1 引言

近红外波段的单光子探测器及其阵列在众多领域具有广泛应用,例如光时域反射计^[1-2]、量子通信^[3]、激光探测及测距系统(LADAR)^[4]、生物学中弱荧光研究、DNA分析^[5]和半导体器件材料表征^[6]等。

目前已有的单光子探测器有很多种,包括光电倍增管(PMT)、单光子雪崩光电探测器(SPAD)、超导纳米线单光子探测器(SNSPD)、 频率上转换单光子探测器和可见光光子探测器(VLPC)等。PMT具有增益高、光敏面大和暗计数低的优点,在微弱光探测的众多领域中发挥了重要作用,但PMT体积庞大、量子效率低、反向偏压高、红外波段灵敏度差、抗外部磁场能力弱,不利于阵列扩展,在近红外和集成化要求较高的领域应用受限,因而各种新型光电探测器^[7-9]不断涌现。其中SNSPD发展十分迅速,具有宽光谱、极低暗计数、低时间抖动、短恢复时间和无需门电路等优势,在量子光学和天文观测等科研领域有着重要应用,但SNSPD工作温度在10 K左右,面阵集成度较小。其他如Si-SPAD和VLPC由于在近红外波段缺乏足够的灵敏度,并不适合近红外波段的探测。频率上转换单光子探测器结构复杂,机械可靠性较低。相比之下,SPAD雪崩增益大、响应速度快、探测效率高、体积小、易于阵列集成、功耗低,其阵列器件可进行弱光信号3D成像,因此在众多应用领域具有重要研究价值。

本综述首先介绍了InP基近红外SPAD的工作原理,分析了阵列像元及整体性能的主要参数及其影响因素,然后列举了国内外在近红外SPAD阵列方面的研究进展,最后进行了总结和展望。

2 InGaAs/InP单光子探测器及阵列

2.1 SPAD结构和基本工作原理

近红外1~1.55 μm波段的雪崩光电二极管(APD)最早使用Ge材料^[10],但由于Ge器件的暗电流很大,在波长大于1.50 μm时,Ge的吸收效率明显降低^[11],而Ⅲ-Ⅴ族化合物In_0.53Ga_0.47As(InGaAs)的带隙宽度为0.75 eV,在近红外波段具有很高的光吸收效率,因而InGaAs/InP 单光子探测器在此波段具有较高的灵敏度。InGaAs/InP单光子探测器一般采用分离吸收渐变电荷倍增结构(SAGCM),典型的SAGCM和内部电场分布如图1所示,其中n∶InP为本底n型的InP材料,P⁺为P型重掺杂,N⁺为N型重掺杂,E_g为带隙,E_br为雪崩电场。该结构采用窄带隙InGaAs材料作为吸收层,宽带隙的InP材料作为倍增层。通过控制电荷层掺杂密度,可以使倍增区域的电场强度足够大从而保证足够高的增益,同时使吸收区域的电场强度足够小以减少隧穿电流。InP衬底材料的宽带隙对于1 μm波段以上的光是透明的,因此SAGCM可以设计为背入射结构,这种材料及结构的使用也为其阵列化应用打下基础。

图 1. SAGCM层叠结构和内部电场分布

Fig. 1. SAGCM laminated structure and internal electric-field distribution

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APD根据工作状态的不同可以分为线性APD(LM-APD)和盖革APD(GM-APD)。当工作电压低于雪崩电压时,APD处于线性放大模式,这种模式的APD工作增益在10左右,在经典光通信^[12]中有着广泛应用。当APD工作电压高于雪崩电压时,APD处于GM,可达到单光子^[13]的探测灵敏度,此时GM-APD又称SPAD,增益往往大于10⁶。单个光子进入SPAD时,在吸收区被吸收并生成电子-空穴对,光生电子-空穴对能够以一定的概率触发雪崩击穿,电流会迅速增大,从nA或亚nA上升到mA量级,从而产生可探测的计数脉冲。LM-APD和SAPD的主要区别是LM-APD在光信号停止后可以迅速归零,而SPAD一旦发生雪崩,探测器就需要有外加干预将自持雪崩淬灭,从而恢复到探测等待状态,因此淬灭电路是SPAD系统的一个重要部分。

