碲鎘汞線性雪崩焦平面探測器具有高增益、高帶寬及低過剩噪聲等特點，在航空航天、天文觀測、軍事裝備及地質(zhì)勘探等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。目前，國內(nèi)已經(jīng)開展了碲鎘汞線性雪崩焦平面器件的研制工作，但缺乏評價其性能的方法及標(biāo)準(zhǔn)，同時對其的應(yīng)用仍然處于探索階段。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，昆明物理研究所的科研團(tuán)隊在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“碲鎘汞線性雪崩焦平面器件評價及其應(yīng)用（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者為張應(yīng)旭工程師，主要從事紅外探測器材料、器件及其可靠性方面的研究工作。通訊作者為李雄軍研究員，主要從事紅外探測器材料與器件方面的研究工作。

文中首先分析討論了表征APD焦平面器件性能的關(guān)鍵參數(shù)，同時基于碲鎘汞線性APD器件的特點，討論了碲鎘汞線性APD焦平面器件在主/被動紅外成像、快速紅外成像等領(lǐng)域的應(yīng)用，最后對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

碲鎘汞APD器件性能評價

現(xiàn)有的制冷型碲鎘汞紅外焦平面陣列參數(shù)無法完全覆蓋碲鎘汞APD焦平面器件的性能表征。針對碲鎘汞APD器件的特點及應(yīng)用需求，為更準(zhǔn)確地表征碲鎘汞APD焦平面器件的性能特性，需要增加增益、過剩噪聲因子、噪聲等效光子數(shù)及時間分辨率等參數(shù)。

增益

APD器件的增益M用于衡量器件對輸入光信號的放大能力，定義為有增益時器件的響應(yīng)電流與無增益時器件響應(yīng)電流之比。碲鎘汞APD焦平面的增益測試可參照GB/T 17444-2013紅外焦平面陣列參數(shù)測試方法開展。分別面對20 ℃和35 ℃的面源黑體，調(diào)節(jié)積分時間Tint（V）使器件輸出處于半阱狀態(tài)測試獲取焦平面器件不同偏置電壓下對15 ℃溫差的響應(yīng)信號VS（V），計算得到器件單位積分時間下響應(yīng)信號R（V）= VS（V）/ Tint（V）。無增益時APD器件單位積分時間響應(yīng)信號為R（V=?50 mV）=VS（V=?50 mV）/Tint（V=?50 mV），即可計算得到不同偏置電壓下器件增益M。

圖1為昆明物理研究所制備的碲鎘汞APD焦平面組件增益隨偏置電壓的變化情況，APD焦平面的平均增益與反偏電壓呈指數(shù)型關(guān)系，且在?8 V反偏下，器件平均增益即超過了100。圖2為芯片?8.6 V反偏電壓下增益灰度圖，焦平面平均增益可達(dá)166，增益非均勻性不超過3.4%。

圖1 碲鎘汞APD增益和過剩噪聲因子隨偏置電壓的變化情況

圖2 ?8.6 V電壓下碲鎘汞APD焦平面增益灰度圖

過剩噪聲因子

APD器件載流子倍增的隨機(jī)性引入了過剩噪聲，使得輸入器件信號被放大的同時器件輸出信號的信噪比惡化，通常采用過剩噪聲因子來描述APD器件增益過程對輸入信號信噪比的惡化程度，可用無增益時器件輸出信噪比與有增益時器件輸出信噪比之比來計算APD器件的過剩噪聲因子（F）。

值得注意的是芯片動態(tài)范圍的限制使得無增益或低增益時采集到的輸出響應(yīng)較小，因此要求測試系統(tǒng)和讀出電路均具有較低的噪聲水平。圖1為昆明物理研究所制備的碲鎘汞APD焦平面組件過剩噪聲因子隨偏置電壓的變化情況。從圖1中可以看出，隨著器件增益快速增長，器件過剩噪聲因子保持緩慢增長，器件增益超過100時過剩噪聲因子仍小于1.5，顯示了器件優(yōu)異的性能。圖3為166倍增益下器件過剩噪聲因子直方圖。由于碲鎘汞APD器件的量子效率會隨著器件偏置電壓變化，限制了采用該方法獲取器件過剩噪聲因子的精度。另一種更加精確的獲取APD器件過剩噪聲因子的方法為觀測單光子探測過程中光生載流子的增益概率分布F。

