碲鎘汞光子計數型線性雪崩探測器

光子計數技術能將光子信號充分放大以克服電子器件的讀出噪聲，利用弱光照射下探測器輸出電信號自然離散的特點，記錄一定時間內探測器輸出的光子數，根據光子計數值推算出被測目標的信息。為了實現極微弱的光探測，各國先后研究了多種不同種類的具有光子探測能力的儀器。固態雪崩光電二極管（APD）是利用內光電效應探測光信號的器件。與真空器件相比，固態器件在響應速度、暗計數、功耗、體積和對磁場敏感性等方面具有明顯的優勢，國外先后開展了基于固態APD光子計數成像技術的研究。

APD器件有蓋革模式（GM）和線性模式（LM）兩種工作模式，目前APD光子計數成像技術主要采用蓋革模式APD器件。蓋革模式APD器件具備單光子級別的高靈敏度、達數十納秒的高速響應速度，可獲得高時間精度。但蓋革模式APD存在探測器死時間、探測效率低、光串音大、空間分辨率不高等問題，很難優化折中高探測率和低虛警率的矛盾。而基于近無噪聲高增益HgCdTe APD器件的光子計數器工作于線性模式，沒有死時間和光串音限制，沒有與蓋革模式相關的后脈沖，不需要淬滅電路，具有超高動態范圍，光譜響應范圍寬且可調，探測效率和誤計數率可獨立優化，開辟了紅外波段光子計數成像的新應用領域，是光子計數器件的重要發展方向，在天文觀測、自由空間通信、主被動成像、條紋跟蹤等方面有廣闊的應用前景。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術物理研究所研究團隊在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“碲鎘汞光子計數型線性雪崩探測器”為主題的文章。該文章第一作者為郭慧君副研究員，主要從事碲鎘汞雪崩探測器和高溫器件的物理機理、設計、制備和表征方面的研究工作；通訊作者為陳路研究員，主要從事分子束外延碲鎘汞材料的結構設計、生長和碲鎘汞器件工藝方面的研究。

論文總結了國外和國內在碲鎘汞光子計數型線性雪崩探測器研究方面的技術路線和研究現狀，分析了吸收倍增分離型（SAM）、平面PIN型和高密度垂直集成型（HDVIP）三種結構的HgCdTe APD器件性能、光子計數能力以及制備優缺點。

HgCdTe APD器件光子計數原理

HgCdTe APD器件基本特性

基于HgCdTe材料的APD器件可覆蓋波長范圍廣，電子和空穴的離化系數差異大（見圖1（a）），在截止波長1.3~11 μm內表現了單載流子倍增機制，近乎無過剩噪聲（相比于Si APD器件的過剩噪聲因子FSi~2-3，III-V族器件FIII-V~4-5（見圖1（b）），使得器件信噪比隨增益增加幾乎不發生衰退，是比較理想的雪崩紅外探測器。

圖1 （a）碲鎘汞材料碰撞電離系數比與Cd組分x的關系；（b）不同材料體系的APD器件的過剩噪聲因子F對比

表1比較了蓋革模式（GM）和線性模式（LM）的光子計數技術。兩者都能探測單光子事件，但是線性模式可以確定每個脈沖返回的光子數量，動態范圍可以是幾百到上千。另一個關鍵的區別是，蓋革雪崩器件能產生幾十萬上百萬的倍增載流子實現高的增益，而線性雪崩器件只需要100~200的增益。蓋革雪崩擊穿一旦觸發，除非淬滅，否則雪崩將一直持續。淬滅雪崩的時間為死時間，在死時間內，蓋革雪崩器件不能探測信號光子。蓋革雪崩器件的另一個問題是光學串擾。線性雪崩器件沒有持續的雪崩發生，雪崩的自然猝滅時間不到1 ns，因此，沒有后脈沖或輻射復合引起的光學串擾，可以實現脈沖間隔1 ns的時間分辨率。

表1 線性模式和蓋革模式技術比較

光電探測器接收單個光子后會激發出光電子脈沖，光子計數技術即是通過分辨這些光子激發脈沖，把光信號從熱噪聲中以數字化方式提取出來的一種新技術。由于微光信號在時間域上表現的較為分散，因此探測器輸出的電信號也是自然而離散的。根據微弱光的這一特點，通常采用脈沖放大，脈沖甄別以及數字計數技術來對極弱光進行探測?，F代光子計數技術具有信噪比高、區分度高、測量精度高、抗漂移性好、時間穩定性好等諸多優點，并且可以將數據以數字信號的形式輸出給計算機進行后續的分析處理，這是其他探測方法所不能比擬的。