2.2 SPAD的性能参数及影响因素

SPAD的性能参数主要有探测效率(PDE)、暗计数率(DCR)、后脉冲概率、死时间及时间抖动。

2.2.1 探测效率与暗计数率

PDE是指一个光子入射到SPAD后产生一个能被检测到的雪崩电流信号的概率,可以描述为P_PDE=P_QE·P_avl·P_det,其中,P_QE为器件的外量子效率,P_avl为雪崩概率,P_det为检测效率^[14]。P_avl为一个载流子引发一次宏观雪崩的概率,其与倍增区的电场强度呈正相关,因此偏置电压是重要的控制变量^[15],在工作状态,提高SPAD的过偏压可以提高PDE。P_det为宏观雪崩电流被检测电路鉴别的概率^[16],主要由外部电路决定。这些相关因素中,P_QE是一个相对稳定的常数,与吸收区材料及厚度相关。因此,在器件结构方面,使用高吸收系数材料作为吸收区,增大吸收区厚度、生长增透膜来减少光在器件表面的反射都可以提高器件的外量子效率,进而提高器件的PDE。

DCR是指在没有光子入射时由噪声载流子产生的雪崩计数几率。SPAD工作在雪崩等待状态,当有光子入射时,产生雪崩电流。但在实际情况中,无入射光时,器件的倍增区和吸收区会存在其他途径产生的自由载流子,这些载流子也能触发雪崩倍增,从而产生暗计数。一般来说,引发暗计数现象的原因有两类,一是由热噪声产生的随机热电流引发的雪崩;二是由隧穿效应产生的隧穿电流引发的雪崩。两种产生暗计数的机理相同,都是诱发产生自由电荷,然后在倍增效应下产生宏观电流,和光子计数唯一不同点在于自由电荷的诱因不同,因此暗计数和光子计数从本质上无法区分。对SPAD暗计数而言,室温下热激发占主导地位,低温下隧穿为主要机制。热载流子浓度与载流子寿命τ相关,热载流子产生速率取决于材料带隙和晶体质量。热载流子产生速率^[17]可以写成R_th= niτ,其中n_i是材料的本征载流子浓度,n_i= NCNVe-Eg2kT∝T^3/2e-Eg2kT,其中,T为温度、N_C为导带能态密度、N_V为价带能态密度,E_g为材料禁带宽度、k为玻尔兹曼常数,寿命τ∝T^-1/2。由此可以看出,热载流子的产生速率主要与器件工作的温度相关,会随温度上升呈指数增加,因而通常采用制冷的方法,降低由热噪声引起的暗计数^[17]。隧穿几率是在高电场下价带电子跃迁到导带的量子隧穿几率,包括带间隧穿(BBT)和陷阱辅助隧穿(TAT),可描述为R_tun(x)=R_BBT+R_TAT,其中R_BBT和R_TAT分别为带间隧穿产生率和陷阱辅助隧穿产生率。研究表明,BBT并不是SPAD导致暗计数的主要来源,因为针对SPAD的SAGCM,InGaAs吸收区电场强度较小,即使其带隙窄也很难发生BBT^[17]。而InP倍增层本身带隙较大,倍增层较厚,产生雪崩倍增时的电场强度不足以引发BBT。TAT是一个复杂的过程,依赖于禁带中的陷阱能级位置、陷阱密度、陷阱被电子占据的情况和陷阱势能。在强电场作用下,原本难以发生隧穿的势垒被压缩变窄,其更易于隧穿。因此,在低温、偏压较高的情况下,由TAT导致的暗计数可能是InGaAs/InP SPAD产生暗计数的主要原因^[17]。综上,降低器件暗计数的主要途径有:提高材料生长质量、降低工作温度、降低器件的过偏压。

噪声等效功率(NEP,P_NE)是综合评价PDE和DCR的一个指标^[18],通常描述为

PNE=hυ2PDCRPPDE,(1)

式中,hυ代表光子能量。SPAD的暗计数和PDE相关,PDE越高,暗计数越高,两者之间是非线性关系。通常在一定PDE的前提下比较DCR的不同来评估探测器的性能。总体而言,SPAD的PDE和DCR与器件本身结构及工作状态相关,因此实际研究中对于二者的共同优化主要也是从这两方面出发。图2(a)为PDE与温度和过偏压的关系,从实验结果可以看出PDE基本不受温度影响,而会随过偏压的增大而提高。图2(b)为在0.6~1.4 μm的不同倍增区厚度下单位面积DCR与PDE的关系,该模型结构吸收区是厚度为1 μm的InGaAs材料^[16]。可以看出在固定PDE下,倍增区厚度越大,单位面积DCR越小;在相同倍增区厚度下,单位面积DCR随PDE的提高而增大。

