紅外光電探測器是紅外探測系統(tǒng)的核心組成部分，以大規(guī)模、小型化、多色、高速探測以及三維成像等為主要特點(diǎn)的第三代碲鎘汞（HgCdTe）紅外焦平面探測器已成為紅外光電探測技術(shù)的主要發(fā)展方向。其中HgCdTe紅外雪崩光電二極管（APD）陣列作為最近十多年來發(fā)展起來的新型探測器，以其高增益、高靈敏度和高速探測的優(yōu)點(diǎn)，成為未來微弱信號(hào)探測、三維主/被動(dòng)探測應(yīng)用的重要器件。

在可見光波段，硅APD的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，基本上取代了傳統(tǒng)的光電培增管（PMT），但是硅材料在紅外波段探測效率低。紅外短波波段，InGaAs/InP雪崩二極管具有優(yōu)勢，其光譜相應(yīng)在1100 ~ 1700 nm，吸收層材料為InGaAs，倍增層材料為InP。在紅外波段，HgCdTe雪崩光子探測器（APD）成為很有潛力的雪崩光子探測器。Hg1 - xCdxTe是由HgTe和CdTe混合的三元化合物，其晶格常數(shù)隨組分變化小，與CdZnTe襯底可以實(shí)現(xiàn)完美晶格匹配。Hg1 - xCdxTe是直接帶隙半導(dǎo)體材料，紅外光的吸收系數(shù)及量子效率比較高；通過改變材料組分，可以使器件光譜發(fā)生變化，響應(yīng)波段完全囊括了整個(gè)紅外光譜范圍。另外，與其他紅外光電半導(dǎo)體材料相比，HgCdTe材料的空穴與電子離化率差別很大，工作溫度范圍寬，因此增益帶寬積比較寬和信噪比比較高，這些優(yōu)點(diǎn)使得HgCdTe APD在紅外雪崩光子探測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 雪崩光電探測器的基本原理

雪崩光電二極管（APD）是一種具有較高頻率響應(yīng)特性和較高內(nèi)增益的器件。器件工作在高的反偏壓下，當(dāng)吸收層吸收入射光產(chǎn)生光生載流子，器件內(nèi)部光生載流子在強(qiáng)電場的作用下與晶格碰撞離化會(huì)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，單個(gè)載流子產(chǎn)生的光電流被放大至宏觀上可以被探測的程度，從而實(shí)現(xiàn)單光電子探測，如圖1所示為APD的工作原理圖。APD的基本結(jié)構(gòu)是工作于反向偏壓下的pn結(jié)，在理想條件下，吸收層吸收每個(gè)入射光子，激發(fā)產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，電子-空穴對(duì)在電場作用下分別向不同方向漂移形成光電流。隨著反向偏置電壓趨于反向擊穿電壓，在pn結(jié)的耗盡區(qū)形成了強(qiáng)電場，在強(qiáng)電場的作用下，獲得很高的能量光生載流子，與晶格發(fā)生碰撞，將晶格中的原子發(fā)生電離產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，新的電子-空穴對(duì)在強(qiáng)電場作用下獲得很高的能量形成新的碰撞電離過程，如此重復(fù)下去形成顯著的雪崩效應(yīng)，在此過程中APD的載流子數(shù)目增加迅速，入射的光信號(hào)不斷被放大成電信號(hào)，最終向讀出電路輸出較強(qiáng)的電信號(hào)。