目前，光子計數系統在工業測量領域以及微光探測領域有了廣泛的應用，例如非線性光學、分子生物學、超高分辨率光譜學、天文測光、大氣測污等，都與微弱光號的采集檢測有關。圖2為光子計數系統的結構圖，可以看出系統主要由光電探測器、前置放大器、脈沖幅度甄別器和計數器這四個部分組成。

圖2 光子計數系統原理框圖

國外機構研究進展

國際上對HgCdTe APD的研究開始于20世紀70年代末，主要集中在美、英、法、德等國，已經形成了各自的特點和研究成果，并實現了一定的產品化。主要有美國的雷神公司（Raytheon）和DRS技術公司、法國 的CEA/LETI實驗室和Lynred公司（前身為Sofradir公司）、英國的Leonardo公司（前身為Selex公司）、德國 AIM公司等致力于線性模式HgCdTe APD焦平面的研發。其中，美國雷神公司和DRS公司、法國CEA/LETI實驗室和Lynred公司和英國的Leonardo公司先后開展了HgCdTe APD器件的光子計數探測應用研究。

美國雷神公司（Raytheon）

HgCdTe APD器件技術路線

雷神公司在碲鋅鎘（CdZnTe）襯底上采用分子束外延（MBE）技術生長多層異質結的HgCdTe APD結構，即吸收區和倍增區分離（SAM）的結構，如圖3（a）所示。該結構一般為臺面結構，它的吸收區用于吸收光子而產生光生載流子，光生載流子在電場作用下進入倍增區發生碰撞電離，吸收層為N型層，倍增層Cd組分為0.73，是利用空穴電離諧振引發雪崩增益的短波器件，如圖3（b）所示。SAM結構的優點在于可設計各層材料的組分、厚度、濃度等參數以獲得高增益、高量子效率和低過剩噪聲；缺點是多層結構的設計和材料生長是一項工作量極大的任務，工藝復雜性高。

圖3 （a）SAM型HgCdTe APD器件結構示意圖；（b）分子束外延生長的SAM型HgCdTe APD外延結構

HgCdTe APD器件光子計數性能

為解決遠距離（百萬米距離）探測和衛星跟蹤的信號脈沖衰減嚴重的問題，雷神公司2007年開發了具有單光子探測能力的4×4陣列規模的HgCdTe APD器件（見圖4），讀出電路帶寬達1~3 GHz，在增益50~200時輸出信號，實現了近無噪聲的單光子探測。如圖5所示，在每脈沖的平均照明強度為1個光子時，器件能探測分辨出0、1和2個光子（見圖5（a）），分辨單光子的兩個脈沖間隔時間小于6 ns（見圖5（b））。2010年，通過進一步優化電路，限制熱載流子發出的輝光，實現了信噪比大于10，探測率大于95%，虛警率小于1%，性能指標見表2，并將開發256×256陣列規模的HgCdTe APD光子計數器件。

圖4 4×4陣列規模的HgCdTe APD光子計數芯片組件

圖5 （a）平均照明強度為1個光子，多次采集顯示探測出0、1和2個光子；（b）獲得小于6 ns的緊密雙脈沖間隔時間的單光子，且觀察不到后脈沖

表2 4×4陣列規模的HgCdTe APD光子計數組件性能

美國DRS公司

HgCdTe APD器件技術路線

DRS技術公司基于早期的N/P環孔器件結構開發出了高密度垂直集成器件（HDVIP）結構，成功研制出高性能的HgCdTe e-APD器件，其結構示意圖如圖6所示。這種結構的器件大多采用IB族摻雜的P型材料，通過刻蝕工藝形成通孔用于芯片和讀出電路間的連接，刻蝕或注入形成的Hg填隙向內部擴散過程中，P型摻雜由于knock-out效應會一起遷移，有助于低摻雜的N?區的形成。因此，HDVIP的單元結構是橫向的N?-N?-P結，與平面PIN型APD有很大的相似之處。這種結構的優點在于：

