焦平面APD探测器的国内外技术现状和发展趋势

红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势

一、

焦平面APD探测器的背景及特点

焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。 1、APD

雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200 倍，有很好的微弱信号探测能力。 2、APD阵列的分类

按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-mode APD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。 （1）Geiger-mode APD阵列的特点

优点：

1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测； 2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离分辨率，厘米量级；

3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式； 4）较低的功耗，体积小，集成度高；

5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。

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缺点：

1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。

2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。

（2）线性模式APD阵列的特点 优点：

1）光子探测率高，可达90%以上； 2）有较小的通道串扰效应；

3）具有多目标探测能力； 4）可获取回波信号的强度信息；

5） 相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。 缺点：

1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）

2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速

采样、阈值比较、存储等操作）。（其信号测量包括强度和时间测量两部分）

按照基底半导体材料APD可分为： Si APD、Ge APD、InGaAs APD、HgCdTe APD。

其中Si的由于波长在1um左右，由于材料限制很难做到大于32*32的阵列，再考虑到人眼安全以及军事对高功率激光的需求，工作波长在：1.5um的InGaAs APD 及HgCdTe APD为研究的热点内容。

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二、

国外的技术现状

按照APD的工作区间进行分类讨论。

1、基于Geiger-mode APD(GM-APD)的焦平面探测器 （1）技术手段：

1）APD阵列：主要采用p型衬底金属有机气相外延（MOCVD）及台面工艺

方法；或者n型衬底P扩散平面工艺方法制备。

2）ROIC：采用CMOS工艺代工流片。

3）封装技术：采用陶瓷封装等将APD和ROIC集成在一起的探测器封装，再

封装到半导体热电制冷（TEC）方式使其工作与浅低温的条件。

4）APD和ROIC的集成：块接(Bump-bonding)技术或者桥接

(Bridge-bonding)技术。

（2）发展历史：

1998年林肯实验室研制出4*4的APD焦面探测器； 2001年研制出Gen-I系统； 2002年研制出微型化的Gen-II；

2003年研制出Gen-III（APD阵列：32*32）； 2011年研制出ALIRT系统（APD阵列：32*128）；

目前为止已经可以实现：APD阵列：256*256，测量精度：5cm以内。 （3）主要的研究机构：

美国MIT林肯实验室、波音Spectrolab公司、Princeton Lightwave公司等

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（4）结构及其原理框图：

如图一所示：激光发射的同时产生一个计时开始信号（start）；当光子回波到达时产生一个COMS兼容的电压脉冲(stop)；该脉冲使读出电路时间测量单元停止计数；光脉冲到达的时间数字化，同时降低偏置实现雪崩淬灭，数据经传输处理获取目标三维距离信息。

图一、GM-APD FPA原理图 整理

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如图二所示：InGaAs/InP APD阵列通过In柱子的倒装和下面的ROIC芯片集成，通过陶瓷封装之后，再封装到含有三级半导体热电制冷器(TEC)和石英玻璃光窗的金属管壳。

图二、GM-APD FPA结构图

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图三、GM-APD InGaAs/InP结构图 如图三所示：采用背照入射平面结构，材料结构上采用光吸收雪崩倍增层分离 的、具有能带渐变层和电荷层的结构。

2、基于线性模式APD(LM-APD)的焦平面探测器 （1）技术手段：

1）APD阵列：主要通过分子束外延生长（MBE）进行制备 2）ROIC：采用CMOS工艺代工流片。

3）封装技术：采用陶瓷封装等将APD和ROIC集成在一起的探测器封装，再

封装到半导体热电制冷（TEC）方式使其工作与浅低温的条件。

4）APD和ROIC的集成及其结构：Z堆叠（Z-stacking）技术，或者垂直互连

探测器阵列技术（Vertically Integrated Sensor Arrays，VISA）。

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如图四所示：VISA采用垂直互连代替Z最堆叠中的平行结构，其可以克制芯片的长度限制，用于制造更大规模的探测器阵列和更复杂的片上信号处理系统。

图四、VISA与Z堆叠技术的结构对比

（2）发展历史：

图五、VISA的焦平面探测器结构

2000年开始Raytheon在国防预先研究计划局(DARPA)支持下先后研制了： 4*4,32*2,10*10,4*256等不同规格的APD阵列探测器；

2001年开始DRS公司对HgCdTe APD进行研究，并利用高密度垂直集成光电

二极管的结构开发圆柱形N-on-P APD；

2005年开始ASC公司开发了一系列3D闪光激光探测成像传感器InGaAs APD

阵列（APD阵列128×128）；

2007年，Raytheon研制了一种应用于导弹系统和海军空中作战中心的

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HgCdTe APD三维成像雷达（APD阵列2×128），目前仪可以做出256*256； 2007年，DSR公司在美国陆军CELRAP计划支持下开发了HgCdTe APD脉冲

