未来自动驾驶的“眼睛”——InGaAs单光子探测阵列

封面文章|刘凯宝,杨晓红,何婷婷,王晖. InP基近红外单光子雪崩光电探测器阵列[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(22): 220001

自动驾驶发展如火如荼,被认为是改变未来人类生活方式的重要技术之一。自动驾驶存在纯计算机视觉和激光雷达两种不同方案。视觉方案以摄像头为主导感知外界,以智能图形识别作为控制的基础;激光雷达方案则以激光发射和回波光探测为主导,以外界物体的距离和速度图像作为判断和控制的依据。在高级别完全自动驾驶中计算机视觉和激光雷达被认为均是必要的,因而高速视觉计算和高性能激光雷达成为自动驾驶的核心技术。

激光雷达中核心元件是InGaAs单光子雪崩探测阵列,此阵列可可以达到人眼安全、探测距离长、响应速度快、部件可靠性高等性能,满足下一代激光雷达的要求,推动自动驾驶的发展。

InGaAs单光子雪崩探测阵列

雪崩探测器(APD)是一种在高偏压下具有内部电子碰撞电离增益的高灵敏度光电二极管。单光子雪崩探测器(SPAD)是可偏置在雪崩击穿电压之上的盖革模式雪崩光电二极管,具有比普通雪崩二极管增益大几个数量级的灵敏度,可达到单光子探测水平

单光子雪崩探测器增益大、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,所以在众多应用领域具有重要研究价值。

不同材料的单光子探测器的响应波长不同,硅材料的探测范围为可见光到1100nm波长以内的近红外,InGaAs/InP材料的探测范围在300~1650nm。 InGaAs单光子雪崩探测阵列即以InGaAs为吸收材料以InP为倍增材料的工作在雪崩电压之上的超高灵敏度雪崩光电二极管阵列。

下面主要针对对人眼安全、探测距离、响应速度、可靠性等方面讨论基于InGaAs材料的单光子雪崩探测器的优越性和自动驾驶中的必要性, 然后介绍InGaAs阵列器件的结构和研究应用进展。

人眼安全、探测距离、响应时间和可靠性分析

自动驾驶周围环境中人的存在是无法避免的,人眼安全是自动驾驶的首要问题,因此各国均制订了严格的激光人眼安全标准。在目前通常使用的905nm波长激光对人眼的损伤阈值较小,而1550nm的光损伤阈值较大,是905nm的几十倍,即1550nm激光雷达可以采用更高能量的激光脉冲,达到更远的探测距离,使得自动驾驶汽车有更安全的壁障反应时间,而不会伤害人的眼睛。

目前905nm方案中基于硅材料的面阵APD方案前景良好,但是由于硅材料探测器的作用范围为可见光到1100nm波长以内的近红外,这个范围环境光比较强而且人眼安全阈值低,因此在人眼安全的激光功率下作用距离会受限制,目前以低速短距离应用为主。InGaAs探测器可探测包括1550nm波长的近红外探测器,由于1550nm是光纤通信领域的一个重要波段,因而材料体系发展比较完善,晶体质量较高,具备制备高质量SPAD器件的基础。因而InGaAs长波长探测器是后续高级别智能驾驶雷达发展的趋势。

InGaAs/InP SPAD可以工作于高速盖革模式,盖革门控时间可以高达2GHz;同时可以进行高速TOF时间检测,专用的TDC时间数字转换电路大大提高了数据读出的效率,缩短了响应时间,时间分辨可达nS~μs量级,距离分辨率可以达到mm~cm量级,为雷达系统和智能驾驶的点云图像识别提供充裕的计算时间。

InGaAs/InP SPAD阵列芯片基于半导体制作工艺完成,重复性高可靠性好,可进行弱光信号3D成像,无动态部件,是高可靠全固态雷达的关键探测元件。由于SPAD器件探测灵敏度越高,对环境温度的要求也越低,因而半导体电制冷(TEC)会提高成像性能。不制冷情况,暗计数率较高,可通过多次快速重复测试和判断也可以达到适用的探测性能。当TEC必需时,其可靠性对于汽车的应用并没有不可逾越的障碍,鉴于SPAD探测面阵和电路体积极小,其能耗几乎可以忽略,因而TEC集成的InGaAs SPAD器件足够应用于汽车雷达,目前已经有Princeton lightwave(Argo AI)等几家公司以SPAD技术完成长距离雷达探测。