图3(a)为不同倍增层厚度器件的 DCR与过偏压的关系,可以看出在相同温度和相同倍增层厚度时,DCR随过偏压的增大而提高。在相同温度和同一过偏压下,倍增层厚度越小,DCR越高;倍增层厚度大于2.0 μm时,DCR几乎全部由隧穿电流贡献,可以看出倍增区内缺陷辅助的隧穿是造成DCR的一个重要因素。图3(b)为不同倍增层厚度时单位面积DCR与温度的关系,可以看出DCR随温度的升高而增加。

综上,器件优化的主要矛盾在于较高过偏压可以增大PDE但同时会带来DCR的增加。为进一步提高器件性能,在器件结构方面,当达到一定的PDE时,需在一定范围内增加倍增层厚度以减少暗计数而不增加后脉冲;在工作状态方面,在一定的工作温度范围内,可降低工作温度来降低DCR而不减小PDE。

图 2. 参数关系。(a) PDE在不同温度下与过偏压的关系[15];(b)固定PDE时,不同倍增层厚度下DCR与PDE的关系[16]

Fig. 2. Parameter relationships. (a) Relationship between PDE and over-bias at different temperatures[15]; (b) relationship between DCR and PDE for devices with different thicknesses of multiplication layers and fixed PDE[16]

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图 3. 参数关系。(a)不同倍增层厚度器件的DCR与过偏压的关系;(b)过偏压为4 V时,不同倍增层厚度器件的DCR与温度的关系[15]

Fig. 3. Parameter relationships. (a) Relationship between DCR and over-bias for devices with different thicknesses of multiplication layers; (b) relationship between DCR and temperature for devices with different thicknesses of multiplication layers at 4 V over-bias[15]

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2.2.2 后脉冲概率

SPAD的材料中存在一些缺陷,在雪崩过程中,这些缺陷会俘获一些载流子,这些载流子会缓慢释放,在载流子释放完全之前,如果恢复高压等待状态,这些载流子也可能会引发雪崩效应,产生脉冲计数。后脉冲的释放时间通常在μs量级,是影响探测速率的主要因素之一,在高重复频率及低温的情况下,后脉冲计数是主要的噪声来源。经典理论认为,从雪崩淬灭(t=0)开始,后脉冲的发生率与时间的关系可以用被俘获载流子的释放过程描述^[19],即

Rap(t)=PavlNftτde-t/τd,(2)

式中,N_ft为被陷阱能级俘获的雪崩载流子数,τ_d为被俘获载流子的平均释放时间,即被俘获载流子寿命。从(2)式可以看出,减轻后脉冲效应的根本方法是减少陷阱的数量和雪崩载流子总数^[19]。对于InGaAs(P)/InP SPAD,由于后脉冲效应严重,当计数率较高时,后脉冲可以导致比暗计数更多的误计数,且重复频率随时间呈指数衰减,因此在很多实际应用特别是激光雷达等应用中,后脉冲概率比暗计数更受关注^[20]。后脉冲的概率与温度、材料的掺杂浓度及电场强度有关。温度越低,杂质浓度越高,电场越强,后脉冲的概率也就越高。改善材料生长质量、降低本底掺杂浓度、降低雪崩增益、减小雪崩幅度、增加死时间是减小后脉冲计数的有效方法。

2.2.3 死时间

为缓解后脉冲现象,可以加入一段死区时间(dead time,很多情况下dead time也等于hold-off time),这段时间内偏置电压低于击穿电压,器件中的载流子得到充分释放,SPAD对光子无法响应,经过一段时间后偏压恢复至正常工作电压。如果在大部分被俘获的载流子尚未释放前阻止SPAD恢复,亦即延长死区时间使之大于τ_d,即可抑制后脉冲的发生,但是这会严重限制器件最高探测速率。通常,探测器的死时间不仅取决于探测器的材料,与外置电子电路也密切相关。

