撰稿人：崔大健
单位：重庆光电技术研究所
崔大健, 敖天宏, 奚水清, 张承, 高若尧, 袁俊翔, 雷勇. InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(3): 20230016. doi: 10.3788/IRLA20230016
雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中，盖革APD的工作电压高于击穿电压，利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测，也被称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。具有直接带隙、离化系数比大和与 InP 相匹配晶格常数等特点的In0.53Ga0.47As，是目前近红外波段性能最优的红外探测器材料。即InGaAs/InP SPAD为1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。InGaAs单光子雪崩焦平面基于阵列化技术，将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装，可对光子信号进行时间量化，具有高灵敏、高精度、小体积、全固态的特点，在激光三维成像、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域应用广泛。本文将介绍InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理，在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展，并对未来发展方向进行展望。
单光子探测器是一种可实现单光子级信号探测的高灵敏度器件。在众多类型器件中，相较于暗计数大、器件尺寸较大的光电倍增管和具大体积制冷装置、难以阵列化的超导单光子探测器，体积小、易于集成阵列化的单光子雪崩光电二极管表现出高速度、高灵敏度和高量子效率的优势。现阶段技术相对成熟的是Si材料SPAD和InGaAs材料SPAD。InGaAs单光子雪崩焦平面在20世纪90年代后期由美国麻省理工学院林肯实验室率先开始研究，国外研制机构包括Princeton Lightwave（后被Argo AI收购）、Boeing Spectrolab、Ball Aerospace等。2002年至今，国外陆续报道了32×32、128×32以及256×64等不同规格InGaAs雪崩焦平面探测器，并应用在Jigsaw、ALIRT、HALOE、MACHEET、AOSTB等验证样机中，实现了机载隐身目标三维成像、机载高精度地形测绘等应用，扫描速度可达1000 km2/h，相比传统基于线性APD成像系统，其速度提高了10倍以上，在降低系统质量、功耗、体积上优势明显。国内近几年发展也较为迅速，研究机构包括重庆光电技术研究所、西南技术物理研究所和中国科学院上海技术物理研究所等单位。2016年，哈尔滨工业大学孙剑锋团队与重庆光电技术研究所合作，基于32×32 InGaAs单光子雪崩焦平面搭建了一套1570 nm激光主动成像实验平台，获得了3.9 km目标轮廓像。2020年，华东电子工程研究所葛鹏团队通过建立目标反射率与距离的极大似然估计，采用国内面阵单光子探测器对室外600 m外目标进行了成像。由于InGaAs材料SPAD在0.9-1.7 μm光谱范围内有高量子效率，发展基于InGaAs SAPD阵列与CMOS计时/计数读出电路芯片集成的红外高速、低噪声焦平面器件，可广泛用于1.06 μm和1.55 μm波长的激光三维成像、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域，是近年来单光子探测领域的研究热点。InGaAs单光子雪崩焦平面结构示意图如图1所示。InGaAs SPAD阵列芯片和CMOS读出电路经铟柱倒装互连，并与微透镜进行耦合。芯片贴装在陶瓷基板上，TEC制冷器对芯片进行制冷，降低芯片温度。而管壳与阵列芯片通过金丝进行电连接。入射光子经芯片汇聚到吸收层有源区，被吸收后转化成电子-空穴对，载流子在内部电场作用下迁移到倍增层。由于InGaAs SPAD阵列芯片工作在击穿电压之上的过偏压盖革模式下，倍增层高电场促使载流子在倍增层迅速碰撞离化引发雪崩，产生宏观电流并传输到CMOS读出电路。CMOS读出电路提供像素级电接口，对单像素产生的雪崩电流进行检测并淬灭，输出经时间量化的信号。微透镜通过高精度对准连接到背照式SPAD阵列芯片，确保高填充因子。InGaAs单光子雪崩焦平面的核心是SPAD阵列芯片和CMOS读出电路芯片，直接决定了器件的性能。
