用于探测近红外微弱天文信号的InGaAs APD的机理与性能研究

The main research in infrared astronomy is to observe the infrared-radiating astro-body. The infrared detection is a very important method to observe those that has been masked by universal dust. As the core of near infrared telescope, the research on the infrared detector is very important. Focusing on detecting the weak light signal which is around 1-3 μm in astronomy, this project is to study the near infrared InGaAs APD. the main contents includes the following aspects: (1) simulation and analysis on the distribution of electric field and the strain control in the material structure, (2) the material growth for high sensitivity and high gain photodetectors, (3) suppression methods of APD dark current, (4) the integration package of high Gain APD and CMOS ROIC. The focus is to solve the issues of high excess noise factor and high dark current, and to explore the physical mechanism of non-localized ionization. Combined with the appropriate package technology, this project will realize the weak light signal detection in astronomy observation. This can improve the infrared astronomy observation ability for our country and provide some reference for the development of astronomy and the relevant technology.

红外天文学的主要研究内容是观测红外辐射的天体，红外探测是观测被宇宙尘埃掩蔽天体的重要手段之一。红外探测器作为红外天文望远镜的核心部件，对其研究具有重要意义。本项目拟对用于微弱近红外天文信号观测的InGaAs APD探测器开展研究，解决APD探测器中过剩噪声因子和暗电流较高的问题，探索非局域化电离的物理机制。本项目的主要内容包括：1、研究InP/InGaAs异质材料结构中的电场分布及应变控制，研究用于高增益APD探测器外延材料的生长方法；2、研究倍增区和电荷区对击穿电压、雪崩倍增因子和过剩噪声的影响，探索抑制器件暗电流的方法，优化器件结构设计，研制出高增益、低噪声的近红外APD探测器；3、研究高分辨率的CMOS读出电路，并针对近红外微弱天文信号的探测应用，探索APD探测芯片与读出电路的系统封装。本项目的研究有望在弱光探测方面取得进展，为红外天文观测和空间遥感的发展提供理论积累和技术解决方案

红外天文学的主要研究对象是可以观测到红外辐射的天体，光学波段观测是天文最重要的观测手段之一，也是迄今为止发展得最为成熟的一种观测手段。此外，在1.1~3μm波段包含了自然界中许多物质的特征吸收谱线，如冰云、矿产、陆地、云层的特征吸收峰在2.1~2.35μm波段，一氧化碳、甲烷等气体的特征吸收峰在2.3~2.4μm波段，而1.4~1.9μm以及2.0~2.5μm高透过率的大气窗口，在遥感成像、地质制图和荧光寿命成像等领域有重要的应用需求。因响应度高、无需制冷，InGaAs APD探测器成为探测成像的关键性器件，也是当前红外探测领域的研究热点之一。项目围绕InP/InGaAs异质结构材料设计与外延、探测器结构设计与制备、CMOS读出电路，以及APD/读出电路协同设计展开研究。设计了InP/InGaAs异质材料结构，利用TCAD软件分析了倍增区、吸收区和电荷区掺杂浓度和厚度对InP/InGaAs APD的电场分布、穿通电压和击穿电压的影响，获得了优化的InP/InGaAs外延结构参数。获得了InP/InGaAs异质结构材料外延质量与生长温度、束流比等关键因素的关系，在优化外延生长条件的基础上，采用MOCVD制备出高质量的InP/InGaAs异质结构。利用亚波长金属光栅的表面等离子激元，增加入射光的收集效率，采用顶层InP区Zn双扩散技术研制出高响应度、低暗电流的InGaAs/InP APD器件。基于器件结构和工作原理，建立了盖革模式下的等效电路模型，实现了APD探测器与CMOS读出电路在集成电路设计环境下的协同设计与仿真。设计了一套包括ADP探测器、淬灭-复位电路、前端接口电路、时数转换器、编码电路和存储读出电路的单光子探测系统。其中，死区时间约40 ns，测量精度达30ps。在国内外学术刊物发表SCI/EI检索的高水平期刊论文7篇，申请发明专利9项，授权发明专利2项。