（1）器件上下表面都進行了CdTe鈍化，并進行了互擴散退火工藝，有效降低1/f噪聲；

（2）器件的電流信號通過刻蝕后的N區和Si讀出電路的電極直接相連，不需要通過In柱進行互聯，因此器件的熱循環穩定性得到很大提高，并且與像元尺寸及面陣大小無關；

（3）其結構的取向使得PN結界面與外延材料中的穿越位錯接近平行，有效降低了從PN結中穿越的位錯密度，這有助于器件漏電流的減??；

（4）HDVIP為正入射器件，有利于探測率D*、量子效率和調制傳遞函數MTF的提高；

（5）外延材料的襯底全部去除后，襯底與讀出電路間的熱失配問題可以得到解決。但制備技術比較復雜，難度高，尤其是需要完整去除碲鋅鎘襯底，同時不對碲鎘汞薄膜造成損傷，因此限制了該技術方案的應用。

圖6 HDVIP型HgCdTe APD結構截面圖和俯視圖

HgCdTe APD器件光子計數性能

2011年，DRS首次報道了2010年研制的2×8陣列規模的中波HgCdTe APD光子計數器件（見圖7），器件光譜響應范圍從可見光到中波紅外，為0.4~4.3 μm，是響應光譜最寬的光子計數器件，過剩噪聲接近于1，在增益500~1000之間可以穩定探測光子；13 V偏壓下，增益為500，暗電流約1 pA，暗計數率低于20 kHz；光子脈沖信噪比為13.7，實現了單光子探測；光背景限制的光子探測假事件率（FER）為1 MHz時，光子探測效率為50%，分辨單光子的兩個脈沖間隔時間小于10 ns。

此處的假事件率是指與目標信號無關的任何光子探測，是在沒有任何有意的光子通量入射到探測器時測量的值，杜瓦光泄露、熱背景、暗電流和讀出電路的輝光都會影響假事件率的值。相對于短波HgCdTe APD器件，中波HgCdTe APD有幾個重要的優點：（1）增益大于1000時，產生復合和擴散暗電流可以忽略不計；（2）實現所需雪崩增益的APD偏置電壓要低得多，簡化了讀出電路的設計，大大提高了APD的可靠性；（3）能夠在更寬的光譜范圍內檢測光子，具有高且幾乎均勻的量子效率。

為了進一步提升光子探測效率和降低光子探測假事件率，DRS于2013年改善了設計和工藝條件，獲得了性能更好的兩款器件A8237-8-2和A8237-14-1，器件性能對比見表3。相對于2010年的器件，光子探測效率提升至60%以上，增益可達到1 900，假事件率降至150 kHz。并于2018年研發了應用于空間雷達的單光子計數HgCdTe APD組件，在0.9~4.3 μm間光子探測效率大于60%，暗計數率低于250 kHz。2022年，通過進一步優化電路，降低了電路輝光誘導的暗計數，假事件率降至35 kHz，并研制了4×4、2×30、7×8陣列規模的光子計數器件，4×4陣列器件的平均增益可達6100。

表3 2010年與2013年研制的2×8線列的HgCdTe APD光子計數陣列性能對比

采用2013年研發的2×8陣列規模的光子計數器件，DRS于2016報道了HgCdTe APD器件在自由空間通信上的應用性能，器件搭載CubeSat衛星進行了通信驗證，在1550 nm激光波段可實現50 Mbps的數據傳輸，通過高通濾光片和多像素陣列組合，在8×10??的誤碼率下可實現110 Mbps的數據傳輸。

法國CEA/LETI實驗室和Lynred公司

HgCdTe APD器件技術路線

法國CEA/LETI實驗室和Lynred公司（前身為Sofradir公司）采用平面PIN型結構制備HgCdTe e-APD器件，結構示意圖如圖8所示。這種結構是在普通PN結器件中間加入一個本征層I，人為地增大空間電荷區的寬度，用于載流子的雪崩倍增。不過，由于本征型和淺摻的P-型的HgCdTe很難獲得，實際中一般用淺摻的N-型代替。

這種結構的優點在于工藝簡單成熟、步驟簡單、成品率高和N?-N?-P結可控性好。其缺點也是所有平面N-on-P器件存在的問題，其產生復合電流和漏電流的水平都會比P-on-N器件大；另外器件的占空比無法繼續提升，當焦平面器件往更小像元、更高密度的方向發展時，由于非平衡載流子的橫向擴展或者表面漏電的原因會使得平面結器件的電學串音隨之增加。

