一种高速度高密度的单光子雪崩二极管探测器的研究与设计

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1、南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论革模式下的时候才具备单光子探测能力，通常称作单光子雪崩二极管（SinglePhotonAvalanchePhotoDiode，SPAD）。SPAD由于量子效率高、对磁场和辐射不敏感以及在高增益下仍能保持良好信噪比的优点而在弱光探测领域比PMT更具优势，同时SPAD还具有响应速度快、体积小、质量轻、功耗低等特点，所以近年来许多知名国际企业与研究机构都对SPAD探测器的设计和制造技术进行了深入研究。以MIT实验室（MassachusettsInstituteofTechnology）为例，他们先后解决了半导体制造工艺、读

2、出电路设计、串话干扰等技术难题，将SPAD与互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetalOxideSemiconducto，[8,9,10]CMOS）技术完美地结合起来，使得较大规模、较大面积的SPAD阵列制造成为可能。近年来以SPAD作为核心探测器件的单光子探测器的设计水平和制造工艺发展非常迅速，同时，先进的专用集成电路技术（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC）和高效的数字读出方式的出现也使得SPAD阵列的读出电路变得简单可靠，并最终具备了进入实用阶段的条件。SPAD列阵探测器除了兼具单光子信号探测和

3、皮秒量级的时间分辨率这两大优点，还可以在探测光子信号的同时获得其时间和空间信息，实现对目标的三维成像探测。由于SPAD这个特殊器件本身的限制，目前的实验室研究中，已经实现的集成度最[11]高的探测阵列是128×128的规模，可见，制造出规模大、稳定性高、功耗低的SPAD阵列已经成为各大厂商未来的主要目标。1.2单光子雪崩二极管探测器的原理及其应用1.2.1单光子雪崩二极管的工作原理雪崩光电二极管（APD）是一种在PN结上进行重掺杂而形成的光电探测器件，通常工作在强反偏压模式下，基于碰撞电离和雪崩倍增的物理机制对光电流进行放大。在强反偏压模式下，APD的耗尽层存在强

4、电场，光子入射后激发的自由载流子扩散进耗尽层后受到强电场的作用而进行高速的漂移运动，因而具有极高的概率能与晶格发生碰撞。所谓碰撞电离，就是指载流子将原子从晶格中撞出从而造成新的电子空穴对的过程。强电场作用下，新生的电子空穴对继续碰撞晶格，使得上述的碰撞电离继续发生，而新的电子空穴对也不断产生，PN结内的自由载流子越聚越多，反向电流急剧增大，这种作用即雪崩倍增。单光子雪崩二极管就是利用APD的雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的光子检[12]测器。理论上，当APD的反向偏压无限接近其雪崩阈值电压时，认为电流增益接近无穷大；实际上，当APD的反向偏压不超过雪崩电压时，

5、电流增益增长到一定量就会饱和，2南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论该饱和值无法确保APD一定能够检测到单光子信号。因此，通常使APD两端的偏置电压高于其雪崩电压，确保当有光子信号到达时，APD会被迅速触发而产生雪崩，这种偏置方式称为盖革模式。由于APD只有工作在盖革模式下才具备单光子探测能力，所以通常直接用单光子雪崩二极管（SPAD）来表示。图1.1是SPAD探测器的原理图。单个光子入射到SPAD的表面时，通过材料的光电效应在SPAD的吸收层激发出一个光生载流子，进而触发其雪崩过程。宏观上表现为单个光子的入射引起了一个非常大的雪崩信号，该雪崩信号经外

6、围电路提取、放大、整形后进入计数器，从而实现单个光子的探测。图1.1单光子雪崩二极管（SPAD）探测器的原理图1.2.2单光子雪崩二极管的应用SPAD最明显的优势在于其单光子的探测灵敏度和皮秒量级的响应速度，先进的工艺制作技术的发展使其成为近年来备受关注的一种先进的光电探测器件。在天文学中，SPAD[13][14]探测器可用于探测微弱光辐射；生物化学中，可用于研究微弱荧光现象和DNA[15][16]（Deoxyribonucleicacid）反应；量子通信中，可用于秘钥分配。例如，经典的85式[17]军用激光测距机就是SPAD探测器，SPAD是该激光测距机的核心器

7、件，其性能的优劣及工作参数设置的好坏直接影响到激光测距和激光雷达系统性能的发挥。国防高科技化的需求推动了量子保密通信技术以及激光雷达技术的不断提高，对于军事上的导弹预警和卫星侦察等光照条件接近极限的研究，现有的微光探测仪器已经无法满足需要。采用SPAD阵列进行成像能够为正确识别和跟踪目标提供更多的决策信息，提高目标识别概率和可靠性，广泛应用于卫星跟踪、洲际导弹预警、激光武器以及常规防空武[18]器预警等领域。3南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论1.3单光子雪崩二极管探测器的研究现状SPAD探测技术的研究已经取得了很大的成就，目前主要是从以下两方面进行

8、改进，即S