HgCdTe雪崩光電二極體的研究進展

本文內容轉載自《雷射與紅外》2019年第10期，版權歸《雷射與紅外》編輯部所有。

宋淑芳，王小菊，田震

華北光電技術研究所

摘要：碲鎘汞紅外雪崩光電二極體（APD）陣列作為最近十多年來發展起來的新型探測器，以其高增益、高靈敏度和高速探測的優點，成為未來微弱信號探測、二維/三維成像、主/被動探測應用的重要器件。本文重點闡述了雪崩光電二極體的基本原理、以及HgCdTe雪崩光電二極體材料和器件的研究，結合應用方向對其研究進展進行了綜述性介紹。

關鍵詞：HgCdTe；雪崩二極體；二維/三維成像

1 引言

紅外光電探測器是紅外探測系統的核心組成部分，以大規模、小型化、多色、高速探測以及三維成像等為主要特點的第三代碲鎘汞（HgCdTe）紅外焦平面探測器已成為紅外光電探測技術的主要發展方向。其中HgCdTe紅外雪崩光電二極體（APD）陣列作為最近十多年來發展起來的新型探測器，以其高增益、高靈敏度和高速探測的優點，成為未來微弱信號探測、三維主/被動探測應用的重要器件。

在可見光波段，矽APD的技術已經非常成熟，基本上取代了傳統的光電培增管（PMT），但是矽材料在紅外波段探測效率低。紅外短波波段，InGaAs/InP雪崩二極體具有優勢，其光譜相應在1100 ~ 1700 nm，吸收層材料為InGaAs，倍增層材料為InP。在紅外波段，HgCdTe雪崩光子探測器（APD）成為很有潛力的雪崩光子探測器。Hg1 - xCdxTe是由HgTe和CdTe混合的三元化合物，其晶格常數隨組分變化小，與CdZnTe襯底可以實現完美晶格匹配。Hg1 - xCdxTe是直接帶隙半導體材料，紅外光的吸收係數及量子效率比較高；通過改變材料組分，可以使器件光譜發生變化，響應波段完全囊括了整個紅外光譜範圍。另外，與其他紅外光電半導體材料相比，HgCdTe材料的空穴與電子離化率差別很大，工作溫度範圍寬，因此增益帶寬積比較寬和信噪比比較高，這些優點使得HgCdTe APD在紅外雪崩光子探測領域具有廣闊的應用前景。

2 雪崩光電探測器的基本原理

雪崩光電二極體（APD）是一種具有較高頻率響應特性和較高內增益的器件。器件工作在高的反偏壓下，當吸收層吸收入射光產生光生載流子，器件內部光生載流子在強電場的作用下與晶格碰撞離化會產生雪崩效應，單個載流子產生的光電流被放大至宏觀上可以被探測的程度，從而實現單光電子探測，如圖1所示為APD的工作原理圖。APD的基本結構是工作於反向偏壓下的pn結，在理想條件下，吸收層吸收每個入射光子，激發產生一個電子-空穴對，電子-空穴對在電場作用下分別向不同方向漂移形成光電流。隨著反向偏置電壓趨於反向擊穿電壓，在pn結的耗盡區形成了強電場，在強電場的作用下，獲得很高的能量光生載流子，與晶格發生碰撞，將晶格中的原子發生電離產生新的電子-空穴對，新的電子-空穴對在強電場作用下獲得很高的能量形成新的碰撞電離過程，如此重複下去形成顯著的雪崩效應，在此過程中APD的載流子數目增加迅速，入射的光信號不斷被放大成電信號，最終向讀出電路輸出較強的電信號。

    

圖1 雪崩光電二極體的工作原理

雪崩光電二極體分為兩種工作模式：線性工作模式、蓋革工作模式。這兩種模式工作在不同的工作電壓下，因此內增益存在明顯的差別。線性工作模式，一般低於雪崩電壓，內增益通常低於1 × 103量級，無法用於單光子的探測。在線性工作模式下APD探測器，材料的電子離化率和空穴離化率存在很大的不同，入射光子數與輸出電流成線性關係，可以實現光子探測。蓋革工作模式APD的工作偏壓比較高，要高於雪崩電壓，反向強電場加速光生載流子觸發雪崩效應，因此在蓋革工作模式APD增益相當高的，通常達到1 × 105，因此用於單光子探測。其工作特點在於，在無自由載流子時，什麼現象也不會發生；而一旦器件中出現一個自由電子，就將很快導致雪崩的發生，雪崩發生後，一直持續下去，直到器件永久損壞，因此需要使用淬滅電路阻止雪崩繼續，並復位偏置電壓，使APD回到初始態，才能進行下一次探測。