圖8 平面PIN型HgCdTe APD結構示意圖

HgCdTe APD器件光子計數性能

CEA/LETI實驗室和Sofradir公司于2010年報道了應用于低光通量和光子計數的HgCdTe APD器件，Cd組分為0.3~0.41，器件增益如圖9所示，短波和中波器件典型性能見表4，最大增益帶寬積達2.1 THz，脈沖響應時間幾乎不隨增益變化。圖10展示了探測到1個光子和2個光子時的概率分布以及倍增層中均勻分布的暗電流。從圖可知，探測到1個光子事件和探測到2個光子事件的概率分布被很好的分離開了。因而，HgCdTe e-APD探測器可以分辨出1個光子或者2個光子探測事件，可實現比例光子計數。受殘余熱光子限制，中波器件的暗計數率（DCR）約為1 MHz；受隧穿暗電流噪聲限制，短波器件高增益下的DCR為100 kHz；器件的內光子探測效率（PDE）可達90%。

圖9 截止波長2.9~5.3 μm、80 K的HgCdTe e-APD器件的增益曲線

表4 短波和中波紅外HgCdTe APD器件在80 K時的典型性能

圖10 探測到1個光子事件和2個光子事件時的概率分布和倍增層均勻分布的暗電流

2015年，法國CEA/LETI公司報道了80~200 μm的大面積單元器件，器件帶寬在20~100 MHz之間，噪聲等效功率NEP為20~70 fW/Hz，成功進行了月球激光通信演示，在環月球運行的LADEE太空船和位于特內里費（Teneriffe）的ESAs光學地面站之間可以實現80 Mbps的數據傳輸。通過結構優化，設計了吸收區組分梯度（見圖11），在增益100時，芯片帶寬達到80 K下4 GHz和273 K下3 GHz。于2021年實現300 K下增益為1時帶寬達10 GHz、更大增益時帶寬達3 GHz，并應用于大動態范圍空間激光雷達，其指標要求見表5，實現了GHz單光子探測速率。

圖11 HgCdTe APD快速響應器件結構示意圖：吸收區和倍增區分離、變化吸收區組分

表5 應用于空間激光雷達HgCdTe APD器件性能指標

HgCdTe APD器件技術路線

英國Leonardo公司開發了金屬有機氣相外延（MOVPE）生長Hg-CdTe薄膜技術，采用低成本化的GaAs襯底，制備了中心距為24 μm的異質結HgCdTe APD 320×256陣列器件，命名為Selex Avalanche PhotodiodeHgCdTe In-frared Array（SAPHIRA），器件結構圖和能帶結構圖如圖12所示。器件結構包含吸收區、倍增區和兩者之間的緩沖層。吸收區的截止波長為2.5 μm，倍增區的截止波長為3.5 μm，倍增區采用窄帶隙可有效提高增益，吸收區和倍增區之間的緩沖層為HgTe和CdTe，用以減少陷阱輔助隧穿電流（TAT）和陷阱相關的熱電流，以及減緩GaAs襯底引起的晶格失配。采用MOVPE外延異質結HgCdTe APD器件的優點在于能大尺寸批量生產，成本低；缺點在于位錯密度難以降低，制備的APD器件受吸收層中陷阱載流子限制，響應時間較慢，帶寬限制在kHz范圍。

圖12 MOVPE異質結HgCdTe APD器件（a）陣列結構和（b）能帶結構

HgCdTe APD器件光子計數性能

Leonardo公司2018年報道了SAPHIRA器件的光子計數性能，器件能夠探測到單個光子，但吸收了兩個或多個光子，在一次讀取中是不能分辨的；器件的單光子探測率大于90%，時間分辨率為125 μs，暗電流為21 e?·s?1·pixel?1，對應暗計數率為21 Hz/pixel。器件具備近紅外光子計數能力，并應用于天文探測，探測器性能將進一步優化。

法國First Light Imaging公司2016年基于SA-PHIRA 320×256HgCdTe APD短波器件，研發出了C-RED ONE相機（見圖13），在3500幀頻下，讀出噪聲小于一個電子，過剩噪聲因子小于1.25，有效像元率達99.3%，可應用于自適應光學、空間碎片跟蹤和條紋跟蹤等天文應用，并成功應用于美國天文探測的密歇根紅外組合器（MIRC）（見圖14），將MIRC的系統噪聲降低了10~30倍，大大提高了條紋探測的信噪比，C-RED ONE相機性能見表6。這也極大促進了HgCdTe APD器件產品化和商業化進程。

