短波紅外單光子探測器的發(fā)展

導讀

單光子探測器達到了光電探測的極限靈敏度，InP/InGaAs 短波紅外單光子探測器 (SPAD) 是目前制備技術較為成熟且獲得廣泛應用的單光子探測器。通過半導體熱電制冷 (TEC) 即可達到其工作溫度 (?40 ℃ 左右)，具有體積小、成本低，方便安裝和攜帶的應用優(yōu)勢；另外，基于常規(guī)半導體二極管的芯片制造工藝很容易實現(xiàn)大面陣單光子陣列，除了探測微弱信號，還具備三維數(shù)字成像功能。國外包括美國、瑞士、意大利、韓國、日本等對InP/InGaAs SPAD進行了長期持續(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)化和改進之中。國外研制的單光子探測器陣列獲得了清晰的三維成像效果，并廣泛應用于激光雷達三維成像、遠距離目標探測、激光通信等領域。國內(nèi)包括重慶光電技術研究所、中國科學院上海技術物理所、西南技術物理研究所、中國科學技術大學、云南大學等對InP/InGaAs SPAD芯片進行了器件設計和器件制備研究，目前單管芯片已經(jīng)達到與國外報道相當?shù)男阅?。國?nèi)單光子探測器陣列的研究獲得了一定的進展，但芯片規(guī)模和器件性能有待進一步提升。 ?

本文對近10年來基于InP/InGaAs ?SPAD的技術改進進行了歸納總結，分析了器件設計和研制中面臨的主要問題、技術解決途徑和取得的進展，重點介紹了國內(nèi)外高溫、高速 InP/InGaAs單光子探測器及焦平面陣列的發(fā)展，對探測效率、暗計數(shù)率、后脈沖和時間抖動等性能進行了對比分析；最后結合新近出現(xiàn)的離化工程、新機理和新材料體系，探討了短波紅外單光子探測器未來的發(fā)展趨勢。 ?

研究背景

工作在通訊波段1310 nm和1550 nm的短波紅外單光子探測器，在光纖通訊、激光雷達、量子保密通訊、無人駕駛等領域具有廣泛的應用需求。結合對人眼安全的應用考慮，1550 nm短波紅外單光子探測器體現(xiàn)出了更為廣泛的應用，同時也對高探測效率、高計數(shù)率、高溫工作、低成本的單光子探測器提出了迫切的發(fā)展需求。隨著 InP/InGaAs 短波紅外單光子探測器 (SPAD)在材料結構、材料質(zhì)量、工藝制備和淬滅電路等方面的不斷改進和發(fā)展，目前 InP/InGaAs ?SPAD 的性能獲得了顯著的提升，探測效率典型值從 20% 提升到30%，而暗計數(shù)率進一步降低，低于kHz。對于1550? nm的單光子探測技術，除了傳統(tǒng)的InP/InGaAs ?SPAD，目前還發(fā)展了 Sb 基數(shù)字合金構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反饋自淬滅（NFAD）SPAD、InAlAs/InGaAs SPAD等新材料、新結構、新機理探測技術，使短波紅外單光子探測芯片技術獲得了快速的發(fā)展和進步。 ?

主要內(nèi)容 ? ?

1.InP/InGaAs 單光子探測器性能改進 ?

通過在光敏面上增加抗反射涂層增強吸收，或增加介電-金屬反射層，如圖1所示，提高對入射光子的吸收效率，提高器件的量子效率和探測效率；增加微透鏡增強光線采集能力，減小有源區(qū)直徑的同時提高填充因子，如圖2所示。通過增加電荷層中的電荷，在InGaAs吸收區(qū)中實現(xiàn)較低的電場，減少來自吸收區(qū)場增強產(chǎn)生的暗計數(shù)率；提高制備工藝條件使有源區(qū)電場更均勻，大大改善了InP/InGaAs SPAD的探測效率、降低了暗計數(shù)率，近10年國內(nèi)外有代表性的進展如表 1 所示。 ?

圖1 中國科學技術大學金屬層和三個周期的SiO2/TiO2布拉格反射鏡組成的增強反射結構

? 圖 2 南韓Wooiro公司設計增加微透鏡SPAD橫截面 ?