圖1 雪崩光電二極管的工作原理

雪崩光電二極管分為兩種工作模式：線性工作模式、蓋革工作模式。這兩種模式工作在不同的工作電壓下，因此內(nèi)增益存在明顯的差別。線性工作模式，一般低于雪崩電壓，內(nèi)增益通常低于1 × 103量級(jí)，無法用于單光子的探測。在線性工作模式下APD探測器，材料的電子離化率和空穴離化率存在很大的不同，入射光子數(shù)與輸出電流成線性關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)光子探測。蓋革工作模式APD的工作偏壓比較高，要高于雪崩電壓，反向強(qiáng)電場加速光生載流子觸發(fā)雪崩效應(yīng)，因此在蓋革工作模式APD增益相當(dāng)高的，通常達(dá)到1 × 105，因此用于單光子探測。其工作特點(diǎn)在于，在無自由載流子時(shí)，什么現(xiàn)象也不會(huì)發(fā)生；而一旦器件中出現(xiàn)一個(gè)自由電子，就將很快導(dǎo)致雪崩的發(fā)生，雪崩發(fā)生后，一直持續(xù)下去，直到器件永久損壞，因此需要使用淬滅電路阻止雪崩繼續(xù)，并復(fù)位偏置電壓，使APD回到初始態(tài)，才能進(jìn)行下一次探測。

在研究初期，研究人員致力于實(shí)現(xiàn)紅外APD蓋革模式下工作，并將其應(yīng)用到激光雷達(dá)（LiDAR）成像系統(tǒng)中，但是在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，探測器在蓋革模式下工作，存在無法直接判斷光信號(hào)的強(qiáng)度、一次雪崩發(fā)生后探測器需要一段時(shí)間來復(fù)位該時(shí)間內(nèi)沒有探測能力、虛警率高等問題，無法滿足LiDAR系統(tǒng)靈敏度高、速度快、時(shí)間精確性高的要求，而線性模式下的APD，具有可以獲得多個(gè)目標(biāo)的距離信息、降低虛警率、探測碎片后的目標(biāo)、記錄信號(hào)強(qiáng)度、不需要復(fù)位電路等優(yōu)點(diǎn)，有利于應(yīng)用在LiDAR系統(tǒng)中，因而線性模式下的HgCdTe APD逐步成為了研究的熱點(diǎn)。

3 國內(nèi)外的研究進(jìn)展

1993年，Leveque等人發(fā)表了關(guān)于HgCdTe材料中電子和空穴離化系數(shù)的理論性文章，如圖2所示，文中指出，當(dāng)HgCdTe的截止波長小于1.9 μm時(shí)，空穴的離化系數(shù)遠(yuǎn)大于電子的離化系數(shù)，適合空穴觸發(fā)型APD；而當(dāng)HgCdTe的截止波長大于1.9 μm時(shí)，電子的離化系數(shù)遠(yuǎn)大于空穴的離化系數(shù)，適合電子觸發(fā)型APD。由于HgCdTe材料中，兩種載流子可以具有差別很大的離化系數(shù)，導(dǎo)致兩種載流子的碰撞電離平均自由程具有大的差異，容易實(shí)現(xiàn)單載流子器件，所以雪崩倍增厚度可以在很寬的范圍內(nèi)變化，而HgCdTe APD始終保持在線性工作模式，即HgCdTe APD具有很寬的線性模式工作偏壓范圍；在高偏壓下，載流子沿著一個(gè)方向移動(dòng)，噪聲低，過剩噪聲因子接近1，因此在倍增過程中，噪聲幾乎不參與培增，這對(duì)于制備具有高增益因子的HgCdTe APD紅外成像焦平面探測器是有益的。

圖2 電子和空穴離化系數(shù)與組分x的關(guān)系圖

從20世紀(jì)80年代開始，國外多家紅外探測器制造商相繼進(jìn)行HgCdTe APD的研究，他們的研究成果逐步從概念性研究發(fā)展到實(shí)驗(yàn)室演示成像階段，逐步推廣到實(shí)際應(yīng)用階段。主要研究機(jī)構(gòu)包括DRS、SELEX、Raytheon、CEA / LETI，這些研究機(jī)構(gòu)將其在HgCdTe紅外焦平面探測器方面取得的研究經(jīng)驗(yàn)與成果，應(yīng)用到HgCdTe APD的研發(fā)中，推動(dòng)了HgCdTe APD的發(fā)展。

