焦平面APD探测器的国内外技术现状和发展趋势_图文

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1、红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势焦平而APD探测器的背景及特点焦平而APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路（ROIC）两部分组成，其屮APD是核心元件。1、APD雪崩光电二极管（APD）是一种具冇内部增益的半导体光电转换器件，具冇量了响应度高、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

2、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，采用单脉冲焦平而阵列成像方式；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ROTCo缺点：1）存在死时间效应：GM-APD

3、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Z间串扰更严重。（2）线性模式APD阵列的特点优点：1）光子探测率髙，可达90%以上；2）冇较小的通道串扰效应；3）具有多目标探测能力；4）可获収回波信号的强度信息；5）相比于GM-APD,LM-APD对遮蔽冃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）读出电路的复杂度人于GM-APD（需对输入信号进行放大、

4、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。其屮Si的由于波长在lum左右，由于材料限制很难做到人于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HgCdTeAPD为硏究的热点内容。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)的焦平血探测器(1)技术手段：1)APD阵

5、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：釆用CMOS_E艺代工流片。3)封装技术：采用陶瓷封装等将APD和ROTC集成在一起的探测器封装，再封装到半导体热电制冷(TEC)方式使具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焦血探测器；2001年研制出Gen-I系统；2002年研制岀微型化的Gen-I

6、1；2003年研制出Gen-III(APD阵列:32*32)；2011年研制出ALTRT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)主耍的研究机构：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：ROIC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

7、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丿加淬灭，数据经传输处理获取目标三维距离信息。入射光石英玻璃光窗iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii三级TEC1IlriH「nnI】口n1】11hnh气密封装的金加管壳图二、GM-APDFPA结构图如图二所示：InGaAs/InPAPD阵列通过In柱了的倒装和下而的ROIC芯片集成，通过陶瓷封装Z后，再封装到含冇三级半导体热电制冷器(TEC)和石英玻璃光窗的金属管壳。P电扱1Tttt背照入射光图三、GM-APDInGaAs/InP结构图如图三所示

8、：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、棊于线性模式APD(LMAPD)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RO1C集成在一起的探测器封装，再封装到半导体热电制冷(TEC)方式使其工作为浅低