在研究初期，研究人員致力於實現紅外APD蓋革模式下工作，並將其應用到雷射雷達（LiDAR）成像系統中，但是在應用過程中發現，探測器在蓋革模式下工作，存在無法直接判斷光信號的強度、一次雪崩發生後探測器需要一段時間來復位該時間內沒有探測能力、虛警率高等問題，無法滿足LiDAR系統靈敏度高、速度快、時間精確性高的要求，而線性模式下的APD，具有可以獲得多個目標的距離信息、降低虛警率、探測碎片後的目標、記錄信號強度、不需要復位電路等優點，有利於應用在LiDAR系統中，因而線性模式下的HgCdTe APD逐步成為了研究的熱點。

3 國內外的研究進展

1993年，Leveque等人發表了關於HgCdTe材料中電子和空穴離化係數的理論性文章，如圖2所示，文中指出，當HgCdTe的截止波長小於1.9 μm時，空穴的離化係數遠大於電子的離化係數，適合空穴觸髮型APD；而當HgCdTe的截止波長大於1.9 μm時，電子的離化係數遠大於空穴的離化係數，適合電子觸髮型APD。由於HgCdTe材料中，兩種載流子可以具有差別很大的離化係數，導致兩種載流子的碰撞電離平均自由程具有大的差異，容易實現單載流子器件，所以雪崩倍增厚度可以在很寬的範圍內變化，而HgCdTe APD始終保持在線性工作模式，即HgCdTe APD具有很寬的線性模式工作偏壓範圍；在高偏壓下，載流子沿著一個方向移動，噪聲低，過剩噪聲因子接近1，因此在倍增過程中，噪聲幾乎不參與培增，這對於製備具有高增益因子的HgCdTe APD紅外成像焦平面探測器是有益的。

圖2 電子和空穴離化係數與組分x的關係圖

從20世紀80年代開始，國外多家紅外探測器製造商相繼進行HgCdTe APD的研究，他們的研究成果逐步從概念性研究發展到實驗室演示成像階段，逐步推廣到實際應用階段。主要研究機構包括DRS、SELEX、Raytheon、CEA / LETI，這些研究機構將其在HgCdTe紅外焦平面探測器方面取得的研究經驗與成果，應用到HgCdTe APD的研發中，推動了HgCdTe APD的發展。

3.1 DRS公司的研究進展

美國DRS公司與英國SELEX公司採用的是高密度垂直集成光電器件結構（HDVIP），HDVIP器件是由早期提出的紅外焦平面環孔pn結器件發展而成的，該器件不需要使用In柱互連技術來製備器件。如圖3所示為HDVIP的結構原理，液相外延（LPE）生長HgCdTe材料，利用刻蝕方法將每個像元刻蝕形成的通路通到襯底，襯底上生長的p型摻雜（摻Au）HgCdTe薄膜為p型層，p型材料的摻雜濃度為8 × 1015~ 1.6 × 1016之間，Hg空位或者Hg空位和Cu提供空穴，部分材料同時摻雜濃度為2 ~ 4 × 1014 In作為施主原子；通過刻蝕及離子注入使p型層改性形成n型層，在刻蝕過程中，佔據間隙位置的Hg原子填充空位，形成n層。n型層環繞在通路側面，形成了n型層被p型層包圍著的特殊結構。pn結的尺寸是可調的，一般通過改變刻蝕的條件來改變。該結構是橫向電流傳輸，p區為吸收區，n區為倍增區，載流子在反向強電場作用下從p區到n區發生雪崩效應。該器件結構的特點主要包括：採用CdTe鈍化技術，器件的1/f噪聲顯著降低；器件不再使用In柱互連技術，器件的熱穩定性好；二極體的成結方向與材料生長方向相垂直，位錯對器件性能的影響減小；器件工作在側入射下，其量子效率及調製函數性能得到了極大地提高了。