3.1 DRS公司的研究進(jìn)展

美國DRS公司與英國SELEX公司采用的是高密度垂直集成光電器件結(jié)構(gòu)（HDVIP），HDVIP器件是由早期提出的紅外焦平面環(huán)孔pn結(jié)器件發(fā)展而成的，該器件不需要使用In柱互連技術(shù)來制備器件。如圖3所示為HDVIP的結(jié)構(gòu)原理，液相外延（LPE）生長HgCdTe材料，利用刻蝕方法將每個(gè)像元刻蝕形成的通路通到襯底，襯底上生長的p型摻雜（摻Au）HgCdTe薄膜為p型層，p型材料的摻雜濃度為8 × 1015~ 1.6 × 1016之間，Hg空位或者Hg空位和Cu提供空穴，部分材料同時(shí)摻雜濃度為2 ~ 4 × 1014 In作為施主原子；通過刻蝕及離子注入使p型層改性形成n型層，在刻蝕過程中，占據(jù)間隙位置的Hg原子填充空位，形成n層。n型層環(huán)繞在通路側(cè)面，形成了n型層被p型層包圍著的特殊結(jié)構(gòu)。pn結(jié)的尺寸是可調(diào)的，一般通過改變刻蝕的條件來改變。該結(jié)構(gòu)是橫向電流傳輸，p區(qū)為吸收區(qū)，n區(qū)為倍增區(qū)，載流子在反向強(qiáng)電場作用下從p區(qū)到n區(qū)發(fā)生雪崩效應(yīng)。該器件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要包括：采用CdTe鈍化技術(shù)，器件的1/f噪聲顯著降低；器件不再使用In柱互連技術(shù)，器件的熱穩(wěn)定性好；二極管的成結(jié)方向與材料生長方向相垂直，位錯(cuò)對(duì)器件性能的影響減小；器件工作在側(cè)入射下，其量子效率及調(diào)制函數(shù)性能得到了極大地提高了。

圖3 HDVIP器件的截面圖和頂視圖

DRS公司已成功研制了HDVIP中波紅外焦平面器件，規(guī)格是2 × 8，每個(gè)像元又包括2 × 2的子像元，響應(yīng)光譜為0.35 ~ 4.3 μm，-12.9 V偏壓下增益達(dá)到1100，器件交付NASA GSFC進(jìn)行測試，平均單光子的信噪比超過12，過剩噪聲因子為1.2 ~ 1.3，展示出良好的器件性能，為實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。

3.2 Leonardo公司（前SELEX）的研究進(jìn)展

英國的 Leonardo 公司（前SELEX）和美國的DRS公司一樣，在研究初期選用了由環(huán)孔pn器件發(fā)展而來的高密度垂直集成光電器件結(jié)構(gòu)（HD-VIP）作為HgCdTe APD的器件結(jié)構(gòu)，但是在研究過程中發(fā)現(xiàn)環(huán)孔結(jié)構(gòu)在高反偏壓下，漏電流大，器件需要保持在40 K的低溫工作，因此SELEX于2004年開始研究利用金屬有機(jī)物氣相外延（MOVPE）代替液相外延（LPE）外延生長方式，在廉價(jià)的GaAs襯底上生長HgCdTe外延層。MOVPE和分子束外延（MBE）類似，可以實(shí)現(xiàn)一次生長過程生長不同組分和摻雜的多層HgCdTe材料，能夠精確實(shí)現(xiàn)材料能帶結(jié)構(gòu)的“裁剪”。采用優(yōu)化的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖4所示，即寬禁帶的吸收層和窄禁帶的增益區(qū)，實(shí)現(xiàn)APD器件高量子效率、高增益、響應(yīng)快、暗電流低等性能。

2016年，SELEX并入Leonardo，對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，取消了寬禁帶的緩沖層的生長，將響應(yīng)光譜的短波方向從1.3 μm降低到0.8 μm。截止波長為2.5 μm，在60 K時(shí)，-19 V偏壓下增益為637，并成功研制了320 × 256短波紅外焦平面APD。

