碲镉汞线性雪崩焦平面器件评价及其应用(特邀)

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。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。     

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）

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）。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了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了展望。     

碲镉汞雪崩光电二极管发展现状

碲镉汞雪崩光电二极管探测器具有高增益、高带宽和低噪声因数的显著特点,具有下一代焦平面探测器阵列的多功能、主动/被动探测、双波段和高灵敏度等理想特性,在低光通量探测、超光谱、二维/三维成像方面显示出强大的应用潜力。本文简要介绍了碲镉汞雪崩光电二极管主要器件结构、特点及应用现状。     

碲镉汞雪崩焦平面器件

碲镉汞雪崩光电二极管以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点成为第3代红外光电探测器的重要发展方向之一.制备了截止波长3.56μm的雪崩光电二极管焦平面器件,面阵规模为16×16.焦平面器件在0～6V偏压下有效像元率大于90%,非均匀性小于20%.6 V偏压下NEPh约为60,过剩噪声因子为1.2.     

单光子探测器研究现状与发展

单光子探测器的研制是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题。单光子探测器突破了传统探测器只针对振幅进行采样的局限,同时对光波或者光子的偏振、波矢、位相等特性进行探测,具有可保持测量信号完整性、理论量子效率高、工作电压低、探测灵敏度高等优点,同时具有室温单光子探测的潜力。为了深入了解单光子探测器的研究现状和发展前景,本文介绍了单光子探测器的工作机理,总结对比了光电倍增管、雪崩光电二极管等传统单光子探测器以及基于新型二维材料的雪崩光电二极管、超导纳米线单光子探测器等新型单光子光电探测器的优势与不足,并对其发展前景进行了展望。此外还介绍了单光子探测器在量子通信、激光测距和成像等领域的应用。     

论高工作温度碲镉汞红外探测器（下）

与用其他材料制备的红外光子探测器相比,碲镉汞红外探测器具有带隙灵活可调、量子效率较高以及R_oA接近理论值等优点。碲镉汞探测器的主要缺点是需要低温制冷,以抑制引起噪声的热生自由载流子。期望碲镉汞探测器在具有高工作温度(High Opeating Temperature,HOT)的同时而又无需牺牲性能。HOT碲镉汞探测器的设计目标主要是抑制俄歇过程,从而降低探测器噪声和低温制冷需求。从相关基本概念出发,讨论了对HOT碲镉汞物理机制的理解以及近年来HOT碲镉汞技术的发展状况。     

论高工作温度碲镉汞红外探测器（上）

与用其他材料制备的红外光子探测器相比,碲镉汞红外探测器具有带隙灵活可调、量子效率较高以及R_0A接近理论值等优点。碲镉汞探测器的主要缺点是需要低温制冷,以抑制引起噪声的热生自由载流子。期望碲镉汞探测器在具有高工作温度(High Operating Temperature,HOT)的同时而又无需牺牲性能。HOT碲镉汞探测器的设计目标主要是抑制俄歇过程,从而降低探测器噪声和低温制冷需求。从相关基本概念出发,讨论了对HOT碲镉汞物理机制的理解以及近年来HOT碲镉汞技术的发展状况。     

单光子探测器的研究进展

单光子探测器能够探测极微弱光信号, 具有较高的灵敏度, 在民用和国防领域都有广泛的应用。近年来, 随着科学技术的飞速发展, 在传统光电探测器件不断优化和改进的同时, 其它新型光电探测器件也得到了极大发展且取得了重要技术成果。为深入了解单光子探测器的技术发展现状和趋势, 总结了目前具有代表性的单光子探测器在研究现状、技术难点和最新技术突破等方面的关键信息, 分析了光电倍增管和雪崩光电二极管等传统单光子探测器的优势与不足以及之后的技术发展方向, 同时还介绍了超导纳米线单光子探测器和基于新型2维材料的雪崩光电二极管等几类具有良好光电性能和巨大发展潜力的新型单光子探测器, 并对其发展前景进行了展望。     

利用刻蚀工艺制备碲镉汞雪崩光电二极管

碲镉汞雪崩光电二极管是第三代红外焦平面探测器的主要发展方向之一.提出一种利用离子束刻蚀工艺制备碲镉汞雪崩光电二极管器件的方法,并研究了截止波长、耗尽区厚度与器件增益的关系.利用此方法制备截止波长4. 8μm的中波器件在17 V反向偏置下增益可达1 000.对器件进行了噪声频谱测试,计算了其过剩噪声因子.     

