撰稿人：史衍麗
單位：云南大學(xué)
史衍麗, 李云雪, 白容, 劉辰, 葉海峰, 黃潤(rùn)宇, 侯澤鵬, 馬旭, 趙偉林, 張家鑫, 王偉, 付全. 短波紅外單光子探測(cè)器的發(fā)展（特邀）[J]. 紅外與激光工程, 2023, 52(3): 20220908. doi: 10.3788/IRLA20220908
單光子探測(cè)器達(dá)到了光電探測(cè)的極限靈敏度，InP/InGaAs 短波紅外單光子探測(cè)器 (SPAD) 是目前制備技術(shù)較為成熟且獲得廣泛應(yīng)用的單光子探測(cè)器。通過(guò)半導(dǎo)體熱電制冷 (TEC) 即可達(dá)到其工作溫度 (?40 ℃ 左右)，具有體積小、成本低，方便安裝和攜帶的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)；另外，基于常規(guī)半導(dǎo)體二極管的芯片制造工藝很容易實(shí)現(xiàn)大面陣單光子陣列，除了探測(cè)微弱信號(hào)，還具備三維數(shù)字成像功能。國(guó)外包括美國(guó)、瑞士、意大利、韓國(guó)、日本等對(duì)InP/InGaAs ?SPAD進(jìn)行了長(zhǎng)期持續(xù)的研究，目前已研制出單管的貨架產(chǎn)品，性能還在不斷地優(yōu)化和改進(jìn)之中。國(guó)外研制的單光子探測(cè)器陣列獲得了清晰的三維成像效果，并廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)三維成像、遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)、激光通信等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)包括重慶光電技術(shù)研究所、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理所、西南技術(shù)物理研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、云南大學(xué)等對(duì)InP/InGaAs ?SPAD芯片進(jìn)行了器件設(shè)計(jì)和器件制備研究，目前單管芯片已經(jīng)達(dá)到與國(guó)外報(bào)道相當(dāng)?shù)男阅堋?guó)內(nèi)單光子探測(cè)器陣列的研究獲得了一定的進(jìn)展，但芯片規(guī)模和器件性能有待進(jìn)一步提升。本文對(duì)近10年來(lái)基于InP/InGaAs ?SPAD的技術(shù)改進(jìn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，分析了器件設(shè)計(jì)和研制中面臨的主要問(wèn)題、技術(shù)解決途徑和取得的進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外高溫、高速 InP/InGaAs單光子探測(cè)器及焦平面陣列的發(fā)展，對(duì)探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)率、后脈沖和時(shí)間抖動(dòng)等性能進(jìn)行了對(duì)比分析；最后結(jié)合新近出現(xiàn)的離化工程、新機(jī)理和新材料體系，探討了短波紅外單光子探測(cè)器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
工作在通訊波段1310 nm和1550 nm的短波紅外單光子探測(cè)器，在光纖通訊、激光雷達(dá)、量子保密通訊、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。結(jié)合對(duì)人眼安全的應(yīng)用考慮，1550 nm短波紅外單光子探測(cè)器體現(xiàn)出了更為廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)高探測(cè)效率、高計(jì)數(shù)率、高溫工作、低成本的單光子探測(cè)器提出了迫切的發(fā)展需求。隨著 InP/InGaAs 短波紅外單光子探測(cè)器 (SPAD)在材料結(jié)構(gòu)、材料質(zhì)量、工藝制備和淬滅電路等方面的不斷改進(jìn)和發(fā)展，目前 InP/InGaAs ?SPAD 的性能獲得了顯著的提升，探測(cè)效率典型值從 20% 提升到30%，而暗計(jì)數(shù)率進(jìn)一步降低，低于kHz。