撰稿人：郭慧君
单位：中国科学院上海技术物理研究所
郭慧君, 陈路, 杨辽, 沈川, 谢浩, 林春, 丁瑞军, 何力. 碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(3): 20230036. doi: 10.3788/IRLA20230036
单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大应用前景。自从二十世纪七十年代可见光的光子计数系统研发以来，国际上领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术，充分放大光子信号，以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件（electron multiplying charge coupled devices, EMCCDs）具有更高的量子效率，可替代传统的可见光光子计数系统，但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件（HgCdTe APD）的过剩噪声因子接近1，几乎无过剩噪声；相对于盖革模式雪崩器件，没有死时间和后脉冲，不需要淬灭电路，具有超高动态范围，光谱响应范围宽且可调，探测效率和误计数率可独立优化，开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域，在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神（Raytheon）公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。本文总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状，分析了吸收倍增分离型（Separation of Absorption and Magnification, SAM）、平面PIN型和高密度垂直集成型（High Density Vertically Integrated Photodiode, HDVIP）三种结构的HgCdTe APD器件性能、光子计数能力以及制备优缺点。并基于国内HgCdTe APD器件的发展现状，展望了国内碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器的发展路线。
光子计数技术能将光子信号充分放大以克服电子器件的读出噪声，利用弱光照射下探测器输出电信号自然离散的特点，记录一定时间内探测器输出的光子数，根据光子计数值推算出被测目标的信息。为了实现极微弱光探测，各国先后研究了多种不同种类的具有光子探测能力的仪器。早期的光子计数成像系统（Intensified photon counting systems, IPCS）于20世纪70年代由英国率先研制，是将四级级联磁聚焦像增强器通过光导摄像管电视摄像机与光学系统耦合而成。随后在80年代英国采用微通道板（Micro-channel plate, MCP）像增强器作为核心探测器构建出新型光子计数成像系统（MCP intensified CCD, MIC）。同一时期，日本滨松公司以三级微通道板像增强器作为光子计数成像头，成功研制出与四象限光子位敏传感器组合而成的光子计数图像采集系统(Photon-counting image acquisition system, PIAS)。80年代后期,美国开发了一种基于新型多阳极微通道板阵列(Multi-Anode Microchannel Array, MAMA)的光子计数成像系统，该系统尺寸小、功耗低、可靠性高，非常适用于空间技术研究，但量子效率低、光谱适应范围较窄，主要工作在紫外和可见光波段，对红外光谱响应较低。在总结了早期微弱光环境下单光子成像技术的优缺点基础上，2001年由Andor Technology Ltd公司首先将片上增益的电子倍增电荷耦合器件(electron multiplying charge coupled devices，EMCCD)用于iXon系列高端超高灵敏度相机上。虽然EMCCD具有体积小、量子效率高、增益可达1000倍以上等优势,但EMCCD在对信号增强的同时也放大了暗电流噪声，其暗电流噪声水平对探测灵敏度及信噪比影响较大。固态雪崩光电二极管(Avalanche photodiode，APD)是利用内光电效应探测光信号的器件。与真空器件相比，固态器件在响应速度、暗计数、功耗、体积和对磁场敏感性等方面具有明显的优势，国外先后开展了基于固态APD光子计数成像技术的研究。