3.3 Raython公司的研究進(jìn)展

Raytheon公司是最先開始研究HgCdTe APD的公司之一，他們的研究集中在響應(yīng)波長為1.4 ~ 1.8 μm，是對(duì)人眼安全的波段，該波段的HgCdTeAPD是3D激光主動(dòng)成像系統(tǒng)中的核心部件。在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用了吸收和倍增分離的APD器件結(jié)構(gòu)（SAM-APD），詳細(xì)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，利用分子束外延（MBE）在Si或者CZT襯底上生長五層HgCdTe材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使倍增層厚度盡量小，倍增處電場比較均勻，避免不可控制的雪崩擊穿；而吸收層厚度盡量大，使入射的光子大部分被吸收，以提高器件的量子效率；在穿通狀態(tài)下，吸收層和倍增層分開以降低器件的擊穿電壓。而且異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提高少子的注入效率，提高載流子的遷移率等，同時(shí)可以降低HgCdTe APD的暗電流。因此異質(zhì)結(jié)SAM結(jié)構(gòu)比較適合HgCdTe APD的器件要求。

圖4 MOVPE生長器件結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 SAM-APD結(jié)構(gòu)示意圖

Raytheon公司成功研制了HgCdTe APD，工作溫度為300 K，增益為100時(shí)，過剩噪聲因子接近于1，暗電流＜10nA，NEP大約為0.5 nW，吉赫茲帶寬，展示出良好的器件性能。目前，Raytheon公司依托低缺陷密度的HgCdTe材料、低噪聲高增益的APD和高質(zhì)量的ROIC等技術(shù)優(yōu)勢，成功制備了四種不同用途的HgCdTe APD探測器：高靈敏度100 ~ 300 μm大面陣單元HgCdTe APD，4 × 256掃描型LiDAR傳感器，256 × 256快速接收器以及線性模式光子計(jì)數(shù)器。如圖6所示。

圖6 Raytheon公司的LiDAR產(chǎn)品

3.4 CEA/LETI的研究進(jìn)展

與其他公司相比較，CEA/LETI公司對(duì)HgCdTe APD研究起步較晚，但是依托原有成熟的HgCdTe紅外焦平面技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，CEA/LETI公司的HgCdTe APD研究進(jìn)展較大，在短短幾年內(nèi)，已經(jīng)相繼開展了超高靈敏高動(dòng)態(tài)范圍被動(dòng)凝視陣列、主動(dòng)2D/3D成像、雙模被動(dòng)-主動(dòng)成像系統(tǒng)。他們選用典型的PIN結(jié)構(gòu)，器件結(jié)構(gòu)如圖7所示。利用LPE或者M(jìn)BE方法在襯底上外延HgCdTe薄膜，p型層的Hg空位濃度為Na= 1 × 1015 ~ 1 × 1016cm-3，n+區(qū)域通過離子刻蝕形成，濃度為Nd= 1 × 1018 cm-3，n+區(qū)和p區(qū)的Hg空位發(fā)生中和，在p區(qū)和n+區(qū)之間形成了n-區(qū)，濃度為Nd= 1× 1014 cm-3，通過改變n+區(qū)的厚度來相應(yīng)的改變n-區(qū)的厚度，從而達(dá)到改變器件性能的目標(biāo)。p區(qū)為吸收層，吸收入射光子后，電子經(jīng)過n-區(qū)加速倍增后，到達(dá)n+區(qū)，通過電極In柱由讀出電路讀出信號(hào)。

圖7 PIN-APD結(jié)構(gòu)示意圖

CEA/LETI公司已經(jīng)成功研制了320 × 256中心距為30 μm的2D/3D主動(dòng)成像，距離分辨率低于15 cm（1 ns）。在80 K時(shí)，器件的截止波長分別為2.9 μm到5.3 μm，反偏電壓在-20V時(shí)，增益達(dá)到600以上，過剩噪聲因子為1.1 ~ 1.3，顯示出良好的器件性能。

