撰稿人：张应旭
单位：昆明物理研究所
张应旭, 陈虓, 李立华, 赵鹏, 赵俊, 班雪峰, 李红福, 龚晓丹, 孔金丞, 郭建华, 李雄军. 碲镉汞线性雪崩焦平面器件评价及其应用（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(3): 20220698. doi: 10.3788/IRLA20220698
碲镉汞线性雪崩焦平面探测器具有高增益、高带宽及低过剩噪声等特点，在航空航天、天文观测、军事装备及地质勘探等领域展现了巨大的应用潜力。目前，国内已经开展了碲镉汞线性雪崩焦平面器件的研制工作，但缺乏评价其性能的方法及标准，同时对其的应用仍然处于探索阶段。本文首先分析了表征线性雪崩焦平面器件性能的关键参数，同时基于碲镉汞线性雪崩焦平面器件的特点，探讨了雪崩焦平面器件在主/被动红外成像、快速红外成像等领域的应用，最后对碲镉汞雪崩焦平面器件的未来发展进行了展望。
雪崩光电二极管（avalanche photodiode，APD）在像元内对信号电荷雪崩放大，实现单光子级灵敏度、纳秒级时间分辨的信号探测，在主/被动成像、3D成像等领域具有巨大的应用潜力。线性模式APD器件工作在击穿电压之下，生成的平均光电流与入射的光通量成线性关系。不同于盖革模式，线性模式APD器件通过收集单帧回波信号即可获取目标的距离、强度等信息。碲镉汞APD器件因过剩噪声因子低、增益高、量子效率高、可工作在人眼安全激光波段而受到了广泛的关注。碲镉汞APD器件的研究始于上世纪80年代，进入新世纪后美国Raytheon、DRS、英国Leonardo（前身为Selex）和法国Sofradir等公司均在碲镉汞线性APD焦平面芯片研制中投入了巨大的精力，制备得到的短波、中波碲镉汞线性APD器件展现出了接近于1的过剩噪声因子及高增益特性，并同步开展了中波红外、短波激光主/被动双模及3D成像等验证，取得了优异的成像效果，显示出碲镉汞APD十分诱人的应用前景。然而，对于碲镉汞APD探测器技术的研究国内才处于起步阶段，缺乏对器件性能的评价指标体系及方法，其应用仍然处于探索阶段。
现有的制冷型碲镉汞红外焦平面阵列参数无法完全覆盖碲镉汞APD焦平面器件的性能表征。针对碲镉汞APD器件的特点及应用需求，为更准确的表征碲镉汞APD焦平面器件的性能特性，需要增加增益、过剩噪声因子、噪声等效光子数及时间分辨率等参数。APD器件增益用于衡量器件对输入光信号的放大能力，定义为有增益时器件的响应电流与无增益时器件响应电流之比，APD器件载流子倍增的随机性引入了过剩噪声，使得输入器件信号被放大的同时器件输出信号的信噪比恶化，通常采用过剩噪声因子来描述APD器件增益过程对输入信号信噪比的恶化程度，可用无增益时器件输出信噪比与有增益时器件输出信噪比之比来计算APD器件的过剩噪声因子。与被动红外成像噪声等效温差类似，噪声等效光子数（noise equivalent photon，NEPh）用于评估主动成像模式下APD器件的灵敏度，其主要由器件的增益、暗电流水平、背景光通量及读出电路噪声水平等因素共同决定，APD器件与具有计时功能的读出电路相耦合可实现距离信息的获取，时间分辨率反映了APD焦平面组件能分辨的到达焦平面脉冲激光的最小时间间隔，代表了探测器能识别的最小空间距离。图1（a）为昆明物理研究所制备的碲镉汞APD焦平面组件增益随偏置电压的变化情况，APD焦平面的平均增益与电压呈指数型关系，且在-8V反偏下，器件平均增益即超过了100，增益非均匀性不超过3.4%；器件过剩噪声因子保持缓慢增长，器件增益超过100时过剩噪声因子仍小于1.5，显示了器件优异的性能。
图1 （a）碲镉汞APD增益和过剩噪声因子随偏置电压的变化情况；（b）-8.6V电压下碲镉汞APD焦平面增益灰度图
APD器件的内增益来源于载流子在电场作用下的碰撞电离，APD器件在放大输入信号的同时伴随着倍增噪声的引入，通常将信号倍增过程中引入的噪声称为过剩噪声。APD器件的这种特性，使得器件输出噪声的增长速度快于输出信号，因此，APD器件更适用于噪声不是由焦平面芯片决定的系统（如探测短激光脉冲信号的高带宽系统）。通过提升探测器的雪崩增益，可以持续提升系统噪声限装备的信噪比，当器件噪声与系统噪声相当时继续提升APD器件增益将会引起系统信噪比恶化。HgCdTe雪崩器件的过剩噪声因子保持接近于1，意味着增益过程几乎没有引起信噪比的恶化。能带可调节的碲镉汞半导体是目前唯一一种碰撞电离系数比为0或无穷大的半导体，其制备的APD器件的过剩噪声因子接近于1，工作波段范围覆盖1.3~11μm，表1为公开报道的不同材料制备的线性APD探测器性能对比（其中，hole-HgCdTe为空穴倍增型碲镉汞APD，e-HgCdTe为电子倍增型碲镉汞APD）。
图2 APD器件噪声随增益变化示意图
表1 公开报道的不同类型线性模式APD探测器性能对比