APD器件有盖革模式（Geiger mode，GM）和线性模式（Linear Mode， LM）两种工作模式，目前APD光子计数成像技术主要采用盖革模式APD器件。盖革模式APD器件具备单光子级别的高灵敏度、达数十纳秒的高速响应速度，可以获得高时间精度。但盖革模式APD存在探测器死时间、探测效率低、光串音大、空间分辨率不高等问题，很难优化折中高探测率和低虚警率的矛盾。而基于近无噪声高增益HgCdTe APD器件的光子计数器工作于线性模式，没有死时间和光串音限制，没有与盖革模式相关的后脉冲，不需要淬灭电路，具有超高动态范围，光谱响应范围宽且可调，探测效率和误计数率可独立优化，开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域，是光子计数器件的重要发展方向，在天文观测、自由空间通信、主被动成像、条纹跟踪等方面有广阔的应用前景。
图1（a）碲镉汞材料碰撞电离系数比与组分x的关系，（b）不同材料体系的APD器件的过剩噪声因子对比
光电探测器接收单个光子后会激发出光电子脉冲，光子计数技术即是通过分辨这些光子激发脉冲，把光信号从热噪声中以数字化方式提取出来的一种新技术。由于微光信号在时间域上表现的较为分散，因此探测器输出的电信号也是自然而离散的。根据微弱光的这一特点，通常采用脉冲放大，脉冲甄别以及数字计数技术来对极弱光进行探测。现代光子计数技术具有信噪比高、区分度高、测量精度高、抗漂移性好、时间稳定性好等诸多优点，并且可以将数据以数字信号的形式输出给计算机进行后续的分析处理，这是其他探测方法所不能比拟的。光子计数系统主要由光电探测器、前置放大器、脉冲幅度甄别器和计数器这四个部分组成。对于成像来说，一幅图像实际上是一种二维空间的光强或光场的分布，光经过不同物体、不同表面反射后产生的非均匀光信号在探测器的不同像元进行能量积分，产生的光电流经过倍增、处理后得到不同灰度等级像素单元组成的图像。这幅图像可以被视为一个二维函数F(x,y)，x和y为空间坐标，(x,y)对应图像中任意一个像素，F(x,y)则为该像素处图像的亮度或灰度。若采用单个光电探测器进行扫描探测，从理论上来讲对二维图像进行采样时只要满足奈奎斯特抽样定理，便可以恢复出图像。因此可以预先设计好待测目标的采样范围和采样间隔，利用光电探测器获取每一个采样点处的光子计数值便能对应到该点的亮度信息，通过数据反演即可恢复出被测目标的图像。
国际上对 HgCdTe APD的研究开始于二十世纪七十年代末，主要集中在美、英、法、德等国，已经形成了各自的特点和研究成果，并实现了一定的产品化。主要有美国的雷神公司（Raytheon）和DRS技术公司 、法国 的CEA/LETI实验室和Lynred公司（前身为Sofradir公司）、英国的Leonardo公司（前身为Selex公司）、德国 AIM公司等致力于线性模式 HgCdTe APD焦平面的研发。其中， 美国雷神公司和DRS公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司和英国的Leonardo公司先后开展了HgCdTe APD器件的光子计数探测应用研究。雷神公司在碲锌镉（CdZnTe）衬底上采用分子束外延（Molecular-Beam Epitaxy，MBE）技术生长多层异质结的HgCdTe APD结构，即吸收区和倍增区分离（Separate Absorption and Multiplication，SAM）的结构。该结构一般为台面结构，它的吸收区用于吸收光子而产生光生载流子，光生载流子在电场作用下进入倍增区发生碰撞电离，吸收层为N型层，倍增层Cd组分为0.73，是利用空穴电离谐振引发雪崩增益的短波器件所示。SAM结构的优点在于可设计各层材料的组分、厚度、浓度等参数以获得高增益、高量子效率和低过剩噪声；缺点是多层结构的设计和材料生长是一项工作量极大的任务，工艺复杂性高。
图3（a） SAM型HgCdTe APD器件结构示意图，（b）分子束外延生长的HgCdTe APD SAM型外延结构为解决远距离（百万米距离）探测和卫星跟踪的信号脉冲衰减严重的问题，雷神公司2007年开发了具有单光子探测能力的4×4阵列规模的HgCdTe APD器件，读出电路带宽达1GHz~3GHz，在增益50~200时输出信号，实现了近无噪声的单光子探测。在每脉冲的平均照明强度为1个光子时，器件能探测分辨出0、1和2个光子，分辨单光子的两个脉冲间隔时间小于6ns。2010年通过进一步优化电路，限制热载流子发出的辉光，实现了信噪比大于10，探测率大于95%，虚警率小于1%，性能指标见表2。并将开发256×256阵列规模的HgCdTe APD光子计数器件。表2. 不同研究机构的光子计数 HgCdTe APD器件性能