用于空间目标单光子探测的SPAD性能定标

通过具体的地面模拟实验对应用在空间目标探测中的单光子探测器(SPAD)进行了定标。在空间目标探测中,考虑到与红外被动探测复用,所选取的SPAD的单光子雪崩二极管(APD)为InGaAs-APD;由于目标信息(比如距离)的不确定性,所使用的SPAD的外围抑制模式采用了主动抑制技术;对工作模式,雪崩电压,反偏电压和倍增因子,量子效率,暗计数,死时间几个方面进行了简单的介绍,建立了探测器响应接收能量的计数性能曲线,最后证实了其探测灵敏度是单光子水平的。结果表明,将目前广泛用于量子通信中的SPAD尝试用于空间目标探测中是具有可行性和有意义的。     

碲镉汞雪崩光电二极管近年研究及应用进展

碲镉汞雪崩光电二极管(HgCdTe APD)因其具有高增益、高带宽、高量子效率、低噪声的优良性能,在主动/被动成像、激光雷达、波前传感和光子计数等低光子探测领域有着广阔的应用前景,国外研究机构在该领域采用不同的技术路线进行了深入研究.本文阐述了APD原理及结构,重点对近年来国外相关研究进展及应用情况进行了介绍,并对国内...     

激光成像制导探测器研究进展

激光成像制导是精确制导的主要发展方向之一。激光成像制导探测器是激光成像系统的关键部件。介绍了国内外激光成像制导探测器的研究进展,包括HgCdTe焦平面、Si雪崩焦平面、InGaAs PIN探测器和雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)焦平面。InGaAs APD焦平面将会成为激光成像制导探测器的主要发展方向,其关键技术包括外延材料生长、高均匀性探测器制备以及读出电路设计等。     

中波碲镉汞红外偏振焦平面探测器的制备研究（特邀）

针对隐身等多类高价值目标精确探测与识别以及探测技术持续发展需求,为实现复杂战场环境下的高概率真假目标识别和高精度目标检测、定位、跟踪,开展复杂战场环境下隐身及微弱特征目标探测及抗干扰探测等技术研究意义重大,其中高集成度的焦平面型偏振红外探测器技术是其中一个重要方向。围绕集成式中波（MW）256×256碲镉汞红外偏振焦平面探测器的研制,介绍了偏振结构的设计、制备到偏振探测器的集成,以及偏振探测器性能的测试等方面的研究进展状况,设计加工出了亚波长金属光栅阵列,采用倒装互连的方式实现了偏振探测器的集成,并在MW 256×256碲镉汞焦平面器件上实现了红外偏振性能的测试和评估。     

A Highly Sensitive Multi-element HgCdTe e-APD Detector for IPDA Lidar Applications

An HgCdTe electron avalanche photodiode (e-APD) detector has been developed for lidar receivers, one application of which is integrated path differential absorption lidar measurements of such atmospheric trace gases as CO₂ and CH₄. The HgCdTe APD has a wide, visible to mid-wave-infrared, spectral response, high dynamic range, substantially improved sensitivity, and an expected improvement in operational lifetime. A demonstration sensor-chip assembly consisting of a 4.3 μm cutoff HgCdTe 4 × 4 APD detector array with 80 μm pitch pixels and a custom complementary metal–oxide–semiconductor readout integrated circuit was developed. For one typical array the APD gain was 654 at 12 V with corresponding gain normalized dark currents ranging from 1.2 fA to 3.2 fA. The 4 × 4 detector system was characterized at 77 K with a 1.55 μm wavelength, 1 μs wide, laser pulse. The measured unit gain detector photon conversion efficiency was 91.1%. At 11 V bias the mean measured APD gain at 77 K was 307.8 with σ/mean uniformity of 1.23%. The average, noise-bandwidth normalized, system noise-equivalent power (NEP) was 1.04 fW/Hz^1/2 with a σ/mean of 3.8%. The measured, electronics-limited, bandwidth of 6.8 MHz was more than adequate for 1 μs pulse detection. The system had an NEP (3 MHz) of 0.4 fW/Hz^1/2 at 12 V APD bias and a linear dynamic range close to 1000. A gain-independent quantum-limited SNR of 80% of full theoretical was indicative of a gain-independent excess noise factor very close to 1.0 and the expected APD mode quantum efficiency.     