无扫描激光雷达系统（APD阵列128×128，增益可达1000倍）；

2011年，法国CEA/LETI和DEFIR实验室研制了一种具备主动和被动成像能力

的HgCdTe APD三维闪光激光雷达（APD阵列320*256）；

目前为止：APD阵列320*256（近年已经达到515*512）；分辨率：ns量级；

增益大于100

（3）主要的研究机构：美国的：雷神公司（Raytheon）、DRS公司、ASC（Advanced Scientific Concepts）公司、Lockheed Martin公司；法国的：CEA-Leti公司等等

（4）一些典型的APD阵列结构及原理图

图六、Raytheon旗下的各带产品 整理

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如图七所示是：Raytheon公司的一款256*4APD阵列的产品，其ROIC和APD阵列封装在TEC中，TEC使其在浅低温环境下工作，周围的电路板提供旁路电容器、多路复用器、LVDS接收器等等。

图七、Raytheon产品APD阵列256*4的结构图

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图八、ＣＥＡ／ＬＥＴ的ROIC结构图和计时原理图 如图八所示：为法国CEA/LET研制的APD阵列为：320*256的焦平面探测器的ROIC原理图，处理系统采用脉冲飞行时间法（TOF）测距，读出电路由CTIA放大器、比较器、锁存器和采样保持电路组成.其强度测量采用与CCD类似的积分形式实现；其时间测量采用对基准参考电压采样实现；其原理右图所示脉冲发射(T1)后，参考电压开始随时间线性增加，当激光脉冲回波到达( T2)后，触发锁存器，对参考电压采样即V3D，根据电压的大小，即可判定脉冲回波时间，获取目标距离。

如图九所示：可以很清楚的看出HgCdTe的增益大小和环境噪声基本无关，并且一直保持很小，即相比于Si和InAlAs，HgCdTe的大增益抗噪声能力更强。

图九、各材料的增益和噪声的关系图 整理

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对比一下GM和LM：

如图所示易知：

1） GM的APD的增益比LM大很多 2） GM的ROIC噪音比LM大的多 3） GM不能测强度但是LM能 4） GM的效率比LM小的多

图十、LM APD和GM APM的对比 整理

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三、 国内的技术现状及与国外对比

1、国内技术现状 （1）发展历史：

2004年在863计划支持下，我国研制出机载推帚式激光三维成像系统（APD阵列：1*16）

2010年电子科大设计了光纤耦合APD探测系统（APD阵列：4*4） 2012年上海光机所设计了一种GM-APD（APD阵列：3*3） 2012年清华大学设计了APD激光雷达系统（APD阵列：1*16） 2013年哈尔滨工业大学设计了一种APD探测器（APD阵列：5*5） 上海技术物理所设计了一款了（APD阵列：1*25）

（2）主要研究机构：电子科技大学、上海技术物理所、上海光机所、清华大学、哈尔

滨工业大学等 （3）现存的状况：

我国在阵列化APD 焦平面探测器的研究工作处于起步阶段，国内公开发布的阵列 APD 探测系统像素数量较低，由于受到相关器件和半导体光电探测器生产工艺的限制，以及国外对高灵敏度探测器的技术封锁，国内的大部分还处于理论和实验验证的阶段，大部分关键技术和国外相比有较大的差距。

2、国内外技术对比

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如图十一所示：中国和国外的APD阵列的探测器的无论是阵列规模还是系统的各项参数都远不及国外。中国需要在APD阵列探测器的系统层次上设计及系统性能的研究上着手跟上世界先进的步伐。 四、

未来的发展趋势

图十一、国内外APD阵列探测系统的对比 近年来国外一些国家已经研制出多种模式的阵列 APD 探测器和接收处理系统，并制造出实用化的设备，APD 阵列像元数可达512×512，探测范围将包含从可见光到中波段红外线（MWIR），探测器噪声越来越低的同时精度和灵敏度也逐步提高，应用范围更加广泛，包括了光谱测量、机载成像、深空探测等，并且已经在军事领域扮演重要角色的基础上开始向民用领域上进行市场大进军。

而随着材料科学的发展，单光子灵敏度的LM APD阵列的发现，使得LM-APD已经取代了GM-APD的优势地位。

为了三维探测的需求其发展趋势如下：

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1、APD阵列应具有：更大的象元素量、更高的饱和阈值、更大的增益、更高的动态范围、更高的工作温度、更高的距离分辨率以及更小的象元尺寸等。

