近红外单光子探测焦平面阵列及雪崩倍增机理研究

Single photon sensitive near infrared weak optical signal detection has great application prospect in the field of information perception, the single photon avalanche photodiode detector APD focal plane array is the current and future 3D imaging laser radar system’s ideal detection chip. Subject to the development of 32 x 32 single photon detection APD focal plane array suitable for laser radar applications as the goal, In view of the key problem, we attend to study the origin of the impurities and defect in the material of InGaAs and InP, reveal the internal relations and rules which affect the avalanche process under Geiger mode. By adjusting the parameters of the multiplication region, charge layer and absorption area, optimize the electric field and the band gap variation, improve the performance of the APD . By solving the key problems in material growth and the process of preparing the array, controlling the defects and heterojunctions material surface dislocation, improve the uniformity of materials and devices effectively. Develop new structure to inhibit electrical and optical crosstalk across the array. The 32×32 InGaAs APD array: size 50μm，detection wavelength 1.06-1.55μm，detection efficiency more than 15%。

具有单光子级别的近红外弱光探测技术在信息感知领域具有巨大的应用前景，以雪崩光电探测器APD构成的单光子探测焦平面阵列是当前及未来三维成像激光雷达系统中的关键芯片，是目前国际上高度关注的研究热点。本课题以发展用于激光雷达的32×32单光子探测APD焦平面阵列为目标，针对其中的关键问题开展研究，主要研究内容包括：研究InGaAs、InP材料中各种杂质、缺陷产生机制，揭示盖格模式下缺陷影响雪崩过程的内在关系和规律；通过倍增区、电荷层以及吸收区参数的变化调节各区域电场和带隙分布，优化APD盖革模式下工作性能；通过解决材料生长和阵列制备工艺中系列关键问题，控制材料中缺陷和异质结界面位错，有效提高材料与器件的均匀性；发展新型结构抑制阵列各面元间电串扰和光串扰；实现32×32 InGaAs APD面阵，像元尺寸50μm，探测波长近红外1.06-1.55μm，单光子探测效率大于15%。

具有单光子级别的近红外弱光探测技术在信息感知领域具有巨大的应用前景，以雪崩光电探测器APD构成的单光子探测焦平面阵列是当前及未来三维成像激光雷达系统中的关键芯片，是目前国际上高度关注的研究热点。本课题以发展用于激光雷达的32×32单光子探测APD焦平面阵列为目标，针对其中的关键问题开展研究，针对盖格模式下InGaAs/InP雪崩倍增探测器进行了系统的模拟仿真和结构设计研究；建立了吸收区、电荷区和倍增区分离结构器件的电场模型，研究倍增层厚度和电荷区面掺杂浓度对器件雪崩电压，倍增因子、倍增噪声及隧穿过程的影响，通过模拟和计算确定了各功能材料的掺杂浓度和厚度，并对其进行优化，通过倍增区、电荷层以及吸收区参数的变化调节各区域电场和带隙分布，优化APD盖革模式下工作性能；在材料方面开展了InGaAs/InP材料体系的外延生长及材料物理研究，重点解决了低背景掺杂浓度的本征InP及InGaAs材料生长、大厚度三元合金外延层的匹配、四元合金的组分控制、渐变层的结构优化以及各层材料载流子浓度的高精度控制等问题，对InGaAs、InP材料中各种杂质、缺陷产生及抑制进行了深入研究，有效实现了对器件的电场分布、击穿电压、暗计数等关键特性的调控，获得了高质量的2英寸InGaAs/InP雪崩探测器结构材料。在雪崩光电探测器及阵列系列关键工艺的研究中，解决了诸如高精度扩散、干法刻蚀、器件隔离、表面钝化、入射增透等关键工艺问题，研制出高性能的64×64 InGaAs盖格模式雪崩探测焦平面阵列芯片，像元中心距<150μm，像元直径25μm，各像元性能具有良好的一致性， 223K下1.55μm单光子探测效率PDE˃ 20%,暗计数DCR< 10K，后脉冲1.7%。