碲镉汞雪崩光电二极管近年研究及应用进展

碲镉汞雪崩光电二极管因其具有高增益、高带宽、高量子效率、低噪声的优良性能,在主动/被动成像、激光雷达、波前传感和光子计数等低光子探测领域有着广阔的应用前景,国外研究机构在该领域采用不同的技术路线进行了深入研究。

麦姆斯咨询报道,近期,华北光电技术研究所胡易林等人在《激光与红外》期刊上发表了以“碲镉汞雪崩光电二极管近年研究及应用进展”为主题的综述文章。

这项研究阐述了雪崩光电二极管(APD)原理及结构,重点对近年来国外相关研究进展及应用情况进行了介绍,并对国内研究机构在碲镉汞APD仿真模拟、器件制备等方面的研究成果进行了总结。

碲镉汞APD目前应用的技术方案可以分为平面/台面PIN型、环孔型以及吸收-倍增分离型(SAM)。按照电流传输方向区分,平面/台面PIN型与SAM型属纵向电流传输型,环孔结构的APD电流传输方向为横向。其中平面/台面PIN型最早实用化并且目前应用最为广泛,CEA-LETI、BAE、AIM以及上海技术物理研究所均使用该方案。环孔型是DRS公司选用的研究路线,采用高密度垂直光电二极管结构(HDVIP),其结构本质依然是PIN型。制备吸收-倍增分离型(SAM)碲镉汞APD中的吸收区与倍增区分离,通常使用MBE、MOCVD等技术直接生长多层异质结的碲镉汞材料,选用SAM型碲镉汞APD的代表是美国Raytheon公司,选择使用MBE法生长碲锌镉基碲镉汞。

随后,该研究详细介绍了Leonardo公司SAPHIRA系列APD、DRS公司HDVIP结构APD、Raytheon公司SAM型APD、CEA-LETI平面PIN型APD以及BAE公司平面PIN型APD等国外机构的研究进展。在国内机构研究进展中,重点分析了上海技物所在暗电流机理、器件模拟、器件制备的研究成果,认为上海技物所制备的碲镉汞APD FPA可以达到高增益、低过剩噪声等技术指标,但在低通量应用中仍有待提高。另外分析了昆明物理研究所相关研究情况。

部分国外机构碲镉汞APD的结构示意图

这项研究最后总结道,自新世纪以来,国外公司对碲镉汞APD进行了深入研究并取得了一系列研究成果,各公司根据自身技术水平选择了不同的技术路线,并且根据结构需要选择不同的制备技术生长碲镉汞材料,已经成功制备高性能器件并应用于航天、安全等领域。相比较而言,国内对碲镉汞APD研究起步较晚,目前上海技物所的研究水平处于领先位置,已经制备成功增益可达728的128×128/50μm的碲镉汞APD阵列,昆明物理所也对该领域开展研究并成功制备器件。虽然近年来国内相关研究出现了可喜的进步,但仍与国际先进水平存在一定差距,尤其是并未见到实际应用有关的进展情况。由于碲镉汞APD在军用及民用领域均有广阔应用前景,所以我国应持续推进相关研究进步,追赶国外厂家,以早日达到国际先进水平。

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