综上,InGaAs单光子探测阵列以其近红外1550nm波长探测、高速高灵敏度盖革模式以及高集成度全固态等特点,符合下一代人眼安全、高速长距离自动驾驶激光雷达的要求,目前看具有其他器件无法超越的优越性。

InGaAs/InP 单光子雪崩探测器及阵列结构

InGaAs/InP APD一般采用分离吸收渐变电荷倍增结构(SAGCM),典型的SAGCM结构和内部电场分布如图1所示。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,可以使倍增区电场足够高从而保证足够高的增益,同时使吸收区电场足够低以减少隧穿电流。由于InP衬底材料禁带较宽,对于1μm波段以上的光是透明的,因此可以设计为背入射结构,不仅可以有效滤除太阳光中较强的可见光部分,还可以为其倒装的阵列化应用打下基础。


图1 SAGCM层叠结构和内部电场分布

单光子探测阵列一般采用共N电极的模式,每一个独立的P电极以倒装的模式与专用读出电路(ROIC)焊接为一体,N面采用阵列微透镜进行光学耦合,以提高阵列的填充因子。代表性的如下图Princeton lightwave公司研制的SPAD阵列。目前 InGaAs SPAD阵列可以达到256X256的大小,各种像元间光学串扰和电学串扰问题逐渐解决,成像清晰度会随着串扰的降低和面阵的增大而进一步提高。


图2 InGaAs/InP单光子探测阵列结构

InGaAs/InP 单光子雪崩探测器阵列应用现状

InGaAs/InP 单光子雪崩探测器阵列芯片最早用于高端军事领域,美国MIT 林肯实验室对专用的盖革单光子雪崩探测器芯片进行了长期详尽的研究,并配备了专用的集成电路,在解决了制约激光雷达的关键器件后完成各种快速高精度的测距成像,波长从最初的532 nm逐渐转到1550 nm的近红外波段,目前已经达到单片256X256的阵列,可提供高分辨率点云图像,识别掩蔽目标。

在近期自动驾驶雷达快速发展之后,各大激光雷达厂家也都将此单光子雪崩探测器器件作为关键技术进行公关,例如为福特开发自动驾驶系统的 Argo AI 收购了名为 Princeton Lightwave 的激光雷达公司,其继承了MIT的技术,以高性能InGaAs 单光子雪崩探测器探测著称。

后起之秀Luminar也收购了Black Forest Engineering,制备独特的 单光子雪崩探测器 ASIC读出电路和近红外焦平面技术,有望为低成本车载LIDAR铺平道路。国内目前有众多的激光雷达公司,正在研制905nm低成本和1550nm高性能固态雷达,但还处于起步阶段。核心的单光子雪崩探测器器件在国内只有少数单位进行研制,包括中科院、中电集团和兵工集团。

中科院半导体所杨晓红团队拥有低暗电流高灵敏度线性雪崩探测器技术,并在单光子雪崩探测器器件性能和阵列像元的隔离方面做了深入研究,获得了制备大面阵高一致性高隔离度单光子雪崩探测器阵列的技术,器件采用SAGCM结构和高成品率制备方案,制备出直径25~100μm的单管器件,门重复频率20MHz,工作温度257K、探测效率为20%时,暗计数为44kHz。成功制备出像元中心距为100μm的背入射平面型单光子雪崩探测器阵列,具有很好的击穿电压一致性,如图3所示,均差在0.5V,0.9Vb偏压时室温暗电流小于1nA,具备了小批量生产的技术积累,正在产品化推进阶段。在外围读出电路方面,可以独立定制适于各种用途和要求的读出电路,灵活度较高。


图3 InGaAs/InP 单光子雪崩探测器阵列的IV一致性测试 

目前国外相关机构的SPAD探测阵列研究处于领先地位,如何降低像元间串扰、设计更加先进的专用集成电路和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。因此,开展SPAD器件及阵列探测技术的研究对推进相关应用具有非常重要的意义。