meV的浅能级,因此只需要6~7V的电压即可使其发生雪崩,其时间抖动也非常小。VLPC的光谱响应范围(400nm~l000nm)与硅APD相近,但是具有更高的探测效率,在694 nm的探测效率高达88%,在近红外波段更是高达93%。同时,与APD中电子空穴两种载流子参与碰撞电离不同,VLPC中杂质能级上的空穴位置相对固定,因此其次级碰撞电离主要来源于杂质能级电离激发到导带的自由电子,这使得VLPC几乎没有倍增噪声,因为低的雪崩电压使得器件具有很好的增益稳定性;因此VLPC的输出电流与入射光子数成正比。相比较APD器件的高雪崩工作电压,VLPC具有更优异的光子数分辨能力。

  但是在VLPC中为了达到最佳性能,通常需要在6K的低温下工作,这严重限制了VLPC的工作环境;同时低温下雪崩后的恢复时间较长,在633nm下测得的时间抖动最低也要达到250ps,死时间约为100ns,因此其最大计数率仅在100kHz左右,最高探测效率下的暗计数则达到了20kHz。这些缺陷使得可见光光子计数器的实际应用非常有限。

  当温度超过临界温度时,超导材料会迅速从超导态转变为电阻态。超导临界温度跃迁传感器即是基于这一原理的单光子探测器。超导薄膜吸收入射光子之后产生热量而升温,从而使超导薄膜由超导态转为正常态。通过在器件上加以恒定电压,可以将这一电阻变化转变为可探测的电流信号。由于吸收光子数与电阻变化成反比,因此与电流变化成正比,对这一电流信号进行监测即可实现单光子的探测。通常单光子产生的电流信号非常微弱,必须经过低噪声的超导量子干涉仪的前置放大后输出。目前TES主要以硅基材料上生长的金属钨作为超导薄膜。

  由于TES主要应用超导材料的热效应进行雪崩光子探测,因此其探测波段较广,可以实现200nm~1800nm波段的雪崩光子探测。同时TES具有非常优秀的探测效率和暗计数特性,在1550nm波段,集成到光学微腔中的TES其探测效率可达到95%以上,而暗计数则低至10-1Hz以下。由于TES的系统噪声较低,因此TES具有非常好的光子数分辨能力。为了保持较低的噪声与整体电阻率,需要将SQUID置于4K的低温环境中,硅基底与超导钨膜的温度更是要控制在100mK以下。受超导材料的热恢复时间所限,TES的死时间一般在微秒量级,时间抖动在100ns左右,这使得TES的最大计数率只有几十赫兹。尽管如此,TES的高探测效率和低暗计数使其在光纤量子密钥分配领域展现了极其优秀的表现,高性能的光子数分辨能力使得超导临界温度跃迁传感器在量子信息和光量子动力学领域受到了大量的关注。

  近来,人们发展了新型的超导纳米线单光子探测器,其也是一种利用超导体的临界温度效应实现单光子探测的超导探测器。初始的超导材料纳米线工作在低于其超导阂值温度(1.5~4K)的超低温下,其工作电流低于临界电流。当一个或多个入射光子被纳米线吸收后会引发局部的热效应,使局部的温度高于超导阂值温度,吸收点附近的材料将由超导态变为电阻,这会导致电流从该点的周围通过,从而使周围的电流密度超过临界电流而转化为正常态。这一趋势继续扩张将形成一个横跨纳米线的电阻隔断,导致其电阻率迅速变大,形成一个可被探测到的电压脉冲,从而实现雪崩光子探测。为了提高器件的光敏面,通常是将纳米线做成蜿蜒的带状形态。目前的SNSPD纳米线材料通常选用NbN,由于其热效应的发生与恢复时间低达30ps,因此SNSPD的时间抖动很低,在大面阵探测器中仅有65ps左右,在小面阵探测器中更是低于30ps。

  虽然SNSPD具有高速、高灵敏度和无后脉冲的特点,但是目前在材料生长上受到较大的限制。SNSPD面临的一大挑战是大面阵探测器的制作,因为纳米线上任何一点的宽度不均匀都会极大地影响其灵敏度。此外,由单根纳米线构成的超导探测器,由于光响应的体积比较小,响应的变化不敏感,光子数分辨的能力比较差,但若通过将多根超导纳米线组成阵列并将其输出端并联在一起,即可实现一定的空间光子数分辨。另外,SNSPD需要在液氦温度以下工作以实现超导,但是随着超低温制冷技术的发展,光纤耦合的SNSPD已可以集成到工作温度为3K的闭循环制冷系统中,这有效改善了SNSPD的应用环境。这些进步使得SNSPD在量子密钥分配方面产生了巨大的影响,有效提高了传输距离与传输比特率。随着下一代高效器件的出现,SNSPD将在量子信息领域获得更广泛的应用。