2.2.4 时间抖动

时间抖动是宏观雪崩被检测到的时间与入射光子时间之间的不确定性,表示探测器的时间分辨能力。该参数对一些应用至关重要,例如,在激光测距中,它直接决定测距的表面分辨率及精度。对SPAD自身而言,产生抖动的主要因素包括光子在吸收区的吸收位置不同,载流子在层界面传输的时间(尤其是过渡区空穴被俘获-释放的时间)不同,及雪崩幅度达到鉴别电平建立时间的差异^[21-22]。在各种不同的时间抖动机制中,最主要的因素是低于过偏压下的雪崩建立时间,薄的倍增层厚度可以减少时间抖动。时间抖动由以上因素随机组成,常用时间响应的半峰全宽(FWHM)来表示。

综上,近红外SPAD相关的各种性能参数相互关联相互制约。提高材料生长质量、降低雪崩暗电流对于提高SPAD各种性能都是有益的。而倍增层厚度、掺杂浓度、工作温度、过偏压等对于器件各种性能是相互矛盾的。在优化器件结构和工作状态方面要综合考虑各项性能指标,以获取最优值,实现探测目的。

2.3 阵列相关参数

阵列探测器作为成像器件,除了具备单点像元的性能之外,还必须考虑作为成像器件的整体性能参数,主要包括阵列大小、盲元率、一致性、填充因子和串扰。

1) 阵列大小:其是成像能力的重要指标,阵列越大,成像的分辨率越好。

2) 盲元率:盲元又称失效元,是指探测器阵列中响应过高或过低的探测器像元。盲元的数量及分布对阵列性能的影响很大,如果盲元率过高,如在成像时不经相应的处理时,则会在图像中出现大量的亮点或暗点,严重影响成像质量。

3) 一致性:主要指击穿电压的一致性,当所有像元加在同一个偏置电压下时,击穿电压的不一致会导致暗计数和探测效率的不一致。必要时,需要增加偏置电压校正功能。

4) 填充因子:定义为像元的有效感光面积与整体面积的比值,是一个重要的参数。总体来说,填充因子受保护环结构、隔离结构、淬灭计数计时电路等限制。微透镜阵列(MLA)是一种能够提高填充因子的有效手段^[23],但会增加对准装配的复杂性,且会减小接受角。

5) 串扰:是指光子入射到一个SPAD像元,但会引起相邻像元的计数几率。串扰会减小成像传感器的有效空间分辨率,造成模糊现象。串扰主要分为电串扰和光串扰。电串扰是指碰撞电离产生的大量载流子,若无像元隔离,会漂移或扩散至相邻像元,产生串扰脉冲计数。光串扰是指器件发生雪崩时,热载流子复合会发射光子。当光子触发另外一个像元时,即引发光串扰。串扰概率随像元之间的距离减小而增大,因此限制了阵列密度。目前光串扰被认为是阵列器件中的主要串扰因素。

3 近红外雪崩单光子探测器阵列研究进展

1985年,AT&T Bell实验室的研究人员证明具有渐变、吸收倍增分区结构的InGaAs/InP SPAD能够实现1330 nm的单光子探测。1995 年,Lacaita等在近红外波段对这种SPAD的单光子计数性能进行更深入的研究,此后InGaAs/InP红外APD得到了更广泛的研究。InGaAs/InP SPAD也因优越的阵列集成优势,引起了研究人员的兴趣。国内外InGaAs/InP SPAD阵列的研究机构主要包括麻省理工大学的林肯实验室(MIT)、普林斯顿光波公司(PLI)、意大利Cova小组、重庆光电技术研究所等。本节将对这几个机构所研制的InGaAs/InP SPAD阵列所使用的单元器件结构、单元性能参数和阵列性能等进行总结。

3.1 麻省理工大学林肯实验室(MIT)