對(duì)于1550? nm的單光子探測(cè)技術(shù)，除了傳統(tǒng)的InP/InGaAs ?SPAD，目前還發(fā)展了 Sb 基數(shù)字合金構(gòu)建的低噪聲材料體系、采用離化工程的多倍增 InP/InGaAs SPAD、單片集成薄膜電阻的負(fù)反饋?zhàn)源銣纾∟FAD）SPAD、InAlAs/InGaAs ?SPAD等新材料、新結(jié)構(gòu)、新機(jī)理探測(cè)技術(shù)，使短波紅外單光子探測(cè)芯片技術(shù)獲得了快速的發(fā)展和進(jìn)步。1.InP/InGaAs 單光子探測(cè)器性能改進(jìn)通過(guò)在光敏面上增加抗反射涂層增強(qiáng)吸收，或增加介電-金屬反射層，如圖1所示，提高對(duì)入射光子的吸收效率，提高器件的量子效率和探測(cè)效率；增加微透鏡增強(qiáng)光線采集能力，減小有源區(qū)直徑的同時(shí)提高填充因子，如圖2所示。通過(guò)增加電荷層中的電荷，在InGaAs吸收區(qū)中實(shí)現(xiàn)較低的電場(chǎng)，減少來(lái)自吸收區(qū)場(chǎng)增強(qiáng)產(chǎn)生的暗計(jì)數(shù)率；提高制備工藝條件使有源區(qū)電場(chǎng)更均勻，大大改善了InP/InGaAs SPAD的探測(cè)效率、降低了暗計(jì)數(shù)率，近10年國(guó)內(nèi)外有代表性的進(jìn)展如表 1 所示。
圖1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)金屬層和三個(gè)周期的SiO2/TiO2布拉格反射鏡組成的增強(qiáng)反射結(jié)構(gòu)
圖 2 南韓Wooiro公司設(shè)計(jì)增加微透鏡SPAD橫截面表1? 近十年報(bào)道的高探測(cè)效率InP/InGaAs SPAD的性能匯總
2.高溫工作的 InP/InGaAs 單光子探測(cè)器
InP/InGaAs SPAD需要在低溫 (約 230? K) 下工作，以降低暗計(jì)數(shù)率，但在低溫時(shí)SPAD后脈沖大。若器件工作在室溫條件下，同時(shí)還能保持可接受的暗計(jì)數(shù)率和探測(cè)效率，對(duì)抑制后脈沖、提高計(jì)數(shù)率具有顯著的優(yōu)勢(shì)。工作溫度為室溫或接近室溫 (如零度以上，通過(guò)一級(jí)TEC 很容易實(shí)現(xiàn)) 被視為高溫工作條件。有別于常規(guī)制冷單光子探測(cè)器，高溫工作的單光子探測(cè)器需要對(duì)暗計(jì)數(shù)進(jìn)行特別的抑制，一方面，需要對(duì)材料結(jié)構(gòu)、器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)，確保吸收區(qū)、倍增區(qū)與熱有關(guān)的載流子激發(fā)、隧穿降至最小，由此引發(fā)的暗計(jì)數(shù)最小，暗計(jì)數(shù)率控制在可接受的范圍內(nèi)；另外一方面，通過(guò)運(yùn)用正弦門控淬滅電路亞 ns 級(jí)的有效門寬，減少暗計(jì)數(shù)，也能使性能較好的單光子探測(cè)器工作在室溫。目前報(bào)道的高溫器件性能如表2所示。表2? 國(guó)內(nèi)外報(bào)道的室溫SPAD性能
3.高計(jì)數(shù)率 InP/InGaAs 單光子探測(cè)器
InP/InGaAs SPAD向高計(jì)數(shù)率發(fā)展面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是死時(shí)間不斷變短帶來(lái)的后脈沖概率增大。通過(guò)采用正弦門、自差分（如圖3所示）等技術(shù)目前實(shí)現(xiàn)了GHz的高速SPAD，相關(guān)的性能指標(biāo)見(jiàn)表3所示。
表3? 近十年報(bào)道的高計(jì)數(shù)率InP/InGaAs SPAD的性能匯總
4.InP/InGaAs 單光子探測(cè)器焦平面陣列
