航天激光三维成像近红外雪崩探测器研究

Avalanche photodetectors (APDs) are favoured in the applications of high sensitive detection for their internal current gain, and are the key devices in urgent needs of space laser three dimensional imaging for space targetperception of rendezvous and docking, extraterrestrial body’s autonomous soft landing, and topographical mapping. However, those devices are relying on import at the moment. Aimed at the1064nm specific operation wavelength for space application and subject to the wavelength limitation of Si device and performance limitation of InGaAs device, in this project substitute “new” absorption material for InGaAs will be adopted, and optimal carrier multiplication material among compatible system will be selected. Band engineering and electric field engineering methods will be used for the optimization of epitaxial and device structures，digital supperlattice structure suitable for MBE growth will be used for restrain the band edge discontinuity in the interface of absorption and multiplication layers, and quantum type multiplication layer will also be explored. High performance APD devices will be fabricated to exceed the performance of InGaAs APD at this specific operation wavelength. The related high speed discriminating, quenching and recovering circuits, as well as high precise low noise bias circuits, will be developed. For real applications, packages and modules of chip level TE cooling, fiber coupling and high speed connecting will also be developed. The practicality basis of the devices will be fulfilled through this project.

雪崩型光电探测器（APD）因具有内部电流增益使其在高灵敏探测应用方面受到青睐，是空间目标感知交会与对接、地外天体自主软着陆及地形测绘等航天激光三维成像应用所急需的关键器件，但目前仍依赖进口。针对此应用中Si器件波长限制和InGaAs器件性能限制，本项目拟根据航天应用1064纳米特定工作波长用“新”的光吸收材料替代InGaAs材料，并在兼容材料体系中优选出最佳的载流子倍增材料，运用能带工程和电场工程等手段优化外延和器件结构，采用能与吸收和倍增材料适配且适合用分子束外延方法生长的数字超晶格结构解决异质能带不连续问题，探索引入量子结构倍增区等，进而研制出高性能APD器件，达到性能优于InGaAs APD且覆盖所需工作波长之目的，并发展快速鉴别、猝灭恢复电路和高精度低噪声偏置电路，针对实际应用要求研究芯片级TE制冷、高速连接及光纤耦合封装的组合集成，为实用化打好基础。

基于化合物半导体InP基材料的盖革模式APD器件由于工作于极高电场下，材料体系本身电离率差较小及禁带宽度较窄的根本性限制，给提高器件性能带来了极高难度，但其覆盖的波段又是航天遥感成像及制导等应用所必需的，因此必须自主开展研究，逐个解决相关瓶颈问题。本项目面向实际应用需求，四年中开展了自成体系的、完整的研究，包括不断加深认识、改进方案和进行技术迭代，最终取得了良好效果，突破了相关关键技术，成功研制出达到项目要求的APD器件。. 项目执行过程中完成的主要工作包括：开展了InGaAsP/InP和InGaAs/InP两种InP基材料体系平面结盖革模式APD的关键结构参数设计与仿真，研究了双扩散平面结APD电场和能带设计及模拟以及盖革APD器件结构及内部电场的精细优化；针对优化后的材料结构开展了材料的MBE生长工艺开发，研究并获得了各种基础材料的低本底掺杂浓度生长工艺参数，获得了电荷控制层层厚和掺杂浓度的精确控制生长工艺，进行了高均匀性器件结构材料的外延生长；开展了盖革APD芯片结构的精细结构设计优化和关键工艺研究，优化了高精度Zn扩散工艺表征与控制和钝化增透膜工艺等；针对盖革APD芯片的测试需求研究搭建了适用于门控和自由运转模式的盖革APD性能测试表征系统，开展了盖革APD芯片性能测试及验证，精确测量评估了其单光子探测率、暗计数、后脉冲、时间抖动等特性。 . 通过此项研究我们在面向航天激光三维成像等国家急需应用的近红外雪崩探测器研究方面取得了突破性进展，获得了一批卓有成效的成果，这些成果的取得为进一步开展实用化和工程化研究奠定了良好基础，使得在独立自主的前提下将此器件推向实用看到了希望。正是在本项目的研究基础之上，国家及有关部门在此方面的一系列项目已不断启动，相关研究人员也都参与进去成为骨干。本项目前期取得的结果也极大地促进了后续项目的开展，加快了其研究进度。