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HgCdTe APD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（MOCV）D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：

图一、GM-APDFPA原理图

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。

图二、GM-APDFPA结构图

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。

图三、GM-APDInGaAs/InP结构图

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。

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）。

图四、VISA与Z堆叠技术的结构对比

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HgCdTe APD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（Advanced ScientificConcepts）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