图 4 4×4阵列规模的HgCdTe APD光子计数芯片组件
图 5（a） 平均照明强度为1个光子时，多次采集显示探测出0、1和2个光子；（b）获得小于6ns的紧密双脉冲间隔时间的单光子，且观察不到后脉冲DRS技术公司基于早期的N/P环孔器件结构开发出了高密度垂直集成器件（high density vertically integrated photodiode, HDVIP）结构，成功研制出高性能的HgCdTe e-APD器件。这种结构的器件大多采用IB族掺杂的P型材料，通过刻蚀工艺形成通孔用于芯片和读出电路间的连接，刻蚀或注入形成的Hg填隙向内部扩散过程中，P型掺杂由于knock-out效应会一起迁移，有助于低掺杂的N-区的形成。因此HDVIP的单元结构是横向的N+-N--P结，与平面PIN型APD有很大的相似之处。这种结构的优点在于：（1）器件上下表面都进行了CdTe钝化，并进行了互扩散退火工艺，有效降低1/f噪声；（2）器件的电流信号通过刻蚀后的N区和Si读出电路的电极直接相连，不需要通过In柱进行互联，因此器件的热循环稳定性得到很大提高，并且与像元尺寸及面阵大小无关；（3）其结构的取向使得PN结界面与外延材料中的穿越位错接近平行，有效降低了从PN结中穿越的位错密度，这有助于器件漏电流的减小；（4）HDVIP为正入射器件，有利于探测率D*、量子效率和调制传递函数MTF的提高；（5）外延材料的衬底全部去除后，衬底与读出电路间的热失配问题可以得到解决。但制备技术比较复杂，难度高，尤其是需要完整去除碲锌镉衬底同时不对碲镉汞薄膜造成损伤，因此限制了该技术方案的应用。
图 6 HDVIP型HgCdTe APD结构截面图和俯视图2011年DRS首次报道了2010年研制的2×8阵列规模的中波HgCdTe APD光子计数器件，器件光谱响应范围从可见光到中波红外，为0.4μm~4.3μm，是响应光谱最宽的光子计数器件，过剩噪声接近于1，在增益500~1000之间可以稳定探测光子；13V偏压下，增益为500，暗电流约1pA，暗计数率低于20KHz；光子脉冲信噪比为13.7，实现了单光子探测；光背景限制的光子探测假事件率（false event rate， FER）为1MHz时，光子探测效率为50%，分辨单光子的两个脉冲间隔时间小于10ns。此处的假事件率是指与目标信号无关的任何光子探测，是在没有任何有意的光子通量入射到探测器时测量的值，杜瓦光泄露、热背景、暗电流和读出电路的辉光都会影响假事件率的值。为了进一步提升光子探测效率和降低光子探测假事件率，DRS于2013年改善了设计和工艺条件，获得了性能更好的两款器件。相对于2010年器件，光子探测效率提升至60%以上，增益可达到1900，假事件率降至150KHz。并于2018年研发了应用于空间雷达的单光子计数HgCdTe APD组件，在0.9μm~4.3μm间光子探测效率大于60%，暗计数率低于250KHz。2022年通过进一步优化电路，降低了电路辉光诱导的暗计数，假事件率降至35KHz，并研制了4×4、2×30、7×8阵列规模的光子计数器件，4×4阵列器件的平均增益可达6100。采用2013年研发的2×8阵列规模的光子计数器件，DRS于2016报道了HgCdTe APD器件在自由空间通信上的应用性能，器件搭载CubeSat卫星进行了通信验证，在1550nm激光波段可实现50Mbps的数据传输，通过高通滤光片和多像素阵列组合，在8×10-8的误码率下可实现110Mbps的数据传输。法国CEA/LETI实验室和Lynred公司（前身为Sofradir公司）采用平面PIN型结构制备HgCdTe e-APD器件。这种结构是在普通PN结器件中间加入一个本征层I，人为地增大空间电荷区的宽度，用于载流子的雪崩倍增。不过，由于本征型和浅掺的P-型的HgCdTe很难获得，实际中一般用浅掺的N-型代替。这种结构的优点在于工艺简单成熟、步骤简单、成品率高和N+-N--P结可控性好。其缺点也是所有平面N-on-P器件存在的问题，其产生复合电流和漏电流的水平都会比P-on-N器件大；另外器件的占空比无法继续提升，当焦平面器件往更小像元、更高密度的方向发展时，由于非平衡载流子的横向扩展或者表面漏电的原因会使得平面结器件的电学串音随之增加。
图 7 平面PIN型HgCdTe APD结构示意图
CEA/LETI实验室和Sofradir公司于2010年报道了应用于低光通量和光子计数的HgCdTe APD器件，Cd组分为0.3~0.41，最大增益带宽积达2.1THz，脉冲响应时间几乎不随增益变化，可以分辨出1个光子或者2个光子探测事件，可实现比例光子计数。受残余热光子限制，中波器件的暗计数率（DCR）约为1MHz；受隧穿暗电流噪声限制，短波器件高增益下的DCR为100 KHz；器件的内光子探测效率（PDE）可达90%。
