碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器(特邀)

单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来,国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术,充分放大光子信号,以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Devices,EMCCDs)具有更高的量子效率,可替代传统的可见光光子计数系统,但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件(HgCdTe APD)的过剩噪声因子接近1,几乎无过剩噪声;相对于盖革模式的雪崩器件,没有死时间和后脉冲,不需要淬灭电路,具有超高动态范围,光谱响应范围宽且可调,探测效率和误计数率可独立优化,开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域,在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神(Raytheon)公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状,分析了吸收倍增分离型(Separation of Absorption and Magnification,SAM)、平面PIN型和高密度垂直集成型(High Density Vertically Integrated Photodiode,HDVIP)三种结构的HgCdTe APD器件性能、光子计数能力以及制备优缺点。雷神公司采用分子束外延(Molecular-Beam Epitaxy,MBE)方式制备了空穴倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件,增益可达350,光子探测效率达95%以上,工作温度达180 K以上。DRS技术公司采用液相外延(Liquid Phase Epitaxy,LPE)碲镉汞材料制备了电子倍增机制的HDVIP型中波HgCdTe APD器件,在0.4~4.3μm的可见光到中红外波段都能响应,最高增益可达6100,光子探测效率大于70%,可实现110 Mbps的自由空间通信。CEA/LETI实验室和Lynred公司采用分子束外延或液相外延制备了电子倍增机制的PIN型短波和中波HgCdTe APD器件,短波器件增益达2000,中波最高增益可达13000,内光子探测效率达90%,实现了80 Mbps的自由空间通信,在300 K和增益为1时,带宽最高达10 GHz。英国Leonardo公司采用金属有机气相沉积(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy,MOVPE)方式制备了电子倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件,命名为Selex Avalanche Photodiode HgCdTe Infrared Array(SAPHIRA),器件增益可达66@14.5 V,单光子探测率达90%以上,中心距为24μm的320×256阵列的SAPHIRA器件供给法国First Light Imaging公司,研发出了C-RED ONE相机,相机成功应用于美国天文探测的密歇根红外组合器(Michigan Infrared Combiner,MIRC),将MIRC的系统噪声降低了10~30倍,大大提高了条纹探测的信噪比。国内碲镉汞雪崩探测器研究起步比较晚,主要研究机构有中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所和华北光电技术研究所,受限于芯片制备技术和电路技术,目前没有实现光子计数方面的应用,但在焦平面研制上取得了一定进展。中国科学院上海技术物理研究所研制了PIN结构的单元、128×128阵列、320×256阵列中波HgCdTeAPD器件,器件增益可达1000以上,增益100以内,增益归一化暗电流密度低于1×10^(−7)A/cm^(2),增益400以内的过剩噪声因子小于1.5,增益133时的噪声等效光子数为12,进行了短积分快速成像演示;单元器件带宽可达300~600 MHz。昆明物理研究所研制了PIN结构的单元和256×256阵列的中波HgCdTe APD器件,单元器件增益可达1000以上;在偏压8.5 V以内,焦平面平均增益归一化暗电流为9.0×10^(−14)~1.6×10^(−13)A,过噪因子F介于1.0~1.5之间。国内主要是研制平面PIN结构的HgCdTe APD器件,技术路径与法国基本相同。因而,我国可借鉴CEA/LETI实验室成功经验和Lynred公司的运营模式,持续推进HgCdTe APD器件的研究,以早日达到国际先进水平,实现单光子探测和光子计数应用。

线性APD混合飞行时间测距模型及读出电路设计

混合飞行时间测距基于间接飞行时间测距的原理,同时结合直接飞行时间测距的概念,可以实现高精度、高范围的脉冲激光测距。采用两相采集方式,建立了背景光抑制的两段两相混合测距模型,并通过对模型的误差分析确定了电路的相关参数。采用在线性模式下工作的雪崩光电二极管(Linear-Mode APD,LM-APD)作为探测器,设计了与混合测距模型适配的50μm中心距的像素电路以及5×5阵列结构。电路输入级采用电容反馈跨阻放大器结构,输出信号包括模拟信号和低压差分信号。在对APD探测器20 MHz的调制频率下,输出电压达到99.8%以上的线性度,在108.75 m测距范围内达到4.415 cm的平均误差,11.355 cm的最大误差。仿真表明:混合测距兼顾精度和测量范围,适用于激光雷达三维成像领域。