主动成像
进行潜在目标成像时，需要在宽视场下快速探测目标，在窄视场下识别并辨识目标。由于激光发射功率的限制及对回波信号强度的要求，主动成像系统无法实现远距离宽视场成像，同时主动激光成像存在暴露系统位置的风险。通常采用被动红外与主动激光联合成像，被动红外成像系统用于潜在目标的探测，主动成像系统用于目标的辨识与锁定。采用碲镉汞中波红外材料制备的焦平面探测器在低偏压下即具有较高的雪崩增益，调节所加偏压能实现从主动激光成像到被动中波红外成像的切换：高偏压下实现高增益短波激光成像，低偏压下实现被动中波红外成像，如图3所示。DRS公司采用中波碲镉汞APD器件为美国海军实验室搭建了一套主/被动成像系统，其面阵规模为640×480，像元间距为25μm，被动成像模式下系统NETD为18mK（积分时间为16ms，F4光学系统）；主动门控成像模式下（带增益）噪声等效光子数为2（积分时间为100ns）；此外，碲镉汞APD器件耦合具有计时功能的读出电路并结合脉冲激光即可实现目标距离信息的获取，法国Sofradir公司和英国Leonardo公司均搭建了基于碲镉汞雪崩器件的3D成像演示样机。
被动成像
红外图像的噪声主要来源于背景光子噪声、器件暗电流噪声、读出电路噪声及后续电子学系统噪声等，碲镉汞APD器件具有的几乎无雪崩噪声的线性内增益特性给中波红外成像带来了新的应用场景，通过调节器件内增益，可以实现相同积分时间不同辐射强度目标的观察或对相同目标成像时间的调节，图4为采用昆明物理研究所制备的APD器件在不同增益下获取的中波段红外图像，从图中可以看出制备的器件在小偏压下获取的图像与常规中波红外探测器相当，器件积分时间较短时，信号的雪崩增益明显提升了图像质量。
图4 HgCdTe-APD焦平面芯片在不同增益下获取的中波红外图像：（a）M=1，积分时长800μs；（b）M=1，积分时长20μs；（c）M=19，积分时长20μs
目前，美国Raytheon公司、法国Sofradir公司及英国Leonardo公司等均已制备得到过剩噪声因子接近于1的碲镉汞线性APD器件。Leonardo公司采用金属有机化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）工艺制备的320×256面阵规模的碲镉汞APD焦平面芯片的灵敏度达到了单光子级，过剩噪声因子小于1.25。配合Flower采样、相关采样等技术，法国First Light imaging公司采用该芯片生产的C-RED one碲镉汞APD机芯最大帧频可达3500FPS，读出噪声小于1个电子，响应波段覆盖1.1μm-2.4μm，已成功用于波前传感、低背景成像等领域。
碲镉汞材料的光谱响应范围可覆盖短波、中波及长波红外，光子探测效率高，无后脉冲效应，单载流子雪崩增益的特性使其具有接近零过剩噪声放大的潜力。高增益线性碲镉汞APD器件能够同时获取目标强度和距离信息，其在军事、天文、航天等领域显示了巨大的应用潜力。在军事应用需求及光电成像技术的发展牵引下，以碲镉汞线性雪崩焦平面器件为代表的APD器件受到越来越广泛的关注，并呈现出加快发展的态势。伴随着碲镉汞材料生长技术、器件制备工艺、读出电路设计加工技术和器件测试表征技术的发展，将会出现性能更好、面阵规模更大、像元中心距更小、帧频更高的碲镉汞线性APD焦平面产品，满足三维成像激光雷达、主/被动双模复合成像、单光子高灵敏探测等多种应用场景对高性能探测器的需求。国内对于碲镉汞APD器件的研制处于起步阶段，其灵敏度等指标远低于国外报道水平。在碲镉汞APD焦平面器件的研制过程中，需要重点关注以下两个方面：1、灵敏度提升。通过开展器件结构设计及制备工艺研究，将碲镉汞APD器件的灵敏度提升至单光子水平；2、读出电路设计。读出电路在主动成像用焦平面器件中占据重要地位，计时精度的提升、读出噪声的降低及电路功耗的控制等将是一个巨大的挑战。
团队介绍：昆明物理研究所APD红外探测器技术团队由李雄军博士带头，拥有专业技术覆盖材料生长、器件设计制备、读出电路设计、焦平面芯片封装及性能测试的研究团队，依托昆明物理研究所红外探测器中心在碲镉汞线性雪崩焦平面技术领域开展研究工作。团队具备碲镉汞线性雪崩焦平面芯片制备、封装、测试评价及读出电路设计能力，建立了碲镉汞线性雪崩焦平面组件设计、制备体系，在此基础上成功研制了面阵规模为320×256、256×256的雪崩焦平面组件，平均增益大于100，过剩噪声因子优于1.5。
原文链接：
http://www.irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20220698（阅读原文）转载/投稿/合作，请联系微信ivan_413598663
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