導讀

單光子探測器達到了光電探測的極限靈敏度，InP/InGaAs 短波紅外單光子探測器 (SPAD) 是目前制備技術較為成熟且獲得廣泛應用的單光子探測器。通過半導體熱電制冷 (TEC) 即可達到其工作溫度 (?40 ℃ 左右)，具有體積小、成本低，方便安裝和攜帶的應用優勢；另外，基于常規半導體二極管的芯片制造工藝很容易實現大面陣單光子陣列，除了探測微弱信號，還具備三維數字成像功能。國外包括美國、瑞士、意大利、韓國、日本等對InP/InGaAs SPAD進行了長期持續的研究，目前已研制出單管的貨架產品，性能還在不斷地優化和改進之中。國外研制的單光子探測器陣列獲得了清晰的三維成像效果，并廣泛應用于激光雷達三維成像、遠距離目標探測、激光通信等領域。國內包括重慶光電技術研究所、中國科學院上海技術物理所、西南技術物理研究所、中國科學技術大學、云南大學等對InP/InGaAs SPAD芯片進行了器件設計和器件制備研究，目前單管芯片已經達到與國外報道相當的性能。國內單光子探測器陣列的研究獲得了一定的進展，但芯片規模和器件性能有待進一步提升。 ?

本文對近10年來基于InP/InGaAs ?SPAD的技術改進進行了歸納總結，分析了器件設計和研制中面臨的主要問題、技術解決途徑和取得的進展，重點介紹了國內外高溫、高速 InP/InGaAs單光子探測器及焦平面陣列的發展，對探測效率、暗計數率、后脈沖和時間抖動等性能進行了對比分析；最后結合新近出現的離化工程、新機理和新材料體系，探討了短波紅外單光子探測器未來的發展趨勢。 ?

研究背景

工作在通訊波段1310 nm和1550 nm的短波紅外單光子探測器，在光纖通訊、激光雷達、量子保密通訊、無人駕駛等領域具有廣泛的應用需求。結合對人眼安全的應用考慮，1550 nm短波紅外單光子探測器體現出了更為廣泛的應用，同時也對高探測效率、高計數率、高溫工作、低成本的單光子探測器提出了迫切的發展需求。隨著 InP/InGaAs 短波紅外單光子探測器 (SPAD)在材料結構、材料質量、工藝制備和淬滅電路等方面的不斷改進和發展，目前 InP/InGaAs ?SPAD 的性能獲得了顯著的提升，探測效率典型值從 20% 提升到30%，而暗計數率進一步降低，低于kHz。對于1550? nm的單光子探測技術，除了傳統的InP/InGaAs ?SPAD，目前還發展了 Sb 基數字合金構建的低噪聲材料體系、采用離化工程的多倍增 InP/InGaAs SPAD、單片集成薄膜電阻的負反饋自淬滅（NFAD）SPAD、InAlAs/InGaAs SPAD等新材料、新結構、新機理探測技術，使短波紅外單光子探測芯片技術獲得了快速的發展和進步。 ?

主要內容 ? ?

1.InP/InGaAs 單光子探測器性能改進 ?

通過在光敏面上增加抗反射涂層增強吸收，或增加介電-金屬反射層，如圖1所示，提高對入射光子的吸收效率，提高器件的量子效率和探測效率；增加微透鏡增強光線采集能力，減小有源區直徑的同時提高填充因子，如圖2所示。通過增加電荷層中的電荷，在InGaAs吸收區中實現較低的電場，減少來自吸收區場增強產生的暗計數率；提高制備工藝條件使有源區電場更均勻，大大改善了InP/InGaAs SPAD的探測效率、降低了暗計數率，近10年國內外有代表性的進展如表 1 所示。 ?

圖1 中國科學技術大學金屬層和三個周期的SiO2/TiO2布拉格反射鏡組成的增強反射結構

? 圖 2 南韓Wooiro公司設計增加微透鏡SPAD橫截面 ?

表1? 近十年報道的高探測效率InP/InGaAs SPAD的性能匯總

2.高溫工作的 InP/InGaAs 單光子探測器

InP/InGaAs SPAD需要在低溫 (約 230? K) 下工作，以降低暗計數率，但在低溫時SPAD后脈沖大。若器件工作在室溫條件下，同時還能保持可接受的暗計數率和探測效率，對抑制后脈沖、提高計數率具有顯著的優勢。工作溫度為室溫或接近室溫 (如零度以上，通過一級TEC 很容易實現) 被視為高溫工作條件。有別于常規制冷單光子探測器，高溫工作的單光子探測器需要對暗計數進行特別的抑制，一方面，需要對材料結構、器件結構進行特殊的設計，確保吸收區、倍增區與熱有關的載流子激發、隧穿降至最小，由此引發的暗計數最小，暗計數率控制在可接受的范圍內；另外一方面，通過運用正弦門控淬滅電路亞 ns 級的有效門寬，減少暗計數，也能使性能較好的單光子探測器工作在室溫。目前報道的高溫器件性能如表2所示。 ?