表1? 近十年報道的高探測效率InP/InGaAs SPAD的性能匯總

2.高溫工作的 InP/InGaAs 單光子探測器

InP/InGaAs SPAD需要在低溫 (約 230? K) 下工作，以降低暗計數(shù)率，但在低溫時SPAD后脈沖大。若器件工作在室溫條件下，同時還能保持可接受的暗計數(shù)率和探測效率，對抑制后脈沖、提高計數(shù)率具有顯著的優(yōu)勢。工作溫度為室溫或接近室溫 (如零度以上，通過一級TEC 很容易實現(xiàn)) 被視為高溫工作條件。有別于常規(guī)制冷單光子探測器，高溫工作的單光子探測器需要對暗計數(shù)進行特別的抑制，一方面，需要對材料結構、器件結構進行特殊的設計，確保吸收區(qū)、倍增區(qū)與熱有關的載流子激發(fā)、隧穿降至最小，由此引發(fā)的暗計數(shù)最小，暗計數(shù)率控制在可接受的范圍內(nèi)；另外一方面，通過運用正弦門控淬滅電路亞 ns 級的有效門寬，減少暗計數(shù)，也能使性能較好的單光子探測器工作在室溫。目前報道的高溫器件性能如表2所示。 ?

表2? 國內(nèi)外報道的室溫SPAD性能

3.高計數(shù)率 InP/InGaAs 單光子探測器

InP/InGaAs SPAD向高計數(shù)率發(fā)展面臨的一個關鍵問題是死時間不斷變短帶來的后脈沖概率增大。通過采用正弦門、自差分（如圖3所示）等技術目前實現(xiàn)了GHz的高速SPAD，相關的性能指標見表3所示。 ?

圖3 東芝歐洲有限公司自差分電路 ?

表3? 近十年報道的高計數(shù)率InP/InGaAs SPAD的性能匯總

4.InP/InGaAs 單光子探測器焦平面陣列

焦平面陣列具有廣泛應用，特別是人眼安全的1550 nm的InP/InGaAs SPAD陣列，可用于三維成像、激光雷達等。美國 MIT 林肯實驗室 (Massachusetts Institute of Technology，Lincoln Laboratory)報道了采用自研的256×64的1064 nm InP/InGaAsP SPAD焦平面陣列，陣列中心距50μm，零度條件下探測效率25%，暗計數(shù)率10 kHz，完成了激光雷達三維成像，以下是對Maynard市500 m×500 m面積進行掃描的三維成像圖，如圖4所示，掃描時間10 s，其中的顏色含有距離信息。

圖4 美國MIT林肯實驗室對Maynard市的掃描三維成像圖

5.新材料、新結構單光子探測器

離化工程

對于SAGCM結構的短波紅外單光子探測器，載流子離化倍增時，存在死區(qū)效應而需要厚倍增層，這降低了器件的響應速度,通過運用離化工程，增加能量積累層，可以減小死區(qū)效應，提高探測效率和響應速度，同時降低器件的過剩噪聲因子。 ?

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、低過深噪聲、低溫度系數(shù)和高靈敏度等優(yōu)點。 ?

AlInAsSb數(shù)字合金雪崩光電二極管

GaSb基的AlxIn1-xAsySb1-y數(shù)字合金材料通過調(diào)整AlxIn1-xAsySb1-y中Al、Sb的成分可調(diào)整材料帶隙，響應波長有望擴展到2000 nm或更長，具有與Si相當?shù)牡瓦^剩噪聲因子，是發(fā)展高性能短波紅外單光子探測器的一個重要材料選擇。目前該器件在擊穿前已獲得高達100的穩(wěn)定增益，1550 nm波長處實現(xiàn)了大于80%的量子效率。弗吉尼亞大學報道的InAlAsSb數(shù)字合金雪崩光電二極管結構如圖5所示。

圖5 弗吉尼亞大學報道的InAlAsSb數(shù)字合金雪崩光電二極管

結論

近10年國內(nèi)外研究團隊通過優(yōu)化器件結構、制備工藝以及雪崩信號提取電路顯著提高了 InP/InGaAs SPAD的性能，高探測效率、低暗計數(shù)率、室溫InP/InGaAs短波紅外單光子探測器獲得快速發(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有效解決途徑，同時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，其探測效率、暗計數(shù)率目前不如 InP/InGaAs SPAD，需要進一步改進提高。隨著對三維成像的巨大發(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器研究的一個重要工作。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，有望應用于高性能短波紅外單光子探測器制備。?




審核編輯：劉清