碲镉汞雪崩光电二极管在激光雷达上的应用

碲镉汞雪崩光电二极管在激光雷达上的应用刘兴新【摘要】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.%The main military applications of LADAR are first presented in this review. The requirements of LADAR on detector characteristics and the developing status of LADAR detectors are introduced in the second part. The characteristics and category of HgCdTe avalanche photodiode( APD) ,the advantage of HgCdTe APD used as LADAR detector are discussed in the third part. The state of the art of HgCdTe APD for LADAR application is reviewed in the fourth part. In the last part the feasibility of developing HgCdTe APD LADAR detector in our country is discussed.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2012(042)006【总页数】6页(P603-608)【关键词】碲镉汞;雪崩光电二极管;激光雷达【作者】刘兴新【作者单位】华北光电技术研究所,北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN958.98激光雷达意义为激光探测和测距（LAser Detection And Ranging，LADAR），是激光技术与雷达技术的结合。

激光雷达采用激光脉冲主动照射感兴趣的目标区域，通过测量从目标反射回来的光的强度、相位、飞行时间、频移等物理量，获得目标的信息。

传统雷达技术工作波长在毫米波、厘米波或更长，探测目标信息主要利用电磁波的波动性；而激光雷达工作波长要比传统雷达短得多，为微米量级，激光雷达工作主要利用光的粒子性，光束比雷达窄得多，具有高度的定向性，使激光雷达与传统雷达性能具有质的差异。

通过单脉冲激光照射目标，可获得目标的三维图像（距离 -角度 -角度），也可同时获得目标的光强度图像，并可采用距离选通的方式去除目标前、后的背景信息，将目标信号提取出来；经过数据处理，三维激光成像可获得与照射方向不同视角的目标像，上述能力使三维激光雷达具有独特的识别伪装或隐蔽目标的能力。

因此，三维成像激光雷达是该技术长期追求的目标。

脉冲激光技术已经成熟，三维激光雷达的发展主要受限于没有合适的探测器。

20世纪末，碲镉汞雪崩光电二极管探测器阵列打通了三维成像激光雷达的发展道路，激光雷达随之进入重要军事应用领域。

为了获得人眼安全、高灵敏度、高分辨率、大视场凝视成像能力，激光雷达对接收器主要有以下几方面的需求：探测器工作于人眼安全波长、灵敏度高、大规格阵列、大面积探测器、高速度、探测器阵列与读出电路像元级互连集成；综合搜索／跟踪系统的集成度和可靠性要求探测器能兼容大视场被动搜索与小视场主动跟踪双模式工作等。

现以美国DARPA支持的Jigsaw计划开发的“高分辨率三维成像激光雷达传感器”［1］为例，说明典型激光雷达军事应用对探测器的需求。

该激光雷达安装于机载平台，用于对地面有伪装或隐蔽在植物下的军用车辆的成像和识别，由麻省理工学院（MIT）林肯实验室完成开发工作。

为了获得大探测凝视角（FOR），首先要求探测器大面积、大规模阵列。

Jigsaw应用要求机载平台上探测范围覆盖20 m的区域、采样精度7.5 cm。

采用成熟的大规模探测器（盖革模式硅APD探测器，32×32元，像元间距为 100 μm×100 μm，像元有效面积30 μm× 30 μm），当满足7.5 cm横向距离分辨率时，探测器可提供的视场面积10.1 mrad×10.1 mrad。

由于探测器尺寸所限，系统只好采用光束扫描机制来获得足够的探测区域。

如果不用扫描方式，要求探测器阵列规模大于256×256元。

大规模探测器阵列要求用于信号处理的读出电路能与探测器像元一对一直接互连，可大幅度提高系统的集成度和可靠性。

由于要求激光能够照射到整个所感兴趣的区域和所期望的距离（如数公里），而激光功率是有限的，这就要求探测器能够达到或接近单个光子的灵敏度，探测器具有响应率、高增益、低噪声，并能够区分背景光子与信号光子。

工作在人眼安全波长是激光雷达的重要需求（光波长约1.57 μm为人眼安全波长）。

人眼安全波长的激光器技术已较成熟，激光雷达能否满足该需求目前取决于探测器的响应波长。

目前用于激光雷达接收器的探测器主要是硅或Ⅲ-Ⅴ族化合物半导材料的雪崩光电二极管（APD）探测器阵列，工作模式分为盖革模式和线性模式。

在盖革模式 APD工作偏压高于探测器二极管的击穿电压，大于阈值的光子可产生二极管的雪崩击穿。

盖革模式可产生强度为数伏的信号，可直接驱动 CMOS数字逻辑电路，实现全数字的低功耗探测器像元结构，有利于制成更小的探测器像元，具有大规模阵列的发展潜力。

但盖革模式 APD探测器存在重要技术限制。

第一，盖革模式 APD探测器只能判断信号光子的有／无，不能直接判断信号光子的强度；第二，由一个光子触发雪崩击穿后，探测器需要一段时间（Deadtime）来复位探测器，该时间内二极管没有探测能力，复位时间一般为 10～100 ns；第三，盖革模式的探测器存在高虚警率问题，探测器存在对背景光子计数或探测器的暗计数率；第四，发射机发射的激光能量、探测器的信噪比和探测器的阈值都对探测器的光子探测器效率（PDE）产生影响，探测器要工作在上述参数合适的窗口内才具有可靠性；另外，探测器制造技术方面，主要难度在于探测器材料击穿电压均匀性控制。

