焦平面APD探测器的国内外技术现状和发展趋势

红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势一、焦平面APD探测器的背景及特点焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。1、APD雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200倍，有很好的微弱信号探测能力。2、APD阵列的分类按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-modeAPD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。（1）Geiger-modeAPD阵列的特点优点：1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测；2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离分辨率，厘米量级；3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式；4）较低的功耗，体积小，集成度高；5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。缺点：1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。（2）线性模式APD阵列的特点优点：1）光子探测率高，可达90%以上；2）有较小的通道串扰效应；3）具有多目标探测能力；4）可获取回波信号的强度信息；5）相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。缺点：1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作）。（其信号测量包括强度和时间测量两部分）按照基底半导体材料APD可分为：SiAPD、GeAPD、InGaAsAPD、HgCdTeAPD。其中Si的由于波长在1um左右，由于材料限制很难做到大于32*32的阵列，再考虑到人眼安全以及军事对高功率激光的需求，工作波长在：1.5um的InGaAsAPD及HgCdTeAPD为研究的热点内容。二、国外的技术现状按照APD的工作区间进行分类讨论。1、基于Geiger-modeAPD(GM-APD)的焦平面探测器（1）技术手段：1）APD阵列：主要采用p型衬底金属有机气相外延（MOCVD）及台面工艺方法；或者n型衬底P扩散平面工艺方法制备。2）ROIC：采用CMOS工艺代工流片。3）封装技术：采用陶瓷封装等将APD和ROIC集成在一起的探测器封装，再封装到半导体热电制冷（TEC）方式使其工作与浅低温的条件。4）APD和ROIC的集成：块接(Bump-bonding)技术或者桥接(Bridge-bonding)技术。（2）发展历史：1998年林肯实验室研制出4*4的APD焦面探测器；2001年研制出Gen-I系统；2002年研制出微型化的Gen-II；2003年研制出Gen-III（APD阵列：32*32）；2011年研制出ALIRT系统（APD阵列：32*128）；目前为止已经可以实现：APD阵列：256*256，测量精度：5cm以内。（3）主要的研究机构：美国MIT林肯实验室、波音Spectrolab公司、PrincetonLightwave公司等（4）结构及其原理框图：如图一所示：激光发射的同时产生一个计时开始信号（start）；当光子回波到达时产生一个COMS兼容的电压脉冲(stop)；该脉冲使读出电路时间测量单元停止计数；光脉冲到达的时间数字化，同时降低偏置实现雪崩淬灭，数据经传输处理获取目标三维距离信息。图一、GM-APDFPA原理图如图二所示：InGaAs/InPAPD阵列通过In柱子的倒装和下面的ROIC芯片集成，通过陶瓷封装之后，再封装到含有三级半导体热电制冷器(TEC)和石英玻璃光窗的金属管壳。如图三所示：采用背照入射平面结构，材料结构上采用光吸收雪崩倍增层分离的、具有能带渐变层和电荷层的结构。图二、GM-APDFPA结构图图三、GM-APDInGaAs/InP结构图2、基于线性模式APD(LM-APD)的焦平面探测器（1）技术手段：1）APD阵列：主要通过分子束外延生长（MBE）进行制备2）ROIC：采用CMOS工艺代工流片。3）封装技术：采用陶瓷封装等将APD和ROIC集成在一起的探测器封装，再封装到半导体热电制冷（TEC）方式使其工作与浅低温的条件。4）APD和ROIC的集成及其结构：Z堆叠（Z-stacking）技术，或者垂直互连探测器阵列技术（VerticallyIntegratedSensorArrays，VISA）。如图四所示：VISA采用垂直互连代替Z最堆叠中的平行结构，其可以克制芯片的长度限制，用于制造更大规模的探测器阵列和更复杂的片上信号处理系统。图四、VISA与Z堆叠技术的结构对比图五、VISA的焦平面探测器结构（2）发展历史：2000年开始Raytheon在国防预先研究计划局(DARPA)支持下先后研制了：4*4,32*2,10*10,4*256等不同规格的APD阵列探测器；2001年开始DRS公司对HgCdTeAPD进行研究，并利用高密度垂直集成光电二极管的结构开发圆柱形N-on-PAPD；2005年开始ASC公司开发了一系列3D闪光激光探测成像传感器InGaAsAPD阵列（APD阵列128×128）；2007年，Raytheon研制了一种应用于导弹系统和海军空中作战中心的HgCdTeAPD三维成像雷达（APD阵列2×128），目前仪可以做出256*256；2007年，DSR公司在美国陆军CELRAP计划支持下开发了HgCdTeAPD脉冲无扫描激光雷达系统（APD阵列128×128，增益可达1000倍）；2011年，法国CEA/LETI和DEFIR实验室研制了一种具备主动和被动成像能力的HgCdTeAPD三维闪光激光雷达（APD阵列320*256）；目前为止：APD阵列320*256（近年已经达到515*512）；分辨率：ns量级；增益大于100（3）主要的研究机构：美国的：雷神公司（Raytheon）、DRS公司、ASC（AdvancedScientificConcepts）公司、LockheedMartin公司；法国的：CEA-Leti公司等等（4）一些典型的APD阵列结构及原理图图六、Raytheon旗下的各带产品如图七所示是：Raytheon公司的一款256*4APD阵列的产品，其ROIC和APD阵列封装在TEC中，TEC使其在浅低温环境下工作，周围的电路板提供旁路电容器、多路复用器、LVDS接收器等等。