焦平面陣列具有廣泛應(yīng)用，特別是人眼安全的1550 nm的InP/InGaAs SPAD陣列，可用于三維成像、激光雷達(dá)等。美國(guó) MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室 (Massachusetts Institute of Technology，Lincoln Laboratory)報(bào)道了采用自研的256×64的1064 nm InP/InGaAsP SPAD焦平面陣列，陣列中心距50μm，零度條件下探測(cè)效率25%，暗計(jì)數(shù)率10 kHz，完成了激光雷達(dá)三維成像，以下是對(duì)Maynard市500 m×500 m面積進(jìn)行掃描的三維成像圖，如圖4所示，掃描時(shí)間10 s，其中的顏色含有距離信息。
圖4 美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室對(duì)Maynard市的掃描三維成像圖
5.新材料、新結(jié)構(gòu)單光子探測(cè)器
離化工程
對(duì)于SAGCM結(jié)構(gòu)的短波紅外單光子探測(cè)器，載流子離化倍增時(shí)，存在死區(qū)效應(yīng)而需要厚倍增層，這降低了器件的響應(yīng)速度,通過(guò)運(yùn)用離化工程，增加能量積累層，可以減小死區(qū)效應(yīng)，提高探測(cè)效率和響應(yīng)速度，同時(shí)降低器件的過(guò)剩噪聲因子。
電子倍增InGaAs/InAlAs SPAD
倍增層材料除了空穴倍增的InP材料外，可以用與InGaAs晶格匹配，電子倍增的In0.52Al0.48As作為倍增材料。相比于InP材料，In0.52Al0.48As帶隙更寬，雪崩擊穿電壓的溫度依賴性相對(duì)InP更不敏感，因此InAlAs材料的SPAD工作溫度具有靈活性。與InP/InGaAs SPAD相比，InGaAs/InAlAs SPAD具有高增益帶寬積、低過(guò)深噪聲、低溫度系數(shù)和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。
AlInAsSb數(shù)字合金雪崩光電二極管
GaSb基的AlxIn1-xAsySb1-y數(shù)字合金材料通過(guò)調(diào)整AlxIn1-xAsySb1-y中Al、Sb的成分可調(diào)整材料帶隙，響應(yīng)波長(zhǎng)有望擴(kuò)展到2000 nm或更長(zhǎng)，具有與Si相當(dāng)?shù)牡瓦^(guò)剩噪聲因子，是發(fā)展高性能短波紅外單光子探測(cè)器的一個(gè)重要材料選擇。目前該器件在擊穿前已獲得高達(dá)100的穩(wěn)定增益，1550 nm波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)了大于80%的量子效率。弗吉尼亞大學(xué)報(bào)道的InAlAsSb數(shù)字合金雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 弗吉尼亞大學(xué)報(bào)道的InAlAsSb數(shù)字合金雪崩光電二極管
近10年國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、制備工藝以及雪崩信號(hào)提取電路顯著提高了 InP/InGaAs SPAD的性能，高探測(cè)效率、低暗計(jì)數(shù)率、室溫InP/InGaAs短波紅外單光子探測(cè)器獲得快速發(fā)展。提高工作溫度到室溫或零度以上，是降低后脈沖的一個(gè)有效解決途徑，同時(shí)可顯著減小封裝體積、降低成本。具有更小溫度系數(shù)、帶隙更寬且與吸收層 InGaAs晶格匹配InGaAs/In0.52Al0.48As SPAD，其探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)率目前不如 InP/InGaAs SPAD，需要進(jìn)一步改進(jìn)提高。隨著對(duì)三維成像的巨大發(fā)展需求，單光子焦平面陣列在規(guī)格和性能方面的提升是目前單光子探測(cè)器研究的一個(gè)重要工作。利用InAlAsSb合金材料制備的雪崩光電二極管顯示了較高的量子效率和穩(wěn)定的雪崩增益，有望應(yīng)用于高性能短波紅外單光子探測(cè)器制備。光電子產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)組委會(huì)
官方微信
LOGO.png)
二維碼.jpg "微信公眾號(hào)")
訂閱號(hào).jpg "微信公眾號(hào)")