基于InGaAs纳米线的光电探测器, 由于其优异的性能而受到广泛的关注和研究。综述了InGaAs纳米线光电探测器的探测机理、材料结构、器件性能和当前的研究现状。讨论了InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器结构设计、纳米线材料精密生长、纳米线材料的界面与缺陷控制、纳米线雪崩焦平面器件制备工艺等关键技术。对发展高光子探测效率、低噪声、高增益InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器的前景进行了展望。

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。