紅外雪崩光電二極管（APD）是目前最常用的增益型紅外器件。由于其材料及器件工藝與普通非增益型光電二極管兼容，且器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度較低、制備較為容易，在保證大增益條件下量子效率也能保持較高，是一類同時(shí)具備大帶寬、高增益的異質(zhì)結(jié)器件，因而在紅外探測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為碲鎘汞（HgCdTe）基增益型器件的首要選擇。APD利用半導(dǎo)體雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的載流子鏈?zhǔn)娇焖僭鲆鎭韺?shí)現(xiàn)顯著的信號(hào)放大。對(duì)于光伏型器件，目前主流的雪崩機(jī)理解釋為熱載流子碰撞電離理論（如圖1）。增益帶寬積和過剩噪聲是APD器件最重要的應(yīng)用的增益器件中唯一能實(shí)現(xiàn)高增益帶寬積的兩個(gè)核心性能參數(shù)。APD器件是在紅外領(lǐng)域器件。在中短波波段，由于HgCdTe材料中空穴有效質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子有效質(zhì)量，其碰撞電離過程表現(xiàn)出明顯的傾向性。因此，HgCdTe基APD探測(cè)器是一種典型的電子主導(dǎo)型雪崩器件。

圖1 電子型APD器件的雪崩原理圖

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所的科研團(tuán)隊(duì)通過對(duì)現(xiàn)有的幾類主流HgCdTe APD器件進(jìn)行梳理，簡(jiǎn)要總結(jié)了目前國(guó)際上主流的APD器件發(fā)展路線，并分析了包括PIN、高密度垂直集成光電二極管（HDVIP）和吸收-倍增分離（SAM）型器件在內(nèi)的主要APD器件的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)。通過對(duì)比不同技術(shù)路線的器件優(yōu)化思路和性能特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)器件的持續(xù)發(fā)展進(jìn)行了展望。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“碲鎘汞雪崩光電探測(cè)器的發(fā)展與展望”為題發(fā)表在《紅外》期刊上。

APD器件結(jié)構(gòu)及進(jìn)展情況

SAM型HgCdTe薄膜器件

波蘭軍事技術(shù)大學(xué)主要與波蘭Vigo公司等研究機(jī)構(gòu)合作開發(fā)MOCVD外延的HgCdTe薄膜及相關(guān)器件。由于MOCVD法高溫制備的特性，有助于實(shí)現(xiàn)高溫工作（HOT）器件的制備。Kopytko M等人對(duì)具有N?-v-p-P?多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)且截止波長(zhǎng)為8 μm的雪崩二極管進(jìn)行了數(shù)據(jù)仿真分析，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。這是一種基于SAM結(jié)構(gòu)的器件。與傳統(tǒng)N?-p-P?結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)相比，N?-v-p-P?的SAM結(jié)構(gòu)在低偏壓下的電場(chǎng)主要位于N?-v結(jié)區(qū)。即使在大偏壓下電場(chǎng)也不會(huì)進(jìn)入吸收區(qū)，且內(nèi)建電場(chǎng)在v區(qū)也分布得更加均勻，有利于形成更加平緩的帶隙變化，抑制暗光條件下的隧穿，如圖2(b)所示，這與N?-p-P?結(jié)構(gòu)恰好相反。

圖2 (a) SAM型APD的截面?zhèn)纫晥D；(b) PIN型與SAM型APD的內(nèi)建電場(chǎng)分布對(duì)比圖

進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)通過MOCVD法在2 in GaAs襯底上外延生長(zhǎng)了多組分梯度的臺(tái)面型N?/N/p/P/P?/n?結(jié)構(gòu)HgCdTe薄膜。器件單像元結(jié)構(gòu)參考了其在此前的非平衡器件中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3(a)所示。該器件通過多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)組合實(shí)現(xiàn)了吸收區(qū)與雪崩倍增區(qū)分離，對(duì)于器件暗電流抑制與靈敏度提升有著顯著的促進(jìn)作用，有利于器件高溫工作，獲得了基于高靈敏度臺(tái)面結(jié)構(gòu)的SAM型雪崩二極管陣列。此研究也是首次將SAM結(jié)構(gòu)（在III-V族超晶格探測(cè)器和短波HgCdTe探測(cè)器中廣泛應(yīng)用的器件結(jié)構(gòu)）延伸到中波紅外探測(cè)器中，充分驗(yàn)證了相關(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)于提升高靈敏度和高溫工作器件性能的有效性。

