InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

64×64 InGaAs/InP三维成像激光焦平面探测器

针对900~1 700 nm波长无扫描激光三维成像雷达的需求,研制了一种规模为6464的线性模式雪崩焦平面阵列（LM-APD-FPA）,它由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与CMOS专用读出电路（ASIC）组成。该器件采用飞行时间（TOF）测距的方式工作,APD光敏芯片将脉冲激光信号转化成脉冲光电流,读出电路对其进行放大、阈值比较后实现激光探测并在每个单元获取光脉冲的飞行时间,将其转化成二进制编码信号后串行输出。测试结果表明,6464 LM-APD-FPA有效像元最小可探测光功率值约为400 nW,时间分辨率为1 ns。用该探测器在激光雷达系统上实现了无扫描单脉冲激光三维成像,表明了线性模式激光焦平面探测器可用于激光三维成像领域。     

InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器发展研究

基于InGaAs纳米线的光电探测器,由于其优异的性能而受到广泛的关注和研究。综述了InGaAs纳米线光电探测器的探测机理、材料结构、器件性能和当前的研究现状。讨论了InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器结构设计、纳米线材料精密生长、纳米线材料的界面与缺陷控制、纳米线雪崩焦平面器件制备工艺等关键技术。对发展高光子探测效率、低噪声、高增益InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器的前景进行了展望。     

基于人眼安全激光的SWIR选通成像技术研究

阐述了基于人眼安全激光的短波红外(SWIR)选通成像技术的基本原理;依据选通成像系统对接收成像探测器的要求,对满足选通成像条件的三种SWIR焦平面器件,即HgCdTe APD FPA、InGaAs/InP TE EBCMOS和InGaAs FPA进行了性能介绍;结合基于这三种探测器的典型选通相机以及人眼安全激光选通成像系统,对这三种探测器进行了简要性能分析和对比,并给出了系统及探测器选择的建议。     

32×32面阵InGaAs Gm-APD激光主动成像实验

近十年来,由于盖革模式APD焦平面探测器在探测灵敏度、空间分辨率和距离分辨率等方面的优势,使得面阵APD激光主动成像技术成为国际上的研究热点。考虑到大气传输特性,InGaAs材料或者HgCdTe材料的面阵APD探测器成为研制首选。在国内自研InGaAs材料的3232像元Gm-APD基础上,搭建了一套1 570 nm激光主动成像实验平台,在成像帧频1 kHz、单脉冲能量2 mJ条件下,获得了外场3.9 km目标的轮廓像,在720 m处能获得目标的清晰表面结构距离像。通过该外场实验,证实了国内自研的面阵Gm-APD探测器性能良好,能够演示外场激光主动成像功能。实验结果表明,1 570 nm面阵APD激光成像雷达成像性能良好,能够实现远距离目标遥感探测,为未来实际应用奠定了良好的研究基础。     

三维成像用128×2线性模式APD焦平面探测器设计

设计了一种用于激光三维成像的128×2线性模式APD焦平面探测器,器件包括硅基APD焦平面阵列和读出电路。硅基APD焦平面阵列采用拉通型n⁺-p-π-p⁺结构,像元中心距为150μm,工作在线性倍增模式。读出电路采用单片集成技术,将前置放大电路、TDC计时电路和ADC等功能模块集成在单一硅片上。整个线性模式APD焦平面探测器可实现128×2阵列规模的激光信号并行检测,并采用LVDS串口输出激光脉冲信号的飞行时间信息和峰值强度信息。测试结果显示,该线性模式APD三维成像探测器可同时获取时间信息和强度信息,成像功能正常。     

AlGaN紫外探测器及其焦平面阵列技术研究进展

AlGaN紫外探测器及其焦平面阵列具有本征可见光盲特性,并可实现无需滤光片的日盲探测,且为全固态器件,是紫外探测技术的一个重要发展方向。文章介绍了AlGaN紫外探测器与焦平面阵列的研究现状及其存在的问题。在此基础上,分析了AlGaN雪崩光电二极管(APD)发展的基本条件,并介绍了AlGaN APD的发展现状及趋势。     