圖3 HDVIP器件的截面圖和頂視圖

DRS公司已成功研製了HDVIP中波紅外焦平面器件，規格是2 × 8，每個像元又包括2 × 2的子像元，響應光譜為0.35 ~ 4.3 μm，-12.9 V偏壓下增益達到1100，器件交付NASA GSFC進行測試，平均單光子的信噪比超過12，過剩噪聲因子為1.2 ~ 1.3，展示出良好的器件性能，為實用化奠定了基礎。

3.2 Leonardo公司（前SELEX）的研究進展

英國的 Leonardo 公司（前SELEX）和美國的DRS公司一樣，在研究初期選用了由環孔pn器件發展而來的高密度垂直集成光電器件結構（HD-VIP）作為HgCdTe APD的器件結構，但是在研究過程中發現環孔結構在高反偏壓下，漏電流大，器件需要保持在40 K的低溫工作，因此SELEX於2004年開始研究利用金屬有機物氣相外延（MOVPE）代替液相外延（LPE）外延生長方式，在廉價的GaAs襯底上生長HgCdTe外延層。MOVPE和分子束外延（MBE）類似，可以實現一次生長過程生長不同組分和摻雜的多層HgCdTe材料，能夠精確實現材料能帶結構的「裁剪」。採用優化的異質結結構，結構如圖4所示，即寬禁帶的吸收層和窄禁帶的增益區，實現APD器件高量子效率、高增益、響應快、暗電流低等性能。

2016年，SELEX併入Leonardo，對器件結構進行了進一步的優化，取消了寬禁帶的緩衝層的生長，將響應光譜的短波方向從1.3 μm降低到0.8 μm。截止波長為2.5 μm，在60 K時，-19 V偏壓下增益為637，並成功研製了320 × 256短波紅外焦平面APD。

3.3 Raython公司的研究進展

Raytheon公司是最先開始研究HgCdTe APD的公司之一，他們的研究集中在響應波長為1.4 ~ 1.8 μm，是對人眼安全的波段，該波段的HgCdTeAPD是3D雷射主動成像系統中的核心部件。在器件結構設計方面，採用了吸收和倍增分離的APD器件結構（SAM-APD），詳細的結構如圖5所示，利用分子束外延（MBE）在Si或者CZT襯底上生長五層HgCdTe材料。在結構設計中，使倍增層厚度儘量小，倍增處電場比較均勻，避免不可控制的雪崩擊穿；而吸收層厚度儘量大，使入射的光子大部分被吸收，以提高器件的量子效率；在穿通狀態下，吸收層和倍增層分開以降低器件的擊穿電壓。而且異質結的結構設計，可以提高少子的注入效率，提高載流子的遷移率等，同時可以降低HgCdTe APD的暗電流。因此異質結SAM結構比較適合HgCdTe APD的器件要求。

圖4 MOVPE生長器件結構示意圖

圖5 SAM-APD結構示意圖

Raytheon公司成功研製了HgCdTe APD，工作溫度為300 K，增益為100時，過剩噪聲因子接近於1，暗電流＜10nA，NEP大約為0.5 nW，吉赫茲帶寬，展示出良好的器件性能。目前，Raytheon公司依託低缺陷密度的HgCdTe材料、低噪聲高增益的APD和高質量的ROIC等技術優勢，成功製備了四種不同用途的HgCdTe APD探測器：高靈敏度100 ~ 300 μm大面陣單元HgCdTe APD，4 × 256掃描型LiDAR傳感器，256 × 256快速接收器以及線性模式光子計數器。如圖6所示。

圖6 Raytheon公司的LiDAR產品

3.4 CEA/LETI的研究進展

 

與其他公司相比較，CEA/LETI公司對HgCdTe APD研究起步較晚，但是依託原有成熟的HgCdTe紅外焦平面技術和經驗，CEA/LETI公司的HgCdTe APD研究進展較大，在短短幾年內，已經相繼開展了超高靈敏高動態範圍被動凝視陣列、主動2D/3D成像、雙模被動-主動成像系統。他們選用典型的PIN結構，器件結構如圖7所示。利用LPE或者MBE方法在襯底上外延HgCdTe薄膜，p型層的Hg空位濃度為Na= 1 × 1015 ~ 1 × 1016cm-3，n+區域通過離子刻蝕形成，濃度為Nd= 1 × 1018 cm-3，n+區和p區的Hg空位發生中和，在p區和n+區之間形成了n-區，濃度為Nd= 1× 1014 cm-3，通過改變n+區的厚度來相應的改變n-區的厚度，從而達到改變器件性能的目標。p區為吸收層，吸收入射光子後，電子經過n-區加速倍增後，到達n+區，通過電極In柱由讀出電路讀出信號。

