碲镉汞雪崩光电二极管近年研究及应用进展

碲镉汞雪崩光电二极管(HgCdTe APD)因其具有高增益、高带宽、高量子效率、低噪声的优良性能,在主动/被动成像、激光雷达、波前传感和光子计数等低光子探测领域有着广阔的应用前景,国外研究机构在该领域采用不同的技术路线进行了深入研究.本文阐述了APD原理及结构,重点对近年来国外相关研究进展及应用情况进行了介绍,并对国内...     

碲镉汞雪崩光电二极管在激光雷达上的应用

首先简要介绍激光雷达的主要军事应用、激光雷达对接收器的性能需求及激光雷达接收器的现状,综述碲镉汞材料特点、碲镉汞雪崩光电二极管探测器特点,与现有激光雷达接收器相比碲镉汞雪崩光电二极管作为激光雷达接收器的优势及制备技术;综述国外碲镉汞雪崩光电二极管用于激光雷达接收器的发展现状;最后分析我国发展用于激光雷达接收器的碲镉汞雪崩光电二极管可行性。     

碲镉汞雪崩光电二极管的发展

雪崩光电二极管(APD)工作在足够的反偏下,光生载流子到达耗尽区并诱发放大过程.碲镉汞(MCT)电子和重空穴有效质量之间的非对称性会产生不相等的电子电离系数和空穴电离系数,提供一个由单独一类载流子诱发的碰撞电离过程,从而形成具有包括接近无噪声增益在内的“理想”APD特征的电子雪崩光电二极管(EAPD).对于包括低光子数...     

中波碲镉汞雪崩光电二极管的增益特性

采用不同工艺制备了中波碲镉汞(Hg Cd Te)雪崩二极管(APD)器件,利用不同方法对其结特性和增益随偏压变化关系进行了表征,并基于Beck模型和肖克莱解析式进行了拟合分析.结果表明,不同工艺制备的APD器件饱和耗尽区宽度分别为1. 2μm和2. 5μm,较宽的耗尽层有效抑制了高反偏下器件的隧道电流,器件有效增益则从近100提高至1 000以上.用肖克莱解析式拟合Hg Cd Te APD器件增益-偏压曲线,获得了较好的效果.拟合结果与Sofradir公司的J. Rothman的报道相似.     

MBE生长的PIN结构碲镉汞红外雪崩光电二极管

对中波红外碲镉汞雪崩光电二极管(APD)特性进行理论计算,获得材料的能量散射因子及电离阈值能级与材料特性的相互关系,从而计算器件的理论雪崩增益与击穿电压.通过对材料特性(组分,外延厚度,掺杂浓度等)的优化,设计并生长了适合制备PIN结构红外雪崩光电二极管的碲镉汞材料,并进行了器件验证.结果显示,在10V反偏电压下,该器件电流增益可达335.     

中波碲镉汞雪崩光电二极管(APD)增益特性

采用不同工艺制备了中波碲镉汞雪崩二极管(HgCdTe APD)器件,利用不同方法对其结特性和增益随偏压变化关系进行了表征,并基于Beck模型和肖克莱解析式进行了拟合分析。结果表明,不同工艺制备的APD器件饱和耗尽区宽度分别为1.2μm 和2.5μm,较宽的耗尽层有效抑制了高反偏下器件的隧道电流,器件有效增益则从近100提高至1000以上。采用拟合HgCdTe APD器件增益-偏压曲线获得了较好的效果,且拟合得到的参数与Sofradir的Rothman的结果相似。     

论碲镉汞光电二极管的暗电流

对于工作在1—30岬波段的各种红外光电探测器来说,碲镉汞（Mercury Cadmium Telluride,MCT）已经成为最重要的一种半导体材料。为了获得最优的性能,MCT探测器的暗电流必须降至最小。主要根据近年来的部分英文文献,从基本概念入手,介绍了有关MCT光电二极管暗电流研究的发展情况,并讨论了对于MCT光电二极管暗电流有关问题的理解和体会。     

碲镉汞雪崩焦平面器件

碲镉汞雪崩光电二极管以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点成为第3代红外光电探测器的重要发展方向之一.制备了截止波长3.56μm的雪崩光电二极管焦平面器件,面阵规模为16×16.焦平面器件在0～6V偏压下有效像元率大于90%,非均匀性小于20%.6 V偏压下NEPh约为60,过剩噪声因子为1.2.     