2002年以来,麻省理工大学林肯实验室McIntosh等^{[15, 24]}开始研究InGaAsP/InP的1.06 μm和InGaAs/InP的1.55 μm SPAD器件和阵列。图4(a)为该实验室通过SiO₂刻蚀掩模和湿法腐蚀得到的台面结构示意图,侧壁通过聚酰亚胺钝化,使用InGaAsP作为吸收层材料,设计了吸收带隙更宽的台面结构InGaAsP/InP SPAD。这种方法虽然容易制造,但高电场区是暴露的,没有钝化好的侧壁,会导致大的漏电流和边缘击穿,可靠性差,因此此结构要求足够好的刻蚀和钝化工艺。表1是MIT研制的台面型InGaAsP/InP SPAD在不同规格下的性能参数对比。可以看出,低温和较厚的倍增层可以降低DCR,提高PDE。

MIT成功地采用桥接互联技术将SPAD阵列与微电子(CMOS)电路集成在一起,可以实现连续的高速率光子检测,使探测器适用于有源光学应用,包括激光雷达^[25]和通信。MIT在单个像元结构基础上成功研制出4×4 InGaAsP/InP SPAD探测阵列,如图4(c)所示,该阵列像元击穿电压差值小于0.2 V,较高的一致性允许其在同一偏置电压下工作,阵列像元的暗计数变化小于5%^[24]。桥接互联技术将SPAD和CMOS集成电路对应粘合,然后将SPAD芯片的衬底刻蚀出与CMOS芯片SPAD对应的窗口,再将SPAD电极和CMOS焊盘通过桥接的方式实现电气连接。这种方式严重限制了光敏面的有效占空比^[26]。为提高占空比,他们在2009年提出晶圆级3D集成互联方式,通过这种方式进行互联的SPAD阵列的占空比几乎可以达到100%^[27],但是工艺复杂。对于背入射InGaAs/InP SPAD阵列,应采用铟柱倒装焊的方式,实现铟柱倒装互连,首先要在探测器芯片和读出集成电路(ROIC)或只在ROIC上制作铟柱,然后将SPAD阵列与ROIC点对点键合^[28]。铟柱倒装互连对不同规模和材料的探测器具有较好的通用性,互联成功率高,因而成为大多数阵列器件制备的首选互联方法。

图 4. InGaAsP/InP SPAD的器件平台设计和阵列图像。(a) MIT设计的InGaAsP/InP SPAD外延层和台面结构示意图;(b)单个像元的显微照片;(c) 4×4阵列的显微照片[24]

Fig. 4. Device platform design and array image of InGaAsP/InP SPAD. (a) Schematic of epitaxial layer and mesa structure of InGaAsP/InP SPAD designed by MIT; (b) micrograph of individual pixel; (c) micrograph of 4×4 detector array[24]

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2007年以来,Glettler等^[29]和Frechette等^[30]发表了像元间距为100 μm的8×8和32×32阵列,间距为50 μm的128×32和256×64阵列。图5为该实验室制备的32×32 SPAD/CMOS 阵列和单个像元示意图。

MIT采用InP SPAD淬灭读出电路,使SPAD阵列具有帧读出和像素自动复位功能。其阵列像元实验结果如表2所示^[31]。

表2所列为阵列像元PDE和DCR的均值,对于1.06 μm和1.55 μm的探测波长,其PDE峰值分别为50%和45%。阵列像元的击穿电压要足够均匀,使阵列中每个像元能够有效地检测光子,并在整个阵列偏压为单一电压时有效地触发计时电路。通常,这需要阵列的击穿电压均差需小于1.5 V,其报道的256×64 GM-APD阵列具有良好的一致性,均差约为1 V^[31]。

图 5. MIT制备的APD/CMOS。(a) 32×32 APD/CMOS阵列桥接后的显微照片;(b)高倍镜下APD/CMOS阵列中单个像元的显微照片[26]

Fig. 5. APD/CMOS prepared by MIT. (a) Micrograph of bridged 32×32 APD/CMOS array; (b) micrograph of individual pixel in APD/CMOS array at high magnification[26]

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2015年,MIT对GM-APD焦平面阵列中的光学串扰进行了表征,指出APD发生雪崩时,热载流子会发射光子,光子触发另一个像元时,会引发光学串扰,且串扰会随像元间距的缩小而增加^[32]。图6(a)为PDE和串扰与过偏压的关系,可以看出串扰会随过偏压的增大而急剧增加,成为制约阵列性能的主要影响因素,导致无法获得更高的PDE。因此消除InP GM-APD阵列中像元间的串扰具有重要的研究意义。MIT还介绍了一种通过与MLA结合并内置光谱滤波器^[33]来减少串扰的方法,如图6(b)所示。MIT所研制的GM-APD阵列已应用于直接探测flash激光雷达、光子计数相干激光雷达^[34]和通信等领域。