  场效应晶体管是一种利用电子场效应以控制载流子的半导体晶体管,利用半导体材料内部外加的量子点或者天然缺陷来捕获光生载流子。QDFET目前主要有两种单光子探测方式:一种是利用光电导的改变以实现单光子探测。当量子点捕获光生载流子之后,可以改变场效应晶体管的电导,而电导的改变与光生载流子数目成正比,因此通过探测电导的变化即可实现单光子探测。这种单光子探测器的最大计数率可以达到400kHz,对于805nm光子探测的量子效率高达68%,并具有优异的光子数分辨能力。另一种方案是利用隧穿几率的改变实现单光子探测,其主要原理是量子点捕获光生载流子后可以改变共振隧穿二极管中的隧穿几率。这种器件在550nm处的探测效率达到了12.5%,时间抖动为150ns,暗计数则低至2×10-3 Hz。

  对于这种基于量子点的单光子探测器而言,其一大优势就是可以通过控制对量子点位置的控制以提高器件的内量子效率以及探测信号的均一性。目前QDFET主要工作在4K的低温下,具有分辨光子的能力且其暗计数较低,但是由于QDFET需要在光生载流子复合之后才能进行下一次探测,因此其时间抖动较高,工作频率较低。

  目前在红外波段,尤其是在中长波红外波段下最具有潜力的雪崩光子探测器件是HgCdTe APD雪崩光子探测器。Hg1-xCdxTe是由HgTe和CdTe混合的赝二元系统,其晶格常数HgTe (x-1)为6.46 A变化至CdTe(x=0)为6.48A,随组分x变化极小,与CdZnTe衬底可以几乎完美地晶格匹配。Hg1-xCdxTe作为直接带隙材料对红外光有较高的吸收系数及量子效率;同时通过改变Hg和Cd的组分x,可以实现器件带隙在-0.3eV~1.6eV之间连续变化,响应波段完全覆盖了整个红外光谱范。另外,与其他的红外光电子材料相比,碲镉汞APD的电子与空穴离化率差别大,工作温度范围较广,且具有较高的增益带宽积和高信噪比,这些优势使得HgCdTe APD在红外雪崩光子探测领域具有广阔的应用前景。

  器件结构的选择主要取决于应用的需求,同时要兼顾材料和器件的工艺水平。目前碲镉汞APD中较为常见的结构多是n+ -on-p平面结以及n+-on-p台面结型器件,其中n+ -on-p平面结器件是最早实用化的碲镉汞器件结构。n+ -on-p平面结通过外延P型碲镉汞材料注入B+离子形成n区,这种成结方式使得器件使用的材料的选择具有较高的自由度,可依实际需求选择不同的衬底和P型碲镉汞材料;且该类器件工艺简单可靠且成品率较高。因此,迅速成为碲镉汞器件领域最广泛应用的结构。此外,平面结器件的可控性较好,退火后可形成较为理想的n -on-p;器件的等效温差NETD和调制传递函数MTF也可做得很好,像元尺寸大于30 um时,MTF即可到达理论值的水平;采用P型材料作为吸收层,其组分梯度引发的较大的内建场可使少子加速向pn结运动,有助于提高器件的量子效率。

  n+ -on-p台面结则易于实现异质结,可通过将pn结的表面高掺杂浓度区设计为高组分材料以实现组分异质结,可有助于抑制表面漏电和减小器件的隧道电流。这类器件的n区通常以In掺杂形成,P型层材料的选取则可为汞空位P型材料或者Cu掺杂P型材料。目前n+ -on-p台面结在工艺上面临比较大的挑战,问题出在热处理P型材料时,In的扩散会导致pn结

  进入P型材料的内部,会影响其对于隧道电流的抑制效果。此外,对于台面结的侧向钝化也具有一定的工艺难度。即便如此,台面结利用宽带耗尽层以减小隧道电流的优点仍使其成为极具潜力的碲镉汞APD器件选择。

  碲镉汞材料的一大优势即是其在中长波红外探测领域展现出的巨大潜力。然而随着带隙的减小,碲镉汞器件的隧穿效应也变得更加显著,在需要高反偏压下工作的APD中尤为明显。同时,钝化工艺过程容易导致器件表面出现积累、耗尽和反型层,这些工艺过程导致的表面缺陷显著增加了表面漏电流。因此,表面漏电流带来的高暗电流始终是影响碲镉汞器件性能的关键因素。因此,对碲镉汞器件的暗电流机制进行研究,分析器件的主导暗电流成分,对于提升中长波碲镉汞器件性能具有至关重要的意义。