 圖3 (a) 中波SAM型APD像元的參考結(jié)構(gòu)圖；(b) 在不同條件下的內(nèi)建電場(chǎng)與能帶圖

該團(tuán)隊(duì)對(duì)于采用MOCVD法制備的臺(tái)面結(jié)構(gòu)所獲得的N?/p/P?/n結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié),驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)在230 K下的高溫工作能力?；诖颂岢隽诉m用于高溫工作的長(zhǎng)波臺(tái)面型 APD結(jié)構(gòu)，如圖 4(a)所示?；谝延兄虚L(zhǎng)波結(jié)構(gòu)SAM型APD器件，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)背對(duì)背中長(zhǎng)波雙色APD進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析（見圖5）。

 圖4 (a) 不同晶向的HgCdTe APD像元結(jié)構(gòu)圖；(b) (100)晶向的暗電流成分隨偏壓的變化；(c) (111)晶向的暗電流成分隨偏壓的變化

 圖5 (a) 中長(zhǎng)波雙色APD臺(tái)面結(jié)構(gòu)；(b) 能帶結(jié)構(gòu)圖

平面結(jié)型PIN器件

德國(guó)主要有AIM公司及其合作機(jī)構(gòu)對(duì)HgCdTe及APD器件進(jìn)行開發(fā)。其中主要是平面結(jié)器件，目前尚無臺(tái)面結(jié)型器件報(bào)道。平面結(jié)器件主要通過注入形成PIN結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雪崩增益。2018年，AIM公司在CdZnTe（CZT）基襯底上采用LPE工藝生長(zhǎng)HgCdTe薄膜，并利用該薄膜開發(fā)了其首個(gè)截止波長(zhǎng)為2.55 μm的短波平面結(jié)n?/n?/p型APD器件（見圖6）。

圖6 AIM公司的注入型短波APD組件像元結(jié)構(gòu)及摻雜曲線

作為法國(guó)主要的紅外探測(cè)器材料與器件研究機(jī)構(gòu)之一，法國(guó)電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（CEA-Leti）主要研制基于注入型平面結(jié)的PIN結(jié)構(gòu)器件，其p區(qū)為汞空位形成的本征p區(qū)，受主濃度一般在101? cm?3量級(jí)。2007年，該機(jī)構(gòu)報(bào)道了基于MBE外延薄膜注入成型的CdZnTe基 n?/n?/p 型APD器件。如圖7所示，通過對(duì)比兩種不同注入?yún)^(qū)尺度的APD器件，證明注入?yún)^(qū)更寬的器件在高偏壓下能夠更有效地抑制過剩電流的增大，進(jìn)而獲得更大的增益。

圖7 (a) 具有窄注入?yún)^(qū)的結(jié)構(gòu)組件；(b) 具有寬注入?yún)^(qū)的結(jié)構(gòu)組件

基于平面結(jié)注入，CEA-Leti和Sofradir公司合作開發(fā)了多款用于空間探測(cè)的天基APD焦平面探測(cè)器，并進(jìn)行了多型面陣器件（面陣規(guī)模從640 × 512到320 × 256等）的開發(fā)。早期大多采用MBE工藝制備外延薄膜。在短波和近紅外波段，采用MBE與LPE生長(zhǎng)碲鎘汞材料制備的APD可取得相似的性能。在修正讀出電路因素后，部分MBE材料的暗電流控制甚至優(yōu)于LPE材料，如圖8所示。

圖8 采用不同工藝制備的短波APD器件的暗電流性能對(duì)比

目前，在短波至甚長(zhǎng)波波段，CEA-Leti采用LPE外延中波或長(zhǎng)波薄膜制備PIN結(jié)構(gòu)，其像元截面如圖9(a)所示。2020年，CEA-Leti繼續(xù)報(bào)道了響應(yīng)帶寬為500 MHz、增益為100的短波高計(jì)數(shù)率單光子雪崩二極管，其成像演示系統(tǒng)如圖10所示。

圖9 (a) CEA-Leti開發(fā)的平面注入型APD像元結(jié)構(gòu)；(b) 投入應(yīng)用的短/中波組件參數(shù)；(c) 中波APD組件的增益曲線；(d) 長(zhǎng)波APD組件的增益曲線 