如图八所示：为法国CEA/LET研制的APD阵列为：320*256的焦平面探测器的ROIC原理图，处理系统采用脉冲飞行时间法（TOF）测距，读出电路由CTIA放大器、比较器、锁存器和采样保持电路组成.其强度测量采用与CCD类似的积分形式实现；其时间测量采用对基准参考电压采样实现；其原理右图所示脉冲发射(T1)后，参考电压开始随时间线性增加，当激光脉冲回波到达(T2)后，触发锁存器，对参考电压采样即V3D，根据电压的大小，即可判定脉冲回波时间，获取目标距离。图七、Raytheon产品APD阵列256*4的结构图图八、ＣＥＡ／ＬＥＴ的ROIC结构图和计时原理图如图九所示：可以很清楚的看出HgCdTe的增益大小和环境噪声基本无关，并且一直保持很小，即相比于Si和InAlAs，HgCdTe的大增益抗噪声能力更强。对比一下GM和LM：图九、各材料的增益和噪声的关系图图十、LMAPD和GMAPM的对比如图所示易知：1）GM的APD的增益比LM大很多2）GM的ROIC噪音比LM大的多3）GM不能测强度但是LM能4）GM的效率比LM小的多三、国内的技术现状及与国外对比1、国内技术现状（1）发展历史：2004年在863计划支持下，我国研制出机载推帚式激光三维成像系统（APD阵列：1*16）2010年电子科大设计了光纤耦合APD探测系统（APD阵列：4*4）2012年上海光机所设计了一种GM-APD（APD阵列：3*3）2012年清华大学设计了APD激光雷达系统（APD阵列：1*16）2013年哈尔滨工业大学设计了一种APD探测器（APD阵列：5*5）上海技术物理所设计了一款了（APD阵列：1*25）（2）主要研究机构：电子科技大学、上海技术物理所、上海光机所、清华大学、哈尔滨工业大学等（3）现存的状况：我国在阵列化APD焦平面探测器的研究工作处于起步阶段，国内公开发布的阵列APD探测系统像素数量较低，由于受到相关器件和半导体光电探测器生产工艺的限制，以及国外对高灵敏度探测器的技术封锁，国内的大部分还处于理论和实验验证的阶段，大部分关键技术和国外相比有较大的差距。2、国内外技术对比如图十一所示：中国和国外的APD阵列的探测器的无论是阵列规模还是系统的各项参数都远不及国外。中国需要在APD阵列探测器的系统层次上设计及系统性能的研究上着手跟上世界先进的步伐。图十一、国内外APD阵列探测系统的对比四、未来的发展趋势近年来国外一些国家已经研制出多种模式的阵列APD探测器和接收处理系统，并制造出实用化的设备，APD阵列像元数可达512×512，探测范围将包含从可见光到中波段红外线（MWIR），探测器噪声越来越低的同时精度和灵敏度也逐步提高，应用范围更加广泛，包括了光谱测量、机载成像、深空探测等，并且已经在军事领域扮演重要角色的基础上开始向民用领域上进行市场大进军。而随着材料科学的发展，单光子灵敏度的LMAPD阵列的发现，使得LM-APD已经取代了GM-APD的优势地位。为了三维探测的需求其发展趋势如下：1、APD阵列应具有：更大的象元素量、更高的饱和阈值、更大的增益、更高的动态范围、更高的工作温度、更高的距离分辨率以及更小的象元尺寸等。2、ROIC应具有：更小的体积、更小的信号处理复杂度、更低的信号噪音、更低的信号处理的带宽等。3、整体上应具有：更高的象元集成度、更小的体积、更低的功耗性能、片上偏置电压非均匀性校正、更低的制造成本、以及更简洁的工业批量生产工艺。4、在发展硬件系统设计的同时，图像处理技术的发展也是不可或缺的。五、参考文献1、JeffBeck.GatedIRimagingwith128×128HgCdTeelectronavalanchephotodiodeFPA[C].ProceedingsofSPIE,2007,6542:17.2、M.A.Albota,R.M.Heinriechs,D.G.Kocher,etal.Threedimensionalimaginglaserradarwithaphotoncoutingavalanchephotodiodearrayandmicrochiplaser[J].ApplOpt.2002,41(35):7671-7678.3、BORNIOLE,ROTHMANJ,GUELLECF,etal..ActiveThree-dimensionalandthermalimagingwitha30μmpitch320×256HgCdTeavalanchephotodiodefocalplanearray[J].Opt.Eng.,2012,51(6):06305.4、AdvancesinLinearandAreaHgCdTeAPDArraysForEyesafeLADARSensors.2001SPIE·0277-786X/015、HgCdTeAPD-basedLinear-ModePhotonCountingComponentsandLADARReceivers.2011SPIE·CCCcode:0277-786X/116、EricdeBorniol,FabriceGuellec,JohanRothman.HgCdTe-basedAPDfoca