APD阵列激光成像雷达处理电路的研究进展

基于雪崩光电二极管(APD)阵列探测器的激光成像雷达在高速、高精度成像方面具有重要研究价值,是探测技术的热点研究方向。简要分析了采用APD阵列成像激光雷达的优点,介绍了APD阵列的工作模式和特性。研究了处理电路的结构和测距电路的实现方法,并分析这些方法的优缺点;综述了国内外在APD阵列激光成像雷达应用方面的研究进展,并对未来的发展趋势进行了展望。     

激光成像技术的新发展

激光三维成像技术具有有别于其它光学成像技术的许多特点,在侦察、测绘、制导和导航等领域有着广泛的应用前景,是激光应用领域的一个研究热点。随着激光技术和探测器技术的发展,近些年来,一种以三维探测器阵列为核心的新型体制的激光三维成像技术得到了迅速的发展,该体制的激光三维成像系统包含了单光子三维雪崩探测器阵列、半导体泵浦微片激光器、衍射光学元素微光机电系统等诸多前言技术,是激光三维成像技术的一种发展方向。本文对该技术的特点、应用、关键技术和发展状况等情况作一简要介绍。     

InGaAs焦平面探测器成像组件的设计与实现

针对InGaAs短波红外成像在军事装备、安全防范和工业检测等领域中的应用,提出了一种基于FPGA技术架构的InGaAs焦平面探测器组件的设计方案.讨论了InGaAs焦平面探测器的时序驱动、TEC温控、非均匀性校正、图像增强和自动曝光等关键技术的实现方法.经试验验证,依据该方案研制出的InGaAs焦平面探测器成像组件灵敏度高、对比度好、透雾效果明显.     

利用LBIC技术对InGaAs平面结器件结区特性的研究

室温铟镓砷(InGaAs)焦平面技术在航天工业上的应用越来越广泛，铟镓砷(InGaAs)焦平面列阵中探测器的尺寸正不断减小，这使得常规工艺形成的光伏探测器，其有效光敏元面积扩大的问题越来越突出。本文利用激光诱导电流检测(LBIC)系统测试了平面结InGaAs(PIN)探测器芯片的光敏元，证实了有效光敏面扩大的存在。从实验结果看，掺杂离子的横向扩散和结区的侧向收集效应，是平面工艺形成的光伏器件光敏元面积扩大的主要因素，并利用得到的实验数据拟合求出了器件少子的扩散长度。     

InGaAs短波红外探测器研究进展

InxGa1-xAs材料属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体合金材料,随In组分含量的不同,其光谱响应的截止波长可在0.87～3.5μm范围内变化,并具有高量子效率,加之成熟的MBE和MOVCD材料生长方式,很容易获得大面积高质量的外延材料,InGaAs材料因此成为一种重要的短波红外探测材料。InGaAs探测器可以在室温或近室温下工作,且具有较高的灵敏度和探测率,是小型化、低成本和高可靠性的短波红外探测系统的最佳选择,因此InGaAs短波红外探测器获得了飞速的发展和广泛的应用。同时对国内外InGaAs焦平面探测器发展状况和趋势进行了介绍。     

2560×2048元短波红外InGaAs焦平面探测器（特邀）

高性能大规模小像元短波红外InGaAs焦平面探测器是新一代航天遥感仪器向高空间分辨率、高能量分辨率、高时间分辨率发展需要的核心器件。文中报道了高密度InGaAs探测器阵列设计与制备,并与匹配的Si-CMOS读出电路倒焊互连形成焦平面的最新研究进展,重点突破了高密度小像素探测器的暗电流和噪声抑制、百万像素焦平面倒焊互连等关键技术,解决了高平整度芯片面形控制、In柱凸点形貌和高度一致性控制、高密度倒焊偏移控制等倒焊新工艺,研制了像元中心距10 μm的2560×2048元焦平面探测器,其峰值探测率优于1.0×1013 cm·Hz1/2/W,响应不均匀性优于3%,有效像元率优于99.7%,动态范围优于120 dB。采用该焦平面进行了实验室演示成像,图片清晰。     