圖10 單光子雪崩探測(cè)器成像演示結(jié)構(gòu)圖

環(huán)孔型HDVIP器件

環(huán)孔型HDVIP結(jié)構(gòu)可以看作是一種具備橫向電荷輸運(yùn)能力的變形PIN結(jié)構(gòu)器件，其包括本征摻雜吸收區(qū)和過渡的倍增區(qū)。環(huán)孔型APD器件是Leonardo DRS公司及旗下Selex公司長(zhǎng)期使用的結(jié)構(gòu)。通過應(yīng)用環(huán)孔型器件，實(shí)現(xiàn)高密度垂直集成的HDVIP結(jié)構(gòu)，進(jìn)而基于常用的離子注入工藝實(shí)現(xiàn)APD器件的制備與集成。這種結(jié)構(gòu)可以視為PIN平面結(jié)結(jié)構(gòu)的水平拓展。圖11所示為典型的HDVIP結(jié)構(gòu)。 

圖11 HDVIP結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖與俯視圖

通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)來抑制器件的過剩噪聲，Leonardo DRS公司進(jìn)一步提升了APD器件的光子計(jì)數(shù)和單光子探測(cè)能力（見圖12）?；贖DVIP結(jié)構(gòu)優(yōu)化特性，Leonardo DRS公司進(jìn)一步開發(fā)了空間用APD器件，并在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的宇航探測(cè)項(xiàng)目中得以應(yīng)用（見圖13）。

圖12 單光子探測(cè)APD：(a) 增益特性；(b) 能帶結(jié)構(gòu)圖；(c) 實(shí)物圖與結(jié)構(gòu)/性能參數(shù) 

圖13 空間用APD：(a) 增益特性；(b) 注入與非注入接觸下的I-V特性對(duì)比

總結(jié)與展望

目前國(guó)際上主流的HgCdTe APD器件結(jié)構(gòu)依然以通過離子注入形成的PIN結(jié)構(gòu)為主，材料工藝上以LPE和MBE為主。不同技術(shù)路線的APD器件對(duì)比如表1所示?？梢钥吹?，目前面向高精度單光子計(jì)數(shù)需求的場(chǎng)景（如宇航探測(cè)等）主要應(yīng)用的依然是平面結(jié)結(jié)構(gòu)。通過適當(dāng)設(shè)計(jì)倍增區(qū)與吸收區(qū)，平面結(jié)在APD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中依然可以發(fā)揮巨大作用。對(duì)比國(guó)際主流的APD器件技術(shù)路線后可以發(fā)現(xiàn)，由于APD器件中主要通過抑制隧穿實(shí)現(xiàn)高靈敏度工作，GR復(fù)合和俄歇復(fù)合并不是APD器件暗電流的主要組成成分，因而在PIN結(jié)構(gòu)HgCdTe APD器件中，臺(tái)面結(jié)相關(guān)結(jié)構(gòu)的通過本征載流子濃度調(diào)控抑制暗電流的效應(yīng)在APD結(jié)構(gòu)上的作用并不明顯，所以沒有成為主要發(fā)展方向。通過優(yōu)化APD結(jié)構(gòu)（如改進(jìn)結(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)等），實(shí)現(xiàn)高增益低噪聲輸出，特別是對(duì)缺陷輔助隧穿等過程的抑制是主要的暗電流抑制手段。對(duì)于暗光條件下的暗電流抑制，材料本征缺陷密度和能帶結(jié)構(gòu)往往影響更大，造成了缺陷輔助隧穿和帶間隧穿的發(fā)生。這也是結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的SAM型器件得以快速發(fā)展的主要原因。

表1 不同技術(shù)路線的APD器件對(duì)比

從器件性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來看，SAM型器件是最有潛力實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)的APD器件。該器件能夠基于結(jié)區(qū)設(shè)計(jì)，利用低摻雜過渡層的插入，在吸收區(qū)屏蔽反偏電場(chǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)吸收區(qū)與倍增區(qū)的分隔，并排除電場(chǎng)對(duì)吸收區(qū)載流子的直接作用，從而盡可能減輕暗光條件下的隧穿。因此其暗電流顯著減小，靈敏度增加。SAM型器件通過引入組分過渡層能夠顯著改善內(nèi)建電場(chǎng)梯度和耗盡區(qū)結(jié)構(gòu)尺度，避免由明顯的組分突變帶來的電場(chǎng)階躍和梯度斷層，能夠進(jìn)一步減輕隧穿電流的影響，實(shí)現(xiàn)近室溫高溫工作。然而，由于工藝條件的限制，MBE外延HgCdTe材料難以實(shí)現(xiàn)有效的組分梯度控制，且組分互擴(kuò)散為動(dòng)力學(xué)不利條件，而LPE工藝本征不適于薄層外延，因此對(duì)于器件擴(kuò)散區(qū)域和尺度的調(diào)控更加困難。目前利用MBE和LPE外延薄膜的APD器件依然主要聚焦于缺陷控制和摻雜調(diào)制。對(