图 6. GM-APD的相关参数和横截面示意图。(a) GM-APD的PDE和串扰与过偏压的关系;(b)与MLA结合的InP GM-APD阵列的横截面示意图[33]

Fig. 6. Related parameters and cross-sectional schematic of GM-APD. (a) PDE and crosstalk as functions of over-bias of GM-APD; (b) cross-sectional schematic of InP GM-APD array combined with MLA[33]

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3.2 普林斯顿光波公司(PLI)

PLI继承MIT的技术,并开展了进一步的研发工作。2007年,该公司改进平面结构的背入射InGaAs/InP SPAD^[21],这种结构的高电场区在器件体内,能避免台面结构的侧壁问题,不需要对器件进行大量刻蚀,因此表面缺陷少,从而可以获得较低的暗电流和较高的稳定性。其倍增层厚度和电场分布由Zn扩散决定,必须进行精确控制来获得较高的PDE和较低的DCR。同时报道了该背入射InGaAs/InP SPAD的最佳性能,在温度为200 K时,PDE为45%,DCR低于3 kHz,时间抖动低至30 ps。

2011年Itzler等^[35]对InP GM-APD焦平面阵列研制方面的进展进行了报道。如图7(a)所示,其阵列像元采用背入射平面型结构。GM-APD焦平面阵列主要使用倒接焊的方法,主要结构如图7(b)所示,包括 InGaAs(P)/InP GM-APD阵列、时间计数的硅CMOS的ROIC和MLA。使用高性能光学环氧树脂将 MLA 固定到GM-APD阵列上,固化速度相对较快,并且该过程在消除MLA与APD的位置偏移方面是可靠的。表3为该公司报道的已研制成功的InGaAs(P)/InP GM-APD焦平面阵列的参数对比。

图 7. InP GM-APD焦平面阵列结构示意图。(a) InGaAs(P)/InP GM-APD结构;(b)倒接焊GM-APD焦平面阵列

Fig. 7. Schematic of focal plane array structure of InP GM-APD. (a) Structure of InGaAs(P)/InP GM-APD; (b) reverse welding GM-APD focal plane array

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2015年该公司Jiang等^[18]统计分析并报道了其阵列DCR和后脉冲概率与像元直径的关系,报道结果如表4所示。可以看出,器件直径减小到16 μm时可以大幅减小DCR,器件直径对后脉冲概率影响不大,像元面积与DCR和后脉冲概率并不总成正比。因此单元器件还有优化的余地,且在设计阵列器件时要权衡各项性能参数。

3.3 意大利Cova小组

2014年,意大利Cova小组的Tosi等^[37]通过改进扩散条件来优化器件结构。采用两次扩散形成的平面型正入射InGaAs/InP APD结构,两次扩散包括中心深扩散和同心浅扩散,后者具有更大的半径,能减小有源区边缘电场强度,避免发生边缘击穿。该小组提出,两次扩散半径的差异是影响探测器性能的重要参数,因此需要对其进行适当调整以获得良好的电场均匀性和时间响应。Tosi等^[37]报道的平面型正入射InGaAs/InP APD器件直径为25 μm,在门开时间为几十纳秒的门控模式下,有着非常低的DCR。在工作温度为225 K、过偏压为5 V、PDE为30%时,其DCR为几千赫兹,时间抖动为90 ps^[37]。

2016年,意大利Cova小组的Calandri等^[38]报道了一种通过聚焦离子束刻蚀沟槽来减少光串扰的方法,图8为该实验室人员设计的1×16 InGaAs/InP SPAD线阵,像元直径为25 μm,间距为60 μm。

像元之间的光学串扰有两条光路,一条是直接光路,光子通过InP层到达相邻像元的吸收层。另一条是间接光路,光子通过吸收层,被芯片背面的阴极金属反射并到达相邻像元。在像元之间通过聚焦离子束刻蚀沟槽可以完全抑制直接光路,如图9(a)所示。但是,间接光路并不能得到有效消除,如图9(b)所示^[38]。