论碲镉汞光电二极管的暗电流(下)

对于工作在1～30 μm波段的各种红外光电探测器来说,碲镉汞(MercuryCadmium Telluride,MCT)已经成为最重要的一种半导体材料.为了获得最优的性能,MCT探测器的暗电流必须降至最小.主要根据近年来的部分英文文献,从基本概念入手,介绍了有关MCT光电二极管暗电流研究的发展情况,并讨论了对于MCT光电二极管暗电流有关问题的理解和体会.     

可作光子计数的雪崩光电二极管

对于光电倍增管不适用的高灵敏度弱光探测应用，存在一种固体替代器件，即雪崩光电二极管。这种器件在半导体内产生光电倍增，而光电倍增管在真空中产生电子倍增。雪崩光电二极管具有与半导体技术有关的微型化优点。由于这种器件能对单光子计数和探测很短时间间隔，它们已在光雷达、测距仪探测器和超灵敏光谱学方面找到日益增长的应用。另外，雪崩光电二极管在光纤通讯方面正与PIN光电二极管相竞争。雪崩光电二极管如何工作与任何光电二极管，样，雪崩光电二极管中由两类半导体组成的p-n结只允许电流在一个方向流动。光电二极管由一个掺有…     

HgCdTe雪崩光电二极管的研究进展

碲镉汞红外雪崩光电二极管(APD)阵列作为最近十多年来发展起来的新型探测器,以其高增益、高灵敏度和高速探测的优点,成为未来微弱信号探测、二维/三维成像、主/被动探测应用的重要器件。本文重点阐述了雪崩光电二极管的基本原理、以及HgCdTe雪崩光电二极管材料和器件的研究,结合应用方向对其研究进展进行了综述性介绍。     

The HgCdTe electron avalanche photodiode

Electron injection avalanche photodiodes in short-wave infrared (SWIR) to long-wave infrared (LWIR) HgCdTe show gain and excess noise properties indicative of a single ionizing carrier gain process. The result is an electron avalanche photodiode (EAPD) with “ideal” APD characteristics including near noiseless gain. This paper reports results obtained on long-, mid-, and short-wave cutoff infrared Hg_1−xCd_xTe EAPDs (10 μm, 5 μm, and 2.2 μm) that use a cylindrical “p-around-n” front side illuminated n+/n-/p geometry that favors electron injection into the gain region. These devices are characterized by a uniform, exponential, gain voltage characteristic that is consistent with a hole-to-electron ionization coefficient ratio, k=α_h/α_e, of zero. Gains of greater than 1,000 have been measured in MWIR EAPDS without any sign of avalanche breakdown. Excess noise measurements on midwave infrared (MWIR) and SWIR EAPDs show a gain independent excess noise factor at high gains that has a limiting value less than 2. At 77 K, 4.3-μm cutoff devices show excess noise factors of close to unity out to gains of 1,000. A noise equivalent input of 7.5 photons at a 10-ns pulsed signal gain of 964 measured on an MWIR APD at 77 K provides an indication of the capability of this new device. The excess noise factor at room temperature on SWIR EAPDs, while still consistent with the k=0 operation, approaches a gain independent limiting value of just under 2 because of electron-phonon interactions expected at room temperature. The k=0 operation is explained by the band structure of the HgCdTe. Monte Carlo modeling based on the band structure and scattering models for HgCdTe predict the measured gain and excess noise behavior.     