2、ROIC应具有：更小的体积、更小的信号处理复杂度、更低的信号噪音、更低的信号处理的带宽等。

3、整体上应具有：更高的象元集成度、更小的体积、更低的功耗性能、片上偏置电压非均匀性校正、更低的制造成本、以及更简洁的工业批量生产工艺。 4、在发展硬件系统设计的同时，图像处理技术的发展也是不可或缺的。 五、

参考文献

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APD焦平面探测器

在现今常见的单光子探测器中，基于III-V族材料 APD的红外单光子探测器在近红外波段实用化程度最高、性能最好。当APD应用在光纤通信时，其工作在线性模式下，增益最大只有102数量级。传统的商用APD就可以满足其要求，这种APD的工艺和技术都很成熟，性能也很稳定。当APD应用于单光子探测时，其工作在盖革模式下，增益可达106数量级。针对单光子探测专用的APD其结构和性能的改进是基于传统APD的。

早期的InGaAs APD使用同质结结构，但其产生的大隧道电流现象使得异质结结构

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（SAM）被引进。异质结结构包括分离的倍增区和吸收区，可以避免大的隧道电流，但倍增区和吸收区之间形成的异质结位垒影响器件的响应速度并带来较大的暗电流。所以现在最流行的结构是吸收渐变电荷倍增分离性结构（SAGCM），通过加入一层渐变电荷层来调节吸收层和倍增层的电场分布，提高器件的响应速率和响应度，减小暗电流，同时也能起到保护环的作用，在制作工艺上更容易实现。目前光纤通信上用的高性能InGaAs/Inp APD主要就是采用这种结构。

单个APD的制备：

1.结构 ：

n-InGaAs Contact n-InP Cap i-InGaAsP Absorption layer n-InP Charge layer i-InP Multiplier P-InP Buffer 2 P-InP Buffer 1 整理

n-InGaAs Contact . . . n-InP . Cap 1.06 1.5 i-InGaAs Absorption layer Gm-APD device design InGaAsP Graded layer n-InP Charge layer Gm-APD device design 2.工艺： 以1.06的APD为例，结构中不同的层（layer）依次通i-InP Multiplier P-InP Buffer 2 P-InP Buffer 1 过金属有机物气相外延（MOVPE）生长在锌掺杂（100）的InP基底上（保证晶格匹配）。生长温度为670℃，最顶层的接触层温度控制在600℃。倍增层生长0.8

，载流子浓度为5.0x1017cm-3的电荷

，n+InP Cap层。之后，用湿法

层生长25nm，非故意掺杂（n2x1015cm-3）的InGaAsP吸收层生长1.5生长1.0

，载流子浓度大于2.0x1018cm-3的InGaAs接触层生长0.01

刻蚀得到光滑的台面，台面的边缘用聚酰亚胺钝化处理，Ti/Au金属环嵌住最顶层外围的聚酰亚胺并保证能和最顶层的接触层接触。 关键技术： 1.电荷层生长的控制

电荷层的厚度和掺杂浓度对整个APD来说至关重要。电荷层用来调整吸收层和倍增层的电荷分布，减小暗电流，对暗计数率的控制起很大作用。由于APD增益和偏压的非线性关系，电荷层剂量微小的改变就可以使得雪崩电压产生很大的改变，从而严重影响器件的性能。

2.台面的抛光和钝化处理

器件侧边的不平整会产生非常大的表面复合电流。因此，选择合适的刻蚀剂和钝化工艺，得到更光滑的台面，可以很大程度的减少表面漏电流的影响，从而提高整个器件的性能。 3.外延生长的控制

器件加工中，外延生长的控制极为重要。高质量的生长材料从根本上决定整个器件的性

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能。而不同层的生长的控制，比如吸收层的厚度，直接影响器件的光子探测效率（PDE）和量子效率，而倍增层的厚度影响APD的增益特性。

32x32 APD焦平面探测器的制备：

工艺：

在一片Wafer上加工出32x32的APD阵列，将铟沉积到阵列的像素上，并借此将读出电路（ROIC）通过倒装芯片工艺（flip-chip bonding）集成到阵列中。 然后将整个模块与其他模块比如热电冷却器、数据采集卡进行封装制成成品。 关键技术： 1.阵列均匀性的控制

保证阵列的均匀性是成像的关键，同时也是加工的难点所在。阵列中每一层厚度的均匀性，掺杂的均匀性都直接决定了雪崩电压的均匀性和暗电流的均匀性。通过利用不同的测试手段比如X-光衍射和光致发光在校准层测量材料的特性，有助于在MOVPE反应中保证阵列的均匀性。

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2.ROIC的设计与集成

读出电路是构成探测器的一个关键模块，其性能决定了焦平面探测器的时间抖动和信号的串扰。好的ROIC可以减少APD阵列不均匀性的影响，保证探测器的稳定性，从而很大程度上的提高整个探测器的性能。

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