线性模式的 APD探测器工作在低于雪崩击穿电压的线性放大区，产生的电信号强度与光信号强度成正比。

这种探测器主要优点是：第一，可同时探测到返回信号光子的强度和往返时间（折算成目标该点距离）；第二，探测器无需恢复时间；第三，探测器可区分杂散辐射和信号光子。

这种模式的探测器缺点主要是读出电路的复杂程度和系统功耗问题：由于产生信号较弱（如几千个光电子），在像元电容上产生的信号为毫伏量级，像元要求额外的电子放大器和阈值开关驱动逻辑电路。

为了达到激光雷达要求的高带宽、大动态范围，要求较高直流偏置电流；线性模式输出需要采用数字／模拟转换器转换成数字信号，探测器像元数达数千时实现单像元偏置下高带宽数字／模拟转换，带来功耗问题。

随着探测器技术的发展，特别是工作在线性模式碲镉汞雪崩光电二极管探测器阵列技术的发展，功耗方面的技术问题正在不断解决，线性模式 APD探测器成为激光雷达探测器的重要发展方向。

下面分析对比现有几种激光雷达接收器材料特性。

传统APD探测器材料主要有Si，Ge或InGaAs。

图1是传统激光雷达探测器光谱范围和量子效率。

雪崩光电二极管在近红外区域具有很高的量子效率，但它们的有效面积较小。

为了降低热噪声，一般近红外探测器工作需制冷。

Si-APD探测器阵列附加噪声因数低，适用于光子计数探测器，但响应截止波长1.0 μm，不能满足人眼安全工作波长需求；Ge-APD截止波长为1.45 μm，接近人眼安全波长，但探测器附加噪声因数过高；为了探测器人眼安全的1.5 μm信号，人们研发截止波长为1.7 μm的InGaAs-APD，但该探测器附加噪声因数远高于 Si-APD。

碲镉汞雪崩光电二极管探测器阵列是20世纪90年代新开发出的激光雷达探测器。

由于碲镉汞材料的独特能带结构，碲镉汞 APD探测器独有的单载流子（电子或空穴）倍增放大的特性，使其可以有极低的噪声和极高灵灵敏度和响应速度，可制成大面阵，探测响应截止波长可调，可工作于人眼安全波长。

碲镉汞APD接收器阵列的成功开发，为三维成像激光雷达打开了快速的发展的道路，打开了通往新一代主动／被动系统的能力和应用的大门。

碲镉汞 APD探测器阵列是优秀的被动红外探测器，这种激光雷达接收器的应用可将被动红外探测能力结合到三维成像激光雷达中，如使系统综合具备目标截获／识别和跟踪两个探测阶段的功能，这使其他探测器无以匹敌。

碲镉汞APD在低光通量、超光谱、二维／三维成像方面也显示出强大的应用潜力，在军事、宇航、科研应用方面得到了大力支持和快速发展，下面介绍这种探测器的特性、制备及研制重点。

3.1 雪崩光电二极管探测器性能雪崩光电二极管是通过光生载流子在耗尽区碰撞电离实现信号放大的。

在半导体材料中，电子和空穴两种载流子都有电离倍增的趋势。

在倍增放大过程中，如果电子和空穴两种载流子都得到电离倍增，则放大过程不可预计，并最终引发不稳定的无限增益情况。

另外，光学光子与电子和空穴在倍增区相互作用，都会消耗载流子的动能，使倍增过程进一步随机化；理想情况是只有一种载流子被电离，增益过程是确定的，因而获得确定的光生信号。

空穴碰撞电离系数表示为β，电子碰撞电离系数表示为α，定义电离系数比k＝β／α作为电子和空穴的相对电离率的量度：k接近1，放大过程不可预计；k＝0或∞，只有一种载流子被电离，增益过程是确定的。

k值是材料的固有属性，常用 APD材料的 k值为：Si-0.02，Ge-0.9，InGaAs-0.45，HgCdTe-0（电子）。

k值的大小决定探测器的附加噪声因数，进而决定探测器的噪声电流密度。

随增益变化的噪声被称为APD附加噪声（excess noise）。

由于附加噪声的存在，随着增益的增大，噪声的增大速度大于信号的增大速度，使探测器的信噪比降低。

APD探测器噪声电流密度：附加噪声因数：当k＝0，且在增益 M较高时：图2是常用 APD材料的 k值及它们的附加噪声因数随增益的变化情况。

图 2可见增益同为 100时Ge-APD和InGaAs-APD探测器的附加噪声因数要比 HgCdTe-APD高近2个量级。

3.2 碲镉汞材料特性与Ⅲ-Ⅴ族半导体材料和硅APD不同，碲镉汞APD工作在线性模式。

在外加偏压所形成的高电场耗尽区内，光生载流子由于碰撞电离而被倍增放大。