图8 探测到一个光子事件和两个光子事件时的概率分布和倍增层均匀分布的暗电流
2015年，法国CEA/LETI公司报道了80-200 μm大面积单元器件，器件带宽在20-100MHz之间，噪声等效功率NEP为20-70fW/√Hz，成功进行了月球激光通信演示，在环月球运行的LADEE太空船和位于特内里费（Teneriffe）的ESAs光学地面站之间可以实现80Mbps的数据传输。通过结构优化，设计了吸收区组分梯度，在增益100时，芯片带宽达到80K下4GHz和273K下3GHz。于2021年实现300K下增益为1时带宽达10GHz、更大增益时带宽达3GHz，并应用于大动态范围空间激光雷达，实现了GHz单光子探测速率。英国Leonardo公司开发了金属有机气相外延（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE）生长HgCdTe薄膜技术，采用低成本化的GaAs衬底，制备了中心距为24μm的异质结HgCdTe APD 320×256阵列器件，命名为Selex Avalanche Photodiode HgCdTe Infrared Array（SAPHIRA）。器件结构包含吸收区、倍增区和两者之间的缓冲层。吸收区的截止波长为2.5μm，倍增区的截止波长为3.5μm，倍增区采用窄带隙可有效提高增益，吸收区和倍增区之间的缓冲层为HgTe和CdTe，用以减少陷阱辅助隧穿电流（TAT）和陷阱相关的热电流，以及减缓GaAs衬底引起的晶格失配。采用MOVPE外延异质结HgCdTe APD器件的优点在于能大尺寸批量生产，成本低；缺点在于位错密度难以降低，制备的APD器件受吸收层中陷阱载流子限制，响应时间较慢，带宽限制在KHz范围。
图9 MOVPE异质结HgCdTe APD器件（a）阵列结构和（b）能带结构
Leonardo公司2018年报道了SAPHIRA器件的光子计数性能，器件能够探测到单个光子，但吸收了两个或多个光子，在一次读取中是不能分辨的；器件的单光子探测率大于90%，时间分辨率为125 μs，暗电流为21 e-s-1pix-1，对应暗计数率为21Hz/pix。器件具备近红外光子计数能力，并应用于天文探测，探测器性能将进一步优化。
法国First Light Imaging公司2016年基于SAPHIRA 320×256 HgCdTe APD短波器件，研发出了C-RED ONE相机，在3500帧频下，读出噪声小于一个电子，过剩噪声因子小于1.25，有效像元率达99.3%，可应用于自适应光学、空间碎片跟踪和条纹跟踪等天文应用，并成功应用于美国天文探测的密歇根红外组合器（Michigan Infrared Combiner，MIRC），将MIRC的系统噪声降低了10~30倍，大大提高了条纹探测的信噪比，C-RED ONE相机性能。这也极大促进了HgCdTe APD器件产品化和商业化进程。
图10 C-RED ONE相机
国内对HgCdTe APD器件的研究开始于2010年左右，研究机构主要有上海技术物理研究所（Shanghai Institute of Technical Physics，SITP）、昆明物理研究所（Kunming Institute of Physics，KIP）和中国电子科技集团第十一研究所，主要集中在平面PIN结的中波HgCdTe APD器件的研究，只近5~6年在HgCdTe APD器件的研制上取得了一定进展，但未形成光子计数应用的能力。
上海技术物理研究所采用液相外延（Liquid Phase Epitaxy, LPE）生长的中波碲镉汞材料，制备了平面PIN结构单元器件和中心距为50μm的128×128阵列中波HgCdTe APD焦平面器件，单元器件增益可达1000以上，焦平面器件性能，在反偏-10V下器件增益达到728，反偏-8V以下增益归一化暗电流密度GNDCD<1×10-7 A/cm2，过剩噪声因子F<1.5@增益M<400，噪声等效光子数NEPh约为12@增益M=133，与DRS的GNDCD~ 1×10-7 A/cm2水平下的NEPh相当。设计了带宽结构的单元器件，通过减薄P区厚度，实现了器件带宽从30~60 MHz提升至300~600 MHz。此外，还制备了中心距30μm的320×256阵列的中波HgCdTe APD焦平面器件，对焦平面器件进行了成像演示，表明HgCdTe APD器件适合应用短积分快速成像。