表6 C-RED ONE相機性能

國內研究進展

國內對HgCdTe APD器件的研究開始于2010年左右，研究機構主要有中國科學院上海技術物理研究所（ITP）、昆明物理研究所（KIP）和華北光電技術研究所，主要集中在平面PIN結的中波HgCdTe APD器件的研究，近五六年在HgCdTe APD器件的研制上取得了一定進展，但未形成光子計數應用的能力。

中國科學院上海技術物理研究所采用液相外延（LPE）生長的中波碲鎘汞材料，制備了平面PIN結構單元器件和中心距為50 μm的128×128陣列中波HgCdTe APD焦平面器件，單元器件增益可達1000以上，焦平面器件性能如圖15（a）~（c）所示，在反偏?10 V下器件增益達到728，反偏?8 V以下增益歸一化暗電流密度GNDCD<1×10?? A/cm2，過剩噪聲因子F<1.5@增益M<400，噪聲等效光子數NEPh約為12@增益M=133，與DRS的GNDCD~1×10?? A/cm2水平下的NEPh相當。設計了帶寬結構的單元器件，通過減薄P區厚度，實現了器件帶寬從30~60 MHz提升至300~600 MHz，如圖15（d）所示。此外，還制備了中心距30 μm的320×256陣列的中波HgCdTe APD焦平面器件，對焦平面器件進行了成像演示，表明HgCdTe APD器件適合應用短積分快速成像。

圖15 80 K下中波紅外HgCdTe APD的性能。

（a）光電流、暗電流和增益；（b）過剩噪聲因子F隨增益M的變化；（c）噪聲等效光子數（NEPh）與DRS HgCdTe APD的NEPh對比；（d）帶寬

昆明物理研究所采用LPE生長的中波碲鎘汞材料，通過B離子注入N-on-P平面結技術制備了單元器件和規模為256×256、像元中心距為30 μm的碲鎘汞APD焦平面探測器芯片。單元器件的增益可達1000以上。焦平面芯片在?8.5 V反偏下平均增益達到166.8，增益非均勻性為3.33%；在0~?8.5 V反向偏置下，APD器件增益歸一化暗電流為9.0×10?1?~1.6×10?13 A，過噪因子F介于1.0~1.5之間。對碲鎘汞APD焦平面進行了成像演示，并獲得了較好的成像效果，如圖16所示。

圖16 20 μs積分時間下不同增益狀態碲鎘汞APD焦平面成像演示。（a）M=1；（b）M=19

表7對比了不同研究機構的光子計數HgCdTe APD器件的性能。相比于國際先進水平，國內碲鎘汞雪崩器件的暗電流要高出一兩個量級，其中一個原因是抑制器件表面漏電的表面鈍化工藝需要進一步完善。國內碲鎘汞雪崩器件集成時間計數信號的高速讀出電路尚處于研制當中，未見主被動雙模成像報道?？傮w上，國內雪崩器件的制備技術及其讀出電路技術落后國際先進水平10來年。

表7 不同研究機構的光子計數HgCdTe APD器件性能

結束語

碲鎘汞雪崩探測器幾乎無過剩噪聲，隨著增益增加，信噪比不發生衰減，沒有蓋革雪崩器件相關的死時間和后脈沖限制，非常適合應用于光子計數，是未來光子計數器件的重要發展方向。文中介紹了線性模式相對于蓋革模式光子計數的優勢，總結了美國雷神和DRS公司、法國CEA/LETI實驗室和Lynred公司、以及英國Leonardo公司的HgCdTe APD器件在光子計數應用方面的技術路徑和發展現狀。各公司根據自身技術水平選擇了不同的技術路線，并且根據結構需要選擇不同的制備技術生長碲鎘汞材料，成功制備了高性能線性雪崩器件并實現了單光子探測，將應用于天文探測、空間雷達、自由空間通信、條紋跟蹤等方面。

國內碲鎘汞雪崩探測器研究起步比較晚，雖然在HgCdTe APD單元器件和焦平面研制上取得了一定的進展，但與國際先進水平仍存在一定差距，在光子計數應用方面未見到有關的進展情況。目前國內主要是研制平面PIN結構的HgCdTe APD器件，技術路徑與法國CEA/LETI實驗室相近。因而，我國可借鑒CEA/LETI實驗室成功經驗和Lynred公司的運營模式，持續推進HgCdTe APD器件的研究，以早日達到國際先進水平，實現單光子探測和光子計數應用。

審核編輯：劉清