圖3 166倍增益下碲鎘汞APD焦平面過剩噪聲因子直方圖

另一種更加精確的獲取APD器件過剩噪聲因子的方法為觀測單光子探測過程中光生載流子的增益概率分布。通過重復(fù)測量單光子照射下器件的增益計算增益標(biāo)準(zhǔn)差獲取器件的過剩噪聲因子具有較高的精度，但測量值的準(zhǔn)確性仍然會受到結(jié)區(qū)寬度變化、倍增區(qū)對光子吸收的影響，同時保證焦平面任一個像元都是單光子照射也是一個挑戰(zhàn)。

噪聲等效光子數(shù)

與被動紅外成像噪聲等效溫差類似，噪聲等效光子數(shù)（NEPh）用于評估主動成像模式下APD器件的靈敏度，其主要由器件的增益、暗電流水平、背景光通量及讀出電路噪聲水平等因素共同決定。

主動成像應(yīng)用中APD器件的積分時間較短，在低增益狀態(tài)下讀出電路噪聲對APD器件的NEPh具有重要的影響。若APD器件的過剩噪聲因子、量子效率、占空比等不隨增益變化，隨著APD器件增益的增長，器件的NEPh將會逐漸減小至恒定值，該恒定值由APD器件的積分時間、背景光通量及器件暗電流水平共同決定。

通常NEPh指的是器件本身的極限性能，一般在非背景限下進(jìn)行測試（即要求背景光通量引起的光電流小于器件的暗電流）。在相同的測試條件下，高增益狀態(tài)下APD器件的NEPh隨積分時間縮短而減小，如圖4所示。通過降低器件的過剩噪聲因子、提高器件的可用增益、降低器件暗電流水平、縮短積分時間及降低讀出電路噪聲等手段可以提高碲鎘汞APD器件的靈敏度，噪聲等效光子數(shù)可通過入射到像元的光子數(shù)除以信噪比求得。

圖4 不同積分時間下NEPh隨偏壓的變化

時間分辨率

APD器件與具有計時功能的讀出電路相耦合可實現(xiàn)距離信息的獲取，時間分辨率反映了APD焦平面組件能分辨的到達(dá)焦平面脈沖激光的最小時間間隔，代表了探測器能識別的最小空間距離。碲鎘汞線性APD器件采用模擬斜波記錄激光脈沖飛行時間，激光到達(dá)APD焦平面時采集到的信號電壓。

碲鎘汞線性APD器件的應(yīng)用

APD器件的內(nèi)增益來源于載流子在電場作用下的碰撞電離，APD器件在放大輸入信號的同時伴隨著倍增噪聲的引入，通常將信號倍增過程中引入的噪聲稱為過剩噪聲。APD器件的這種特性，使得器件輸出噪聲的增長速度快于輸出信號，因此，APD器件更適用于噪聲不是由焦平面芯片決定的系統(tǒng)（如探測短激光脈沖信號的高帶寬系統(tǒng)）。通過提升探測器的雪崩增益，可以持續(xù)提升系統(tǒng)噪聲限裝備的信噪比，當(dāng)器件噪聲與系統(tǒng)噪聲相當(dāng)時繼續(xù)提升APD器件增益將會引起系統(tǒng)信噪比惡化，如圖5所示。McIntyre的經(jīng)典場論模型認(rèn)為APD器件的過剩噪聲因子是器件平均增益和碰撞電離系數(shù)比的函數(shù)。

圖5 APD器件噪聲隨增益變化示意圖

若碰撞電離系數(shù)為0或無窮大，意味著只有一種載流子倍增，此時APD器件輸出的噪聲將與信號同比例放大。圖6為根據(jù)McIntyre公式計算得到的半導(dǎo)體器件過剩噪聲因子隨增益的變化情況。APD器件引入的過剩噪聲限制了其可用的最大增益，理想的無倍增過程噪聲的APD器件的靈敏度由光子噪聲決定，對于k≠0或∞的APD器件，倍增過程引入的噪聲超過了光子噪聲，使得在使用APD器件過程中需要考慮器件的可用增益。

圖6 半導(dǎo)體APD器件過剩噪聲因子隨增益變化

InGaAs線性雪崩器件和碲鎘汞線性雪崩器件均工作于人眼安全的1.55 μm近紅外波段，InGaAs半導(dǎo)體的碰撞電離比系數(shù)為0.4，從圖6可以看出，隨著增益的增長，器件過剩噪聲因子迅速增長，輸出信噪比快速惡化；作為對比，隨著器件增益的增長，HgCdTe雪崩器件的過剩噪聲因子保持接近于1，意味著增益過程幾乎沒有引起信噪比的惡化。能帶可調(diào)節(jié)的碲鎘汞半導(dǎo)體是目前唯一一種碰撞電離系數(shù)比為0或無窮大的半導(dǎo)體，其制備的APD器件的過剩噪聲因子接近于1，工作波段范圍覆蓋1.3~11 μm，表1為公開報道的不同材料制備的線性APD探測器性能對比（其中，hole-HgCdTe為空穴倍增型碲鎘汞APD，e-HgCdTe為電子倍增型碲鎘汞APD）。