圖7 PIN-APD結構示意圖

CEA/LETI公司已經成功研製了320 × 256中心距為30 μm的2D/3D主動成像，距離解析度低於15 cm（1 ns）。在80 K時，器件的截止波長分別為2.9 μm到5.3 μm，反偏電壓在-20V時，增益達到600以上，過剩噪聲因子為1.1 ~ 1.3，顯示出良好的器件性能。

3.5 中國科學院上海技術物理研究所的研究進展

中國科學院上海技術物理研究所是國內首家進行HgCdTe APD研究的單位，首先對平面結和臺面結HgCdTe APD進行了理論研究，並且對暗電流的主要產生機制進行了分析。利用MBE生長技術製備了PIN結構HgCdTe APD器件，77K時，截止波長為4.76 μm，反偏電壓為-10 V時，增益達到了335。

4 HgCdTe APD的應用

經過十多年的技術研究與開發，HgCdTe APD逐步從實驗演示走向了實際應用。DRS公司和美國航空航天局（NASA）合作，為宇宙飛行中心提供兩種類型HgCdTe APD，一種規格為4 × 4 HgCdTe APD陣列用於追蹤氣體測試，另一種規格為2 × 8線性模式光子計數HgCdTe APD陣列用於大氣背散射測試。HgCdTe APD波長範圍在0.9 ~ 4.3 μm，APD增益大於500，量子效率超過90%，器件噪聲極其低，成為了新型用於星球科學研究的探測器。Raytheon公司提供的四種不同規格的LiDAR接收器，其中單元器件可用於遠距離3D成像，是第一代APD器件；高速4 × 256掃描型LiDAR傳感器是為美國NAVAIR研發，是第二代APD器件，用於多模傳感器尋得器（MMSS），海軍艦艇的監視與觀察，以及目標識別的3D成像；256 × 256凝視型LiDAR接收器是為NASA Langley研發，實現自主精確著陸和危險物避讓技術（ALHAT），主要用於月球著陸和航行的3D成像；而最新研發的超靈敏的光子計數器，可用於深太空天文研究。

圖8 HgCdTe APD的應用和核心的傳感器技術

5 結論

綜上所述，國外機構在HgCdTe雪崩光電二極體研究方面已經做了大量的工作，但是國內的研究仍然處於起步階段，需要突破的關鍵技術主要包括：低缺陷碲鎘汞材料的生長技術，由於HgCdTe APD工作偏壓比較高，材料內部的位錯會引起器件在高偏壓下性能變差，因此要求碲鎘汞外延材料具有低的位錯密度；pn結成結技術，離子注入和退火技術是製備平面結HgCdTe APD的關鍵技術之一，離子注入後，通過退火控制各個區域的位置以及摻雜濃度，形成理想的PIN結構；暗電流抑制技術，暗電流和材料的截止波長、工作溫度以及表面漏電流等因素有直接的關係，需要分析暗電流的主要因素，設計出符合應用要就的器件；高偏壓低噪聲讀出電路設計，HgCdTe APD要求讀出電路滿足高注入和高偏壓的工作特點，對讀出電路設計是一個重大的挑戰；器件評價和測量技術，HgCdTe APD的增益因子、過剩噪聲係數、工作帶寬的測量與普通焦平面探測器件完全不同，需要重新搭建新的測量平臺和採取新的測量技術手段。

本文綜述了HgCdTe雪崩光電二極體的基本工作原理、以及材料和器件的研究，並且簡單介紹了其應用方向和研究進展。從上面的討論可知，HgCdTe雪崩光電二極體無論在民用還是軍用方面都有著廣闊的應用前景。但是我國HgCdTe雪崩光電二極體的研究相對於國外來說，仍然存在著巨大的差距，因此對該方向的研究迫在眉睫。

延伸閱讀：
《雷射二極體和直接二極體雷射器-2019版》
《光纖雷射器技術及市場趨勢-2019版》
《雷射雷達（LiDAR）技術及市場趨勢-2019版》
《雷射雷達技術及核心元器件-2019版》