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

(ROIC) 两部分组成，其中APD是核心焦平面 APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路

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-mode APD（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-mode APD 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： Si APD 、 Ge APD、 InGaAs APD、HgCdTe APD。

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 InGaAs APD 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-mode APD(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：（ 3）主要的研究机构：

美国 MIT 林肯实验室、波音（ 4）结构及其原理框图：APD阵列：

Spectrolab

256*256 ，测量精度：5cm 以内。

公司、 Princeton Lightwave公司等

图一、 GM-APD FPA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-APD FPA结构图

如图二所示： InGaAs/InP APD 阵列通过 In 陶瓷封装之后，再封装到含有三级半导体热电制冷器柱子的倒装和下面的ROIC芯片集成，通过(TEC) 和石英玻璃光窗的金属管壳。

图三、 GM-APD InGaAs/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（Vertically Integrated Sensor Arrays，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