表1 公開報道的不同類型線性模式APD探測器性能對比

主動成像

進(jìn)行潛在目標(biāo)成像時，需要在寬視場下快速探測目標(biāo)，在窄視場下識別并辨識目標(biāo)。由于激光發(fā)射功率的限制及對回波信號強(qiáng)度的要求，主動成像系統(tǒng)無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離寬視場成像，同時主動激光成像存在暴露系統(tǒng)位置的風(fēng)險。通常采用被動紅外與主動激光聯(lián)合成像，被動紅外成像系統(tǒng)用于潛在目標(biāo)的探測，主動成像系統(tǒng)用于目標(biāo)的辨識與鎖定。被動成像系統(tǒng)與主動成像系統(tǒng)為兩套相互獨立的光電系統(tǒng)，光學(xué)、低溫封裝、探測器、信號處理電子學(xué)及電源系統(tǒng)均相互獨立，使得裝置體積質(zhì)量較大，需要專門的光路對準(zhǔn)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的被動成像/激光門控成像聯(lián)合系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 熱成像/激光門控聯(lián)合成像系統(tǒng)原理圖

將被動成像與主動成像整合進(jìn)一個系統(tǒng)中，有望克服兩套光電成像系統(tǒng)帶來的問題。紅外被動成像與主動激光成像整合需要解決以下問題：（1）探測器本身可實現(xiàn)主動短波成像、被動中波成像的切換；（2）光學(xué)系統(tǒng)需要支持不同成像模式下視場的切換。采用碲鎘汞中波紅外材料制備的焦平面探測器在低偏壓下即具有較高的雪崩增益，調(diào)節(jié)所加偏壓能實現(xiàn)從主動激光成像到被動中波紅外成像的切換：高偏壓下實現(xiàn)高增益短波激光成像，低偏壓下實現(xiàn)被動中波紅外成像，如圖8、圖9所示。

圖8 單傳感器紅外被動與主動激光聯(lián)合成像系統(tǒng)

圖9 雙模相機(jī)獲取的圖像

主動成像通常采用波長為1.55 μm或1.06 μm的短波紅外激光作為光源，隨著激光技術(shù)的發(fā)展及人眼安全的需求，其有向更長波長發(fā)展的趨勢。表2為采用不同材料制備的線性APD器件性能對比，由此可以看出，采用碲鎘汞材料制備的APD器件具有更高的量子效率，工作波段覆蓋短波至中波紅外，且采用碲鎘汞中波紅外材料制備的APD在較低的偏置電壓下即可得到較高的雪崩增益。Leonardo公司采用截止波長為4.0 μm的碲鎘汞材料制備APD器件開展主/被動雙模成像試驗，主動成像時器件工作在高偏置電壓下提升器件增益，被動模式下器件工作于低偏置電壓，通過電子學(xué)切換即可實現(xiàn)傳感器主/被動成像模式的切換，圖9為采用該成像系統(tǒng)獲得的目標(biāo)圖像。DRS公司采用中波碲鎘汞APD器件為美國海軍實驗室搭建了一套主/被動成像系統(tǒng)，其面陣規(guī)模為640×480，像元間距為25 μm，被動成像模式下系統(tǒng)NETD為18 mK（積分時間為16 ms，F(xiàn)4光學(xué)系統(tǒng)）；主動門控成像模式下（帶增益）噪聲等效光子數(shù)為2（積分時間為100 ns）。

表2 不同材料制備的APD雪崩器件性能對比

碲鎘汞APD器件耦合具有計時功能的讀出電路并結(jié)合脈沖激光即可實現(xiàn)目標(biāo)距離信息的獲取，法國Sofradir公司在設(shè)計的讀出電路中加入3D功能，其原理如圖10所示。該讀出電路通過小電容充放電快速響應(yīng)輸入激光脈沖回波信號，采用模擬斜波電壓作為計時信號，通過記錄回波到達(dá)焦平面時斜波電壓值來獲取目標(biāo)距離信息。碲鎘汞APD器件的線性增益使得在獲取回波飛行時間的同時可以獲取回波強(qiáng)度，并由讀出電路中的積分電容記錄。Sofradir公司采用碲鎘汞中波紅外材料制備了面陣規(guī)模為320×256的APD焦平面組件（像元間距30 μm），通過調(diào)節(jié)偏置電壓可實現(xiàn)20~100增益的調(diào)節(jié)。搭配脈寬8 ns的激光（能量8 mJ），Sofradir公司開展了40 m景深下3D/2D成像演示。