碲镉汞雪崩光电二极管在激光雷达上的应用

首先简要介绍激光雷达的主要军事应用、激光雷达对接收器的性能需求及激光雷达接收器的现状,综述碲镉汞材料特点、碲镉汞雪崩光电二极管探测器特点,与现有激光雷达接收器相比碲镉汞雪崩光电二极管作为激光雷达接收器的优势及制备技术;综述国外碲镉汞雪崩光电二极管用于激光雷达接收器的发展现状;最后分析我国发展用于激光雷达接收器的碲镉汞雪崩光电二极管可行性。     

HgCdTe焦平面红外探测器封装中的芯片粘接技术

针对HgCdTe焦平面红外探测器封装的特殊性,提出了芯片粘接胶的选用原则,影响粘接质量的主要因素,以及粘接工艺优化方法。提出了用于封装HgCdTe MW 320×256探测器的低温胶X1,并对该胶做了一系列可靠性实验。实验证明,低温胶X1满足该探测器的封装要求。     

MBE生长的PIN结构碲镉汞红外雪崩光电二极管

对中波红外碲镉汞雪崩光电二极管(APD)特性进行理论计算,获得材料的能量散射因子及电离阈值能级与材料特性的相互关系,从而计算器件的理论雪崩增益与击穿电压.通过对材料特性(组分,外延厚度,掺杂浓度等)的优化,设计并生长了适合制备PIN结构红外雪崩光电二极管的碲镉汞材料,并进行了器件验证.结果显示,在10V反偏电压下,该器件电流增益可达335.     

基于InGaAs/InP低噪声GHz单光子探测器研究(特邀)

InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)体积小、功耗低、响应速度快,被广泛应用于近红外单光子检测。文中分析了APD雪崩及噪声信号的频谱分布特征,提出了正弦门控结合低通滤波级联方案,噪声抑制比超过40 dB,实现了1～2 GHz高性能探测。当工作速率为1.5 GHz,探测效率设置为20.0%时,后脉冲概率为6.6%,暗计数率仅为6.7×10^-7/gate。此外,集成了APD高速门控产生及延时调节模块,温度反馈稳定控制模块,实现了单光子探测器12 h稳定运行,计数标准差仅为1.0%。最后,为了更完整的描述探测器的量子特征,引入量子探测器层析技术进行标定,重新构建了其正值算符测度矩阵以及对应的Wigner函数,为其在量子通信、量子计算等量子信息技术的应用中提供支撑。     

Issues in HgCdTe Research and Expected Progress in Infrared Detector Fabrication

The purpose of this paper is to review the trends in HgCdTe research, illustrating the discussed ideas with the latest results obtained at DEFIR (CEA-LETI and Sofradir joint laboratory). The beginning of this paper is devoted to an extended introduction to today’s issues concerning HgCdTe photodiode performance enhancement. In fact, very high-quality material is mandatory for ultrahigh performance at low temperature as well as for high noise operability at high operating temperature (HOT). Therefore, a strong effort has been carried out during the last few years for lattice-matched CdZnTe substrate and HgCdTe active layer growth improvement, leading to very large substrates and ultraflat liquid-phase epitaxy layers. The same analysis holds for diode process quality and passivation. Therefore, the photodiode process has been completely revisited in order to optimize HOT operability. Also necessary for the next generation of HOT devices, some significant progress has been made in small-pixel-pitch interconnection on silicon read-out circuits. Indeed, the first 10-μm focal-plane arrays (FPAs) have been successfully fabricated this year in the mid-wave infrared (IR) band. The latest avalanche photodiode (APD) realizations are also presented with 15-μm-pitch FPAs for passive imaging and 30-μm-pitch ultrafast arrays running at 1.5 kHz full frame rate. Linear-mode photon counting using APDs is also briefly discussed. Finally, the paper concludes on more complex structures for the third generation of IR detectors, discussing the latest achievements in dual-band FPA fabrication in various spectral bands.