InGaAs/InP盖革模式雪崩焦平面阵列的研制

设计制作了一种由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与时间计数型CMOS读出电路组成的8×8阵列规格盖革模式雪崩焦平面阵列(GM APD FPA).雪崩光电二极管采用SAGCM结构,在盖革模式下工作具有单光子探测灵敏度;时间计数型CMOS读出电路在每个单元获取光子飞行时间,实现纳秒级的时间分辨率,并完成雪崩淬灭功能.测试结果表明,倒装混合集成的GM APD FPA器件暗计数率(DCR)均值为32.5 kHz,单光子探测效率(PDE)均值为19.5％,单元时间抖动为465 ps,实现了光脉冲时间信息的探测,验证了盖革模式雪崩焦平面阵列技术及其在三维成像中应用的可行性.     

热释电非制冷红外焦平面现状及发展趋势

一维和二维阵列的热释电非制冷红外焦平面非常适合应用于热成像.混合式的BST铁电探测器降低了成本,市场潜力巨大.分析了热释电非制冷红外焦平面阵列探测技术的优势,介绍了热释电非制冷红外探测器工作原理及热释电非制冷红外焦平面阵列对探测材料的要求,指出了混合式及单片式热释电非制冷红外焦平面阵列发展趋势.制备高一致性和高性能的大阵列的探测元是发展非制冷红外焦平面的关键,针对我国在热释电非制冷红外焦平面阵列研究方面存在的问题,提出了下一步研究的方向及重点.     

碲镉汞线性雪崩焦平面器件评价及其应用(特邀)

碲镉汞线性雪崩焦平面探测器具有高增益、高带宽及低过剩噪声等特点,在航空航天、天文观测、军事装备及地质勘探等领域展现了巨大的应用潜力。目前,国内已经开展了碲镉汞线性雪崩焦平面器件的研制工作,但缺乏评价其性能的方法及标准,同时对其的应用仍然处于探索阶段。首先分析了表征线性雪崩焦平面器件性能的关键参数,同时基于碲镉汞线性雪崩焦平面器件的特点,探讨了雪崩焦平面器件在主/被动红外成像、快速红外成像等领域的应用,最后对碲镉汞雪崩焦平面器件的未来发展进行了展望。     

碲镉汞红外探测器的前沿技术综述

红外光电探测器件在军事、民用和科学研究方面具有非常重要的应用。而碲镉汞(HgCdTe)由于自身的诸多优点在红外光电探测器的发展中起到了至关重要的作用,至今仍然是重要的战略战术应用中首选的材料体系。首先分析了针对新一代红外探测器所提出的SWaP3(Size,Weight,and Power,Performance and Price)概念,然后简略介绍了第三代红外焦平面研究背景下HgCdTe薄膜的衬底水平与材料生长情况,最后总结了大规模阵列器件、甚长波红外器件、高工作温度(High Operating Temperature,HOT)器件、超光谱探测器件、双色器件以及雪崩光电器件等前沿技术方面的研究进展。     

阵列探测器在成像光谱偏振探测技术中的应用

为了在成像光谱偏振仪中应用近红外焦平面阵列探测器,得到高质量图像信息,结合新型弹光调制型成像光谱偏振探测技术(PEM-ISP),提出了一种基于近红外焦平面阵列探测器的成像光谱偏振探测技术。系统采用FPA-640512 InGaAs焦平面阵列探测器作为光学探测接收元件,采用高速现场可编程门阵列(FPGA)作为信号处理单元,做到对光学信号的快速采集与并行处理,满足高速、实时的信号传输与处理技术等要求。将经高速A/D采集得到的数据存储到FPGA外扩的静态随机存储器中,以保证数据的完整性。数据最终通过通用串行总线传至上位机,上位机通过LabVIEW实现图像还原。结果表明,该系统可以应用于PEM-ISP中,实现对测量信号的精确探测与采集,并得到完整的图像信息。