MBE原位碲化镉钝化的碲镉汞长波光电二极管列阵

采用分子束外延(MBE)技术在表面生长碲化镉(CdTe)介质膜的p型碲镉汞(HgCdTe)材料,并通过离子注入区的光刻、暴露HgCdTe表面的窗口腐蚀、注入阻挡层硫化锌(ZnS)的生长、形成p-n结的B+注入、注入阻挡层的去除、绝缘介质膜ZnS的生长、金属化和铟柱列阵的制备等工艺,得到了原位CdTe钝化的n+-on-p...     

碲镉汞APD平面型PIN结构仿真设计研究

碲镉汞(HgCdTe)线性雪崩焦平面因其相对低的过剩噪声、较小的工作电压、线性可调等优点,得到了广泛关注。基于电子雪崩中波HgCdTe PIN二极管结构,开展暗电流模型和Okuto-Crowell增益模型仿真。通过改变器件材料结构参数模拟不同电压下的暗电流和增益特性。计算讨论了不同I区(本征区)厚度和载流子浓度对器件暗电流和增益的影响。结果表明结区峰值场强的变化会导致直接隧穿(BBT)电流产生率数量级上的剧烈变化;增加I区厚度和降低I区掺杂浓度可有效抑制BBT电流;增益随场强的变化趋势与BBT电流随场强的变化趋势一致;因此抑制BBT电流的措施会造成增益性能的下降,需要优化参数以获得最佳性能。综合考虑暗电流和增益性能,I区的厚度应不小于3μm,I区浓度需控制在5×10¹⁴cm^-3以下。单元中波APD的增益实验结果与仿真数据较好地吻合,表明了理论模型的正确性。     

HgCdTe长波光电二极管列阵的等离子体修饰

报道了HgCdTe长波离子注入n+-on-p型光电二极管列阵低能氢等离子体修饰的研究成果.基于采用分子束外延(MBE)技术生长的HgCdTe/CdTe薄膜材料,通过注入窗口的光刻与选择性腐蚀、注入阻挡层的生长、形成光电二极管的B+注入、光电二极管列阵的低能氢等离子体修饰、金属化和铟柱列阵的制备等工艺,得到了氢等离子体修饰的n+-on-p型HgCdTe长波光电二极管列阵.从温度为78 K的电流与电压(I-V)和动态阻抗与电压(R-V)特性曲线中,发现经过低能氢等离子体修饰的HgCdTe红外长波光电二极管列阵动态阻抗极大值比未经过修饰处理的提高了1～2倍,并在反向偏压大于动态阻抗极大值所处的偏压时动态阻抗得到更为明显的提升.这表明低能氢等离子体修饰可以抑制HgCdTe光电二极管列阵暗电流中的带带直接隧穿电流Ibbt和缺陷辅助隧穿电流Itat,从而能提高长波红外焦平面探测器工作的动态范围和探测性能的均匀性.     

砷掺HgCdTe长波红外光电二极管阵列的制备与性能

采用砷(As)掺杂HgCdTe材料研制了响应截止波长为12.5 μm,规格为256×1的长波红外光电二极管阵列.实验设计了一种新的pn结测量方法,测量发现砷掺长波HgCdTe材料离子注入形成pn结深度在3.6～5.3 μm之间,而其最大横向尺寸大约是设计尺寸的1.3倍.实验采用一种改进的表面处理工艺制备了砷掺HgCdTe长波红外光电二极管阵列,获得了良好的电学性能,该工艺与常规表面处理工艺相比可以使器件峰值阻抗提高2个量级,而-0.5v偏压下的动态电阻可提高约30倍.研究认为,器件性能提高的原因是由于改进工艺可以有效抑制器件表面漏电流.     

碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器(特邀)

单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来,国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术,充分放大光子信号,以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Devices, EMCCDs)具有更高的量子效率,可替代传统的可见光光子计数系统,但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件(HgCdTe APD)的过剩噪声因子接近1,几乎无过剩噪声;相对于盖革模式的雪崩器件,没有死时间和后脉冲,不需要淬灭电路,具有超高动态范围,光谱响应范围宽且可调,探测效率和误计数率可独立优化,开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域,在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神(Raytheon)公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状,分析了吸收倍增...