3.5 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的研究進(jìn)展

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所是國內(nèi)首家進(jìn)行HgCdTe APD研究的單位，首先對(duì)平面結(jié)和臺(tái)面結(jié)HgCdTe APD進(jìn)行了理論研究，并且對(duì)暗電流的主要產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了分析。利用MBE生長技術(shù)制備了PIN結(jié)構(gòu)HgCdTe APD器件，77K時(shí)，截止波長為4.76 μm，反偏電壓為-10 V時(shí)，增益達(dá)到了335。

4 HgCdTe APD的應(yīng)用

經(jīng)過十多年的技術(shù)研究與開發(fā)，HgCdTe APD逐步從實(shí)驗(yàn)演示走向了實(shí)際應(yīng)用。DRS公司和美國航空航天局（NASA）合作，為宇宙飛行中心提供兩種類型HgCdTe APD，一種規(guī)格為4 × 4 HgCdTe APD陣列用于追蹤氣體測試，另一種規(guī)格為2 × 8線性模式光子計(jì)數(shù)HgCdTe APD陣列用于大氣背散射測試。HgCdTe APD波長范圍在0.9 ~ 4.3 μm，APD增益大于500，量子效率超過90%，器件噪聲極其低，成為了新型用于星球科學(xué)研究的探測器。Raytheon公司提供的四種不同規(guī)格的LiDAR接收器，其中單元器件可用于遠(yuǎn)距離3D成像，是第一代APD器件；高速4 × 256掃描型LiDAR傳感器是為美國NAVAIR研發(fā)，是第二代APD器件，用于多模傳感器尋得器（MMSS），海軍艦艇的監(jiān)視與觀察，以及目標(biāo)識(shí)別的3D成像；256 × 256凝視型LiDAR接收器是為NASA Langley研發(fā)，實(shí)現(xiàn)自主精確著陸和危險(xiǎn)物避讓技術(shù)（ALHAT），主要用于月球著陸和航行的3D成像；而最新研發(fā)的超靈敏的光子計(jì)數(shù)器，可用于深太空天文研究。

圖8 HgCdTe APD的應(yīng)用和核心的傳感器技術(shù)

5 結(jié)論

綜上所述，國外機(jī)構(gòu)在HgCdTe雪崩光電二極管研究方面已經(jīng)做了大量的工作，但是國內(nèi)的研究仍然處于起步階段，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：低缺陷碲鎘汞材料的生長技術(shù)，由于HgCdTe APD工作偏壓比較高，材料內(nèi)部的位錯(cuò)會(huì)引起器件在高偏壓下性能變差，因此要求碲鎘汞外延材料具有低的位錯(cuò)密度；pn結(jié)成結(jié)技術(shù)，離子注入和退火技術(shù)是制備平面結(jié)HgCdTe APD的關(guān)鍵技術(shù)之一，離子注入后，通過退火控制各個(gè)區(qū)域的位置以及摻雜濃度，形成理想的PIN結(jié)構(gòu)；暗電流抑制技術(shù)，暗電流和材料的截止波長、工作溫度以及表面漏電流等因素有直接的關(guān)系，需要分析暗電流的主要因素，設(shè)計(jì)出符合應(yīng)用要就的器件；高偏壓低噪聲讀出電路設(shè)計(jì)，HgCdTe APD要求讀出電路滿足高注入和高偏壓的工作特點(diǎn)，對(duì)讀出電路設(shè)計(jì)是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)；器件評(píng)價(jià)和測量技術(shù)，HgCdTe APD的增益因子、過剩噪聲系數(shù)、工作帶寬的測量與普通焦平面探測器件完全不同，需要重新搭建新的測量平臺(tái)和采取新的測量技術(shù)手段。

本文綜述了HgCdTe雪崩光電二極管的基本工作原理、以及材料和器件的研究，并且簡單介紹了其應(yīng)用方向和研究進(jìn)展。從上面的討論可知，HgCdTe雪崩光電二極管無論在民用還是軍用方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。但是我國HgCdTe雪崩光電二極管的研究相對(duì)于國外來說，仍然存在著巨大的差距，因此對(duì)該方向的研究迫在眉睫。
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