圖10 3D成像用讀出電路原理簡圖

電子倍增碲鎘汞雪崩APD器件采用中波紅外材料制備，其能同時響應(yīng)中波段紅外信號和短波紅外信號。室溫環(huán)境下中波紅外產(chǎn)生的器件注入電流接近nA量級，室溫背景下的短波紅外產(chǎn)生的注入電流在fA量級，當(dāng)APD器件用于單模式成像時，不必考慮中波紅外背景對成像的影響；但采用單傳感器開展主/被動復(fù)合成像時，必須對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，避免中波段紅外背景干擾主動成像。

典型的APD探測器主動成像原理如圖11所示。激光器發(fā)射的脈沖激光經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后照射在目標(biāo)物體并反射至探測器收集，電子學(xué)系統(tǒng)處理后獲得目標(biāo)的距離等信息。

圖11 APD器件主動成像原理圖

假設(shè)照射激光波長為1.55 μm，單個脈沖能量為10 mJ，脈寬為10 ns，器件量子效率為50%，回波激光產(chǎn)生的注入電流（無增益）隨距離的變化如圖12所示（各參數(shù)取值如表3所示）。從圖12中可以看出，回波激光強(qiáng)度引起的光電流隨著作用距離的增加急劇減小，接近甚至小于室溫背景輻射引入的電流水平，因此將碲鎘汞APD焦平面組件用于主/被動復(fù)合成像時必須考慮環(huán)境背景中紅外輻射的屏蔽。Leonardo公司和DRS公司基于中波碲鎘汞APD焦平面組件搭建的主/被動雙模成像系統(tǒng)均設(shè)計了紅外屏蔽，用于減少主動成像模式下中波紅外背景帶來的不利影響。

圖12 無增益時回波光電流隨距離變化情況

表3 系統(tǒng)參數(shù)

被動成像

碲鎘汞APD器件具有的幾乎無雪崩噪聲的線性內(nèi)增益特性給中波紅外成像帶來了新的應(yīng)用場景，通過調(diào)節(jié)器件內(nèi)增益，可以實現(xiàn)相同積分時間不同輻射強(qiáng)度目標(biāo)的觀察或?qū)ο嗤繕?biāo)成像時間的調(diào)節(jié)。在快速搜索成像中要求積分時間內(nèi)成像點在探測器焦平面上的移動距離不超過1個像元，否則將導(dǎo)致圖像模糊，影響成像質(zhì)量。對于面陣規(guī)模為640×512的焦平面組件（像元間距25 μm，積分時間取4 ms），若其視場角為2°，則其最大搜索角速度不能超過0.975 (°)/s，若采用增益為100的APD焦平面組件，則可將系統(tǒng)最大搜索速度提高至97.5 (°)/s，完成360°的全方位搜索只需要不到4 s的時間。碲鎘汞APD器件可實現(xiàn)掃描成像系統(tǒng)中復(fù)雜的二維光學(xué)或電子運動補(bǔ)償系統(tǒng)的代替，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)搜索/跟蹤一體化。

紅外圖像的噪聲主要來源于背景光子噪聲、器件暗電流噪聲、讀出電路噪聲及后續(xù)電子學(xué)系統(tǒng)噪聲等，從圖13可以看出，無增益時縮短積分時間獲得的圖像質(zhì)量明顯下降，增加器件增益至一定水平，圖像質(zhì)量有一定改善，但無法恢復(fù)圖13(a)的水平。相同的器件響應(yīng)電流及帶寬下，APD過剩噪聲的存在使得其輸出信噪比產(chǎn)生衰退。通過優(yōu)化器件工藝降低過剩噪聲因子能有效提升碲鎘汞APD器件的可用增益。從圖5可以看出，當(dāng)電子學(xué)系統(tǒng)噪聲水平高于器件噪聲時，通過內(nèi)增益能提高輸出信號的信噪比。圖13為法國Sofradir公司采用320×256面陣規(guī)模的碲鎘汞APD器件獲取的中波段紅外圖像。