昆明物理研究所采用LPE生长的中波碲镉汞材料，通过B离子注入N-on-P平面结技术制备了单元器件和规模为256×256、像元中心距为30μm的碲镉汞APD焦平面探测器芯片。单元器件的增益可达1000以上。焦平面芯片在-8.5V反偏下平均增益达到166.8，增益非均匀性为3.33%；在0~-8.5V反向偏置下，APD器件增益归一化暗电流为9.0×10-14A~ 1.6×10-13A，过噪因子F介于1.0~1.5之间。对碲镉汞APD焦平面进行了成像演示，并获得了较好的成像效果。
相比于国际先进水平，国内碲镉汞雪崩器件的暗电流要高出1~2个量级，其中一个原因是抑制器件表面漏电的表面钝化工艺需要进一步完善。国内碲镉汞雪崩器件集成时间计数信号的高速读出电路尚处于研制当中，未见主被动双模成像报道。总体上，国内雪崩器件的制备技术及其读出电路技术落后国际先进水平10来年。
碲镉汞雪崩探测器几乎无过剩噪声，随着增益增加，信噪比不发生衰减，没有盖革雪崩器件相关的死时间和后脉冲限制，非常适合应用于光子计数，是未来光子计数器件的重要发展方向。文中介绍了线性模式相对于盖革模式光子计数的优势，总结了美国雷神和DRS公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、以及英国Leonardo公司的HgCdTe APD器件在光子计数应用方面的技术路径和发展现状。各公司根据自身技术水平选择了不同的技术路线，并且根据结构需要选择不同的制备技术生长碲镉汞材料，成功制备了高性能线性雪崩器件并实现了单光子探测，将应用于天文探测、空间雷达、自由空间通信、条纹跟踪等方面。国内碲镉汞雪崩探测器研究起步比较晚，虽然在HgCdTe APD单元器件和焦平面研制上取得了一定的进展，但与国际先进水平仍存在一定差距，在光子计数应用方面未见到有关的进展情况。目前国内主要是研制平面PIN结构的HgCdTe APD器件，技术路径与法国CEA/LETI实验室相近。因而，我国可借鉴CEA/LETI实验室成功经验和Lynred公司的运营模式，持续推进HgCdTe APD器件的研究，以早日达到国际先进水平，实现单光子探测和光子计数应用。
团队介绍：
中国科学院上海技术物理研究所碲镉汞雪崩焦平面技术团队由何力研究员和陈路研究员带头，拥有十多名核心骨干人员，依托中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室材器中心在碲镉汞红外焦平面技术领域开展研究。团队具备材料生长、芯片制备、电路设计、测试封装的能力，建立了完整的碲镉汞红外焦平面工艺线，研制出一系列红外焦平面探测器产品，先后完成多项重大基础研究、航天工程型号、预研等任务，在红外焦平面研究领域拥有丰富的经验和研究基础。
团队负责人介绍：
何力，男，博士生导师，中国科学院上海技术物理研究所研究员，长期从事半导体材料和器件研究工作。先后主持了中科院创新工程以及航天工程等多项材料器件科研项目，带领科研团队，完成了多项关键技术攻关，为多项重大航天工程解决了核心器件难题。在基础研究方面，先后组织国内优势单位，主持完成了多色焦平面探测系统芯片、红外焦平面暗电流及其影响抑制基础研究2项重大基础研究，在硅基碲镉汞大面阵和双色焦平面器件、数字像元、光信号传输、数字信号处理、暗电流抑制和噪声等红外焦平面器件等机理基础问题研究以及发展新工艺新技术方面进行了大量工作，这些基础工作支撑了我国第三代红外焦平面技术发展。
陈路，女，博士生导师，中国科学院上海技术物理研究所研究员，主要从事半导体红外光电子材料外延和特性研究，围绕国际上学科发展的前沿和国家重大需求开展工作，解决了红外光电子半导体薄膜材料中一些基础性问题。十一五以来承担并参与国家、院级研究项目近10项。曾任多色焦平面探测系统芯片、红外焦平面暗电流及其影响抑制基础研究2项重大基础研究项目的课题负责人。主要致力于面向第三代红外焦平面探测器的碲镉汞分子束外延材料研究，包括在大面积薄膜材料实用化、高质量碲镉汞材料缺陷抑制技术、多层掺杂异质结技术等。十三五承担了碲镉汞线性雪崩焦平面的研究项目，发展了基于PIN结构的碲镉汞线性雪崩焦平面器件技术，包括线性雪崩探测器件物理模拟、PIN成结工艺实现方法与评估、光电器件响应特性研究。
郭慧君，男，硕士生导师，中国科学院上海技术物理研究所副研究员。入选上海市青年科技英才扬帆计划。主持了上海市杨帆、国家自然科学基金、ZB重大基础研究课题等项目。目前主要从事碲镉汞红外探测器物理机理、器件设计、制备和表征，近年来研究方向为碲镉汞材料相关的雪崩探测器、高温探测器、偏振探测器、感存算类脑芯片及超表面与探测器集成，发表论文30余篇。
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