  为了对传统结构下碲镉汞APD暗电流进行分析,中国科学院上海技术物理研究所对传统结构碲镉汞APD的暗电流进行了理论仿真模拟,将SRH复合模型、Auger复合模型、Hurks缺陷辅助隧穿模型等带入计算模型。计算结果显示在平面或台面P-i-N HgCdTe E-APD中暗电流的主要产生机制是陷阱辅助隧穿(TAT)、SRH、带间隧穿(BBT)以及雪崩放大,如图6所示(计算结果表明,辐射复合以及俄歇复合对暗电流的贡献可以忽略不计)。可以看到,在低偏压下暗电流成分由TAT占主导,而当反偏压超过一定阂值之后,几种暗电流成份中,偏压较为敏感的BBT和雪崩倍增响应随偏压增大开始迅速增加,导致暗电流快速上升。此时,在几种暗电流机制中,APD的暗电流也迅速由TAT机制主导转化为BBT与雪崩倍增机制共同主导,同时BBT电流与雪崩电流之间相互竞争。当入射光信号时,光电流即可在雪崩倍增效应下迅速增加并超过BBT机制的暗电流,从而进入雪崩倍增工作模式。此外,通过对相同倍增区厚度及掺杂浓度的平面及台面结器件分别模拟其Ⅰ-Ⅴ特性的结果显示,二者雪崩倍增的阂值电压几乎相同,只有在较高的反偏压下结构差异才对其Ⅰ-Ⅴ特性有较为明显的影响。

  此外,进一步对反偏压在-7V下的平面及台面PIN APD的电场分布、BBT隧穿及碰撞电离特性进行了计算,计算结果如图7所示。值得注意的是平面结APD中倍增区的电场分布明显高于台面结。从图中可以看出,碲镉汞APD的BBT及碰撞电离特性与其电场分布特性密切相关,平面结APD中的BBT及碰撞电离较之于台面结要高4个数量级。

  中国科学院上海技术物理研究所对平面结碲镉汞雪崩光电二极管的特性进行了理论研究。所应用的结构如图8所示。

  图6 碲镉汞雪崩探测器中的暗电流及其主要成分(附图为平面及台面结APD的Ⅰ-Ⅴ曲线)

  图9中展示了理论结果与中国科学院上海技术物理研究所的程雨顺、李浩等人提供的实验结果的对照,结果表明所建立的数值模型可以很好地与实验Ⅰ-Ⅴ特征曲线相匹配,从而验证了模型的准确性。

  如前所述,平面结通常是通过B+离子注入形成n区,通过退火控制形成较为理想的n+ -on-p结。理论计算表明这一工艺控制精度对碲镉汞平面结APD的/-V特性有显著的影响,如图10(a)所示。较高的B+离子注入浓度和较低的退火时间将导致n一区掺杂浓度较高,从而导致平面结器件暗电流显著增加。

  图10平面结碲镉汞APD暗电流随(a)倍增区掺杂浓度和(b)结角半径的变化及(c)-7V下平面结碲镉汞APD电场分布图

  平面结制作工艺中的退火过程可能导致一定的材料损伤,并在碲镉汞APD的n-p结处形成一些尖峰带来较大的尖峰电场。对此我们同时对平面结APD的电场分布进行了模拟,在反偏压-7V下的电场分布如图10(c)所示,模拟结果显示在结角处会有较高的电场分布,从而导致较高的BBT暗电流。针对这一现象,在图10(b)中对于不同的n一区结角处曲率半径下的暗电流进行了理论模拟,结果显示较为尖锐的结角会极大地增加暗电流。

  中国科学院上海技术物理研究所对台面结碲镉汞雪崩光电二极管的特性进行了理论研究。所应用的结构如图1 1所示。

  图12中展示了理论结果与中国科学院上海技术物理研究所的程雨顺、李浩等人提供的实验结果对照,结果表明所建立的数值模型可以很好地与实验Ⅰ-Ⅴ特征曲线相匹配,从而验证了模型的准确性。

  与平面结相比,台面结不会受结形状影响而产生较大的局域电场,通过分子束外延(MBE)原位成结形成的台面结构可以弥补平面结一个维度的BBT电流,并有效规避了离子注入所带来的晶格损伤。但是由于In的掺杂浓度精度控制受限,很难获得低浓度的倍增区。对于不同掺杂浓度下台面结APD暗电流特性的模拟结果如图13(a)所示,可以看到与平面结相比

  台面结的暗电流受倍增区掺杂浓度变化更敏感,而且在高反偏压下仍显著随掺杂浓度的增加而提升。

  除了掺杂浓度以外,倍增区厚度的精确控制也是台面结碲镉汞APD工艺的一个难点。图13(b)所示即为台面结APD暗电流随倍增区厚度的变化特性,结果表明台面结APD的暗电流显著地受到倍增区厚度的影响,在-7V的反偏压下倍增区厚度增加1μm会导致暗电流的3~4个数量级的上升。