圖13 法國Sofradir公司采用面陣規(guī)模為320×256（像元間距30 μm）的碲鎘汞APD器件獲取的被動中波紅外圖像。（a）常規(guī)成像，SNR=61 dB；（b）短積分時間成像，SNR=39 dB；（c）短積分時間高增益成像，SNR=42 dB

目前，美國Raytheon公司、法國Sofradir公司及英國Leonardo公司等均已制備得到過剩噪聲因子接近于1的碲鎘汞線性APD器件。Leonardo公司采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）工藝制備的320×256面陣規(guī)模的碲鎘汞APD焦平面芯片的靈敏度達(dá)到了單光子級，過剩噪聲因子小于1.25。配合Flower采樣、相關(guān)采樣等技術(shù)，法國First Light imaging公司采用該芯片生產(chǎn)的C-RED one碲鎘汞APD機(jī)芯最大幀頻可達(dá)3500 FPS，讀出噪聲小于1個電子，響應(yīng)波段覆蓋1.1~2.4 μm，已成功用于波前傳感、低背景成像等領(lǐng)域。

被動成像中另一個值得注意的問題是隨著器件增益的增長，APD器件的暗電流也隨之放大，圖14為昆明物理研究所制備的碲鎘汞APD器件暗電流隨偏置電壓的變化情況，器件的暗電流隨偏置電壓線性增長，因此在APD制備中除了需要優(yōu)化過剩噪聲因子，還需要盡可能降低暗電流水平并減少缺陷的引入。采用制備的面陣規(guī)模為256×256的APD焦平面芯片，昆明物理研究所開展了APD成像驗證，圖15為不同增益下獲取的中波段紅外圖像，從圖中可以看出，制備的器件在小偏壓下獲取的圖像與常規(guī)中波紅外探測器相當(dāng)，器件積分時間較短時，信號的雪崩增益明顯提升了圖像質(zhì)量。

圖14碲鎘汞APD暗電流隨偏置電壓變化情況

圖15 HgCdTe-APD焦平面芯片在不同增益下獲取的中波紅外圖像。（a） M=1，積分時長800 μs；（b） M=1，積分時長20 μs；（c） M=19，積分時長20 μs

展望

碲鎘汞材料的光譜響應(yīng)范圍可覆蓋短波、中波及長波紅外，光子探測效率高，無后脈沖效應(yīng)，單載流子雪崩增益的特性使其具有接近零過剩噪聲放大的潛力。高增益線性碲鎘汞APD器件能夠同時獲取目標(biāo)強(qiáng)度和距離信息，其在軍事、天文、航天等領(lǐng)域顯示了巨大的應(yīng)用潛力。在軍事應(yīng)用需求及光電成像技術(shù)的發(fā)展?fàn)恳拢皂阪k汞線性雪崩焦平面器件為代表的APD器件受到越來越廣泛的關(guān)注，并呈現(xiàn)出加快發(fā)展的態(tài)勢。伴隨著碲鎘汞材料生長技術(shù)、器件制備工藝、讀出電路設(shè)計加工技術(shù)和器件測試表征技術(shù)的發(fā)展，將會出現(xiàn)性能更好、面陣規(guī)模更大、像元中心距更小、幀頻更高的碲鎘汞線性APD焦平面產(chǎn)品，滿足三維成像激光雷達(dá)、主/被動雙模復(fù)合成像、單光子高靈敏探測等多種應(yīng)用場景對高性能探測器的需求。

國內(nèi)對于碲鎘汞APD器件的研制處于起步階段，其靈敏度等指標(biāo)遠(yuǎn)低于國外報道水平。在碲鎘汞APD焦平面器件的研制過程中，需要重點關(guān)注以下兩個方面：（1）靈敏度提升。通過開展器件結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備工藝研究，將碲鎘汞APD器件的靈敏度提升至單光子水平；（2）讀出電路設(shè)計。讀出電路在主動成像用焦平面器件中占據(jù)重要地位，計時精度的提升、讀出噪聲的降低及電路功耗的控制等將是一個巨大的挑戰(zhàn)。

結(jié)論

文中首先分析了表征碲鎘汞APD焦平面芯片性能的關(guān)鍵參數(shù)；其次，基于碲鎘汞線性雪崩焦平面器件的特點，展開討論了雪崩焦平面器件在主/被動成像、快速成像及3D成像等領(lǐng)域的應(yīng)用；最后對碲鎘汞雪崩焦平面器件的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。隨著對碲鎘汞APD器件研究的不斷深入，相信該器件將會在軍事應(yīng)用和民用等領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

審核編輯：劉清