表2? 國內外報道的室溫SPAD性能

3.高計數率 InP/InGaAs 單光子探測器

InP/InGaAs SPAD向高計數率發展面臨的一個關鍵問題是死時間不斷變短帶來的后脈沖概率增大。通過采用正弦門、自差分（如圖3所示）等技術目前實現了GHz的高速SPAD，相關的性能指標見表3所示。 ?

圖3 東芝歐洲有限公司自差分電路 ?

表3? 近十年報道的高計數率InP/InGaAs SPAD的性能匯總

4.InP/InGaAs 單光子探測器焦平面陣列

焦平面陣列具有廣泛應用，特別是人眼安全的1550 nm的InP/InGaAs SPAD陣列，可用于三維成像、激光雷達等。美國 MIT 林肯實驗室 (Massachusetts Institute of Technology，Lincoln Laboratory)報道了采用自研的256×64的1064 nm InP/InGaAsP SPAD焦平面陣列，陣列中心距50μm，零度條件下探測效率25%，暗計數率10 kHz，完成了激光雷達三維成像，以下是對Maynard市500 m×500 m面積進行掃描的三維成像圖，如圖4所示，掃描時間10 s，其中的顏色含有距離信息。

圖4 美國MIT林肯實驗室對Maynard市的掃描三維成像圖

5.新材料、新結構單光子探測器

離化工程

對于SAGCM結構的短波紅外單光子探測器，載流子離化倍增時，存在死區效應而需要厚倍增層，這降低了器件的響應速度,通過運用離化工程，增加能量積累層，可以減小死區效應，提高探測效率和響應速度，同時降低器件的過剩噪聲因子。 ?

電子倍增InGaAs/InAlAs SPAD

倍增層材料除了空穴倍增的InP材料外，可以用與InGaAs晶格匹配，電子倍增的In0.52Al0.48As作為倍增材料。相比于InP材料，In0.52Al0.48As帶隙更寬，雪崩擊穿電壓的溫度依賴性相對InP更不敏感，因此InAlAs材料的SPAD工作溫度具有靈活性。與InP/InGaAs SPAD相比，InGaAs/InAlAs SPAD具有高增益帶寬積、低過深噪聲、低溫度系數和高靈敏度等優點。 ?

AlInAsSb數字合金雪崩光電二極管

GaSb基的AlxIn1-xAsySb1-y數字合金材料通過調整AlxIn1-xAsySb1-y中Al、Sb的成分可調整材料帶隙，響應波長有望擴展到2000 nm或更長，具有與Si相當的低過剩噪聲因子，是發展高性能短波紅外單光子探測器的一個重要材料選擇。目前該器件在擊穿前已獲得高達100的穩定增益，1550 nm波長處實現了大于80%的量子效率。弗吉尼亞大學報道的InAlAsSb數字合金雪崩光電二極管結構如圖5所示。

圖5 弗吉尼亞大學報道的InAlAsSb數字合金雪崩光電二極管

結論

近10年國內外研究團隊通過優化器件結構、制備工藝以及雪崩信號提取電路顯著提高了 InP/InGaAs SPAD的性能，高探測效率、低暗計數率、室溫InP/InGaAs短波紅外單光子探測器獲得快速發展。提高工作溫度到室溫或零度以上，是降低后脈沖的一個有效解決途徑，同時可顯著減小封裝體積、降低成本。具有更小溫度系數、帶隙更寬且與吸收層 InGaAs晶格匹配InGaAs/In0.52Al0.48As SPAD，其探測效率、暗計數率目前不如 InP/InGaAs SPAD，需要進一步改進提高。隨著對三維成像的巨大發展需求，單光子焦平面陣列在規格和性能方面的提升是目前單光子探測器研究的一個重要工作。利用InAlAsSb合金材料制備的雪崩光電二極管顯示了較高的量子效率和穩定的雪崩增益，有望應用于高性能短波紅外單光子探測器制備。?




審核編輯：劉清