单光子探测器能够探测极微弱光信号, 具有较高的灵敏度, 在民用和**领域都有广泛的应用。近年来, 随着科学技术的飞速发展, 在传统光电探测器件不断优化和改进的同时, 其它新型光电探测器件也得到了极大发展且取得了重要技术成果。为深入了解单光子探测器的技术发展现状和趋势, 总结了目前具有代表性的单光子探测器在研究现状、技术难点和最新技术突破等方面的关键信息, 分析了光电倍增管和雪崩光电二极管等传统单光子探测器的优势与不足以及之后的技术发展方向, 同时还介绍了超导纳米线单光子探测器和基于新型2维材料的雪崩光电二极管等几类具有良好光电性能和巨大发展潜力的新型单光子探测器, 并对其发展前景进行了展望。

基于锑化物Ⅱ类超晶格结构的中远红外探测器, 由于其优异的性能而受到广泛的关注和研究。综述了锑化物Ⅱ类超晶格中远红外探测器的探测机理、材料结构、器件性能和当前的应用情况, 介绍了其在中远红外雪崩光电探测器领域的研究现状。锑化物Ⅱ类超晶格探测器的部分性能指标已接近、甚至超过了碲镉汞探测器, 并在部分红外装备上得到了应用。而基于锑化物Ⅱ类超晶格的雪崩光电探测器件在中远红外弱光探测领域尚处于起步阶段, 与碲镉汞探测器相比还有很大差距, 但同时也呈现出了巨大的发展潜力。

针对900~1 700 nm波长无扫描激光三维成像雷达的需求, 研制了一种规模为64×64的线性模式雪崩焦平面阵列(LM-APD-FPA), 它由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与CMOS专用读出电路(ASIC)组成。该器件采用飞行时间(TOF)测距的方式工作, APD光敏芯片将脉冲激光信号转化成脉冲光电流, 读出电路对其进行放大、阈值比较后实现激光探测并在每个单元获取光脉冲的飞行时间, 将其转化成二进制编码信号后串行输出。测试结果表明, 64×64 LM-APD-FPA有效像元最小可探测光功率值约为400 nW, 时间分辨率为1 ns。用该探测器在激光雷达系统上实现了无扫描单脉冲激光三维成像, 表明了线性模式激光焦平面探测器可用于激光三维成像领域。

通过对InGaAsP/InP 单光子雪崩二极管(SPAD)的探测效率、暗计数率等基本特性与该器件的禁带宽度、电场分布、雪崩长度、工作温度等参数之间关系的分析, 采用比通常的InxGaAs(x=0.53)材料具有更宽带隙的InxGa1-xAsyP1-y(x=0.78, y=0.47)材料作为光吸收层, 并且精确控制InP倍增层的雪崩长度, 有效地降低了SPAD的暗计数率。其中InGaAsP材料与InP材料晶格匹配良好, 可在InP衬底上外延生长高质量的InGaAsP/InP异质结, InGaAsP材料的带隙为Eg=1.03 eV, 截止波长为1.2 μm, 可满足1.06 μm单光子探测需要。同时, 通过设计并研制出1.06 μm InGaAsP/InP SPAD, 对其特性参数进行测试, 结果表明, 当工作温度为270 K时, 探测效率20%下的暗计数率约20 kHz。因此基于时间相关单光子计数技术的该器件可在主动淬灭模式下用于随机到达的光子探测。

重点研究了多级倍增超晶格InGaAs雪崩光电二级管(APD)的增益和过剩噪声, 建立了新的载流子增益-过剩噪声模型。在常规弛豫空间理论基础上分析了其工作原理, 考虑了预加热电场和能带阶跃带来的初始能量效应、电子进入高场倍增区时异质结边界附近的弛豫空间长度修正以及声子散射对碰撞离化系数的影响, 提出了用于指导该类APD的增益-过剩噪声计算的修正弛豫空间理论。结果表明: 在相同条件下, 相比于常规的单层倍增SAGCM结构, 多级倍增超晶格InGaAs APD同时具有更高增益和更低噪声, 且修正的弛豫空间理论可被推广到更多级倍增的超晶格InGaAs APD结构, 在保证低噪声前提下, 通过增加倍增级数可提高增益。

重点研究了InGaAs/InP SPAD的隧道贯穿电场、雪崩击穿电场、雪崩宽度与过偏电压的关系，提出了过偏电压的计算方法。分析了InGaAs/InP SPAD的基本特性即探测效率、暗计数率与其过偏电压、工作温度、量子效率、电场分布的依赖关系，提出了一种单光子InGaAs雪崩二极管的设计方法。设计制作了InGaAs/InP SPAD，并在门控淬灭模式下进行了单光子探测实验。结果表明：对于Φ200 μm的SPAD，在过偏2 V、温度-40 ℃条件下，探测效率(PDE)＞20%(1 550 nm)、暗计数率(DCR)Φ20 kHz；对于Φ50 μm的SPAD，在过偏2.5 V、温度-40 ℃条件下，探测效率(PDE)＞23%(1 550 nm)、暗计数率(DCR)2 kHz。最后对实验结果进行了分析和讨论。

We fabricate an ultraviolet photodetector based on a blend of poly (N-vinylcarbazole) (PVK) and 2-tert-butylphenyl-5-biphenyl-1,3, 4-oxadiazole (PBD) using spin coating. The device exhibites a low dark current density of 2.2 \times 10?3 \muA/cm2 at zero bias. The spectral response of the device shows a narrow bandpass characteristic from 300 to 355 nm, and the peak response is 18.6 mA/W located at 334 nm with a bias of –1 V. We also study the performances of photodetectors with different blend layer thicknesses. The largest photocurrent density is obtained with a blend of 90 nm at the same voltage.