SPAD阵列芯片的研究进展包括扩大阵列规模与缩小中心距、串扰抑制、提高探测效率与降低暗计数等方面。SPAD阵列芯片的阵列规模和中心间距决定了器件的空间分辨率。早期通过环氧树脂面对面贴合方式，电连接单个CMOS读出电路芯片与SPAD晶圆，其缺点为占用面积较大。进一步的，通过器件结构优化和采用铟柱互连的方式，可将器件像元间距减小到50 μm，如图2(a)所示。国内方面，重庆光电技术研究所研制的64×64 InGaAs单光子雪崩焦平面如图2(b)所示，目前已成功扩展到256×64，性能参数如表1所示。
图2 64×64 InGaAs单光子雪崩焦平面的(a)器件图和(b)组件图
表1 InGaAs单光子雪崩焦平面参数
对于具高增益特性的SPAD大阵列器件，邻近像元产生的极少量光子或漂移电流是产生串扰并影响成像质量的重要因素。减少串扰的有效方式包括：采用平面隔离沟道法、设置光谱滤波层和空间滤波层法、结合衬底移除的像元隔离技术。其中像元隔离技术，可应用于制造雪崩焦平面器件，保证高探测效率和有效抑制阵列像素串扰。探测效率与暗计数是反应器件正确检测光子能力的参数。探测效率的大小可以通过建立的数学模型优化SPAD器件结构中各材料层参数来提高。暗计数的大小则需通过提高外延材料质量的方法来降低。
InGaAs 单光子雪崩焦平面探测器具有不同的应用方向，如3D激光雷达、超远距离激光通信、稀疏光子成像等，因此CMOS读出电路也有不同的应用方案。由SPAD阵列芯片实现探测激光回波的快闪型激光雷达系统适合需要精确量化“光子飞行时间”的应用。目前，用于SPAD阵列芯片的CMOS读出电路主流工艺节点为180 nm，具有低功耗、高时间分辨率和高帧频特点。采用大阵列 InGaAs单光子雪崩焦平面的激光雷达系统可实现1000~2500 m高程差的广域地形测绘和快速成像，其分辨率可达10 cm级（图3）。
图3 美国大峡谷的激光雷达成像图
具有小体积、捕获跟踪通信一体化的高灵敏度InGaAs单光子雪崩焦平面，同样可作为超远距离激光通信链路的接收机。目前，为满足光通信应用中比激光雷达更短的读出时间和更大数据量的要求，需要采用异步读出电路体系结构。异步读出InGaAs单光子雪崩焦平面已实现月球轨道与地面的双向激光通信链路（图4），且最高上行传输速率可达到百Mbps。高探测效率和低暗计数率的雪崩焦平面还可用于统计到达每个像素上的光子个数。为满足计数功能要求，采用带计数器的读出电路方案包括计数溢出位、多统计时间数据叠加等。
图4 激光通信系统及接收链路示意图
作为一种高灵敏度、高时间分辨率探测器，InGaAs单光子雪崩焦平面在激光三维成像、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域已成功应用。但是，对于未来新应用场景，要求InGaAs单光子雪崩焦平面朝着更大规模、更小像素、更高性能和更多功能的方向发展。（1）SPAD阵列芯片方面：未来InGaAs单光子雪崩焦平面的阵列规模会达到1k×1k以上；出现新型器件结构，如纳米SPAD结构、集成负反馈电阻结构（NFAD）、瞬态载流子势垒层（TCB）自淬灭结构、集成微谐振腔结构等；集成新型微透镜，如超透镜、自由曲面透镜等。（2）读出电路方面：由于浅制冷工作环境和读出电路本身的特点，CMOS读出电路在向大阵列、小像素、多功能的方向发展的同时，还需要解决动态功耗问题、深亚微米工艺的偏置电压问题、总输出带宽等问题。InGaAs单光子雪崩焦平面由于其优异的性能，在激光三维成像、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域应用广泛，并将在未来继续扩大其应用范围。
崔大健，男，正高级工程师，从事InGaAs单光子雪崩焦平面技术研究及产品开发。Email: cuidj@cetccq.com.cn
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