  碲镉汞APD在红外微弱信号和高空间一时间分辨率探测中具有极大的应用潜力,已成为第三代红外成像探测器发展的一个重要方向,因而近年来得到了快速发展。BAE Systems的M.B.Reine等人制备了背入射平面结n+ -on-p结构碲镉汞APD,采用液相外延(LPE)法在CdZnTe衬底上生长P型碲镉汞薄膜。器件阵列大小为4×4,每个光敏元大小为250μm×250μm,160K下截止波长为4.29μm,-11.7V时最大增益达到648,80K下测得的增益归一化暗电流密度在-10 V下为0.3 μA/Cm2,过剩噪声因子F(M)≈1。Kerlain等成功通过LPE技术制备了截止波长为5.3μm的中波红外碲镉汞APD器件,在-10V时增益可达1000以上,过剩噪声因子F(M)≈1.4。法国CEA/LETI的Johan Raytheon成功实现了增益因子为5300和带宽达到730 GHz的碲镉汞APD器件,满足亚光子水平的等效光子数探测,结果如图14所示。国内中科院上海技术物理研究所已经开展了相关工作,顾仁杰等人通过MBE技术生长并制备了PIN结构碲镉汞APD器件,在10V反偏下电流增益达到了335。

  图13 台面结碲镉汞APD暗电流随(a)倍增区掺杂浓度和(b)倍增区变化规律

  除上述的平/台面结以外,美国DRS与英国SELEX公司所采用的一种高密度垂直集成光电器件也成为碲镉汞APD结构的一个极具潜力的解决方案。

  HDVIP器件系由早期环孔pn器件发展而来,其最大特点是不需使用铟柱互连技术来制备红外焦平面器件。HDVIP的结构原理如图15所示,每个像元都有一条刻蚀形成的通路直通硅衬底,其P区由衬底上生长的P型掺杂碲镉汞薄膜组成,N区则通过刻蚀及离子注入形成并围绕在通路侧面,形成了一个P型层围绕着N型层的特殊结构。薄膜的上下两侧都由CdTe薄层钝化,并以环氧树脂与下面包含着读出电路前置放大器的硅衬底胶合在一起,其上表面涂以抗反射层以增强吸收。其工作模式与传统结构碲镉汞APD大体相同,仍是由p区中激发的光生载流子在电场作用下经过倍增区以产生雪崩倍增。该器件结构具有如下优点:①器件采用双面CdTe钝化技术,其上下表面均由互扩散的CdTe薄层钝化,可以显著降低器件的1/f噪声。②由于HDVIP器件不需使用铟柱互连技术,使得器件在温度快速变化的环境下仍具有优秀的热稳定性,且与器件的尺寸和规模无关。③由于其二极管成结方向与材料生长方向相垂直,因此其耗尽区仅在一个很小的截面上受到穿孔位错的影响,这极大地降低了器件中的位错密度。④HDVIP结构在侧入射下工作,这有效地提高了其量子效率及调制传递函数性能。

  美国DRS公司己成功研制了HDVIP中波红外焦平面器件,在77K下截止波长达到了5.1μm,-10.5V偏压下增益超过了1000。目前已经研制了128×128中波APD红外焦平面器件,同时开展了对目标的距离成像。DRS公司甚至将其成功拓展至波红外波段,所制备的80 K截止波长9.7μm的器件测得其偏压为-5V时的增益为114。

  单光子探测技术在天文、激光测距、遥感、量子通信和生物医学成像等领域都展现了巨大的应用前景。本文系统地介绍了单光子和雪崩探测器的关键性能参数,综述了目前发展中的各种单光子探测技术,并介绍了中波红外雪崩光子探测器的研究进展。对于雪崩光子探测技术的广泛研究已经产生了大量的新型雪崩光子探测技术,而碲镉汞雪崩光电探测器凭借其优异的性能已成为将雪崩光子探测波段由可见光拓展至中红外波段的最具潜力的选择。低暗电流、高增益带宽积、高响应速度和高信噪比的碲镉汞雪崩光电探测器将成为中波红外雪崩光子探测器领域最受期待的研究方向。

  《红外和太赫兹探测器件培训课程》将于9月19日~21日在无锡举行,本课程邀请红外和太赫兹领域优秀讲师,重点讲解核心光电探测器件,包括:(1)红外探测技术综述;(2)氧化钒(VOx)微测辐射热计;(3)非晶硅(a-Si)微测辐射热计;(4)热释电和微悬臂梁探测器;(5)热电堆探测器;(6)碲镉汞探测器;(7)Ⅱ类超晶格探测器;(8)太赫兹探测器;(9)太赫兹辐射源。如果您有兴趣,请联系:

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