3.4 重庆光电技术研究所

2015年重庆光电技术研究所张秀川等^[39]研制的InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列为背照入射平面结构,阵列规格为8×8,像元中心距为150 μm,采用分离吸收渐变电荷倍增的结构,如图10(a)所示。其阵列芯片的优化主要体现在:为抑制像元间串扰,采用ICP刻蚀形成隔离槽,阻断相邻单元光电耦合通路;为增加光填充因子,在芯片背面InP衬底上采用光刻胶热熔法制作微透镜,实现MLA的单片集成。器件经In柱与时间计数型CMOS读出电路倒装互连组成GM-APD FPA,图10(b)为其8×8 InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列实物照片^[39]。在工作温度为235 K,过偏压为3 V条件下,该8×8倒装混合集成的GM雪崩焦平面阵列的DCR均值为32.5 kHz,PDE均值为19.5%,单元时间抖动为465 ps^[39],这能代表目前国内阵列器件的研制水平。

图 8. 1×16 InGaAs/InP SPAD线阵[38]

Fig. 8. 1×16 InGaAs/InP SPAD line array[38]

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图 9. 两个像元之间的光路简图。(a)没有金属沟槽;(b)有金属沟槽[38]

Fig. 9. Schematic of optical path between two pixels. (a) Without metal trenches; (b) with metal trenches[38]

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图 10. InGaAs/InP雪崩光电二极管。(a)结构示意图;(b) 8×8阵列照片[39]

Fig. 10. InGaAs/InP avalanche photodiode. (a) Schematic of structure; (b) photograph of 8×8 array[39]

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3.5 中国科学院半导体研究所

中国科学院半导体研究所开展了InGaAs/InP单光子雪崩光电探测器阵列的研究。近年来致力于改进InGaAs/InP SPAD结构,优化工艺流程,对其进行平衡集成。采用SAGCM结构,直径为50 μm的单管器件在室温、门控重复频率为20 MHz、工作温度为257 K下,PDE为20%,DCR为44 kHz。并成功制备出8×8 InGaAs/InP SPAD阵列,阵列像元中心距为100 μm,尚未与电路集成。初步测试结果显示,该阵列具有良好的击穿电压一致性,均差为0.5 V,偏压为0.9 V时,暗电流小于1 nA,盲元率低至1.5%。

在电路研究方面,华东师范大学^[40]、中国科学技术大学^[41]等单位都有研究,大部分集中在高速门控和应用方面。东南大学吴金研究小组^[42-44]对InGaAs/InP SPAD的集成读出电路方面作了一些研究工作。

表5为对InGaAs/InP SPAD阵列主要研究机构的研究进展进行对比,可以看出,平面型SAGCM因其较高的稳定性成为各机构采用的主要结构。PLI在提高阵列大小,实现商用价值方面具有绝对优势,2015年该公司报道的GM激光雷达传感器是第一个商用机载激光雷达系统,128×32的SPAD阵列是该系统的主要组成部分^[45],2018年被ARGO收购之后更注重雷达在自动驾驶方面的应用;意大利在降低暗计数、提高PDE、改进测试方法等方面作出贡献;我国已有相关产品,阵列器件的研制水平在阵列大小、DCR和PDE等方面,还有待提升。

4 总结与展望

首先给出几种常见的APD及其优缺点,说明近红外波段InP基的InGaAs SPAD可工作于半导体致冷器制冷温度下,具有探测效率高、易于平面集成的优势,具有巨大的应用价值;之后给出InP基的InGaAs SPAD阵列像元及整体的性能参数和影响因素,并给出部分优化方案,为进一步的完善和改进提供了依据;最后综述了近年来国内外几个研究机构在该领域的主要研究成果。随着单元器件的优化和阵列规模的增大,像元间的串扰问题成为制约大规模SPAD探测阵列分辨性能的关键因素。另外,专用集成电路技术和高效的数字读出方式也是SPAD探测阵列发展的重要因素。因此,降低像元间串扰、设计更加先进的专用集成电路、发现更好的探测芯片与集成电路的键合工艺是制造出更大规模、具有更高分辨率SPAD阵列的努力方向。目前,国外相关机构的SPAD探测阵列研究处于领先地位,国内研究水平与国外还存在一定差距。因此,开展SPAD器件及阵列探测技术的研究对提高国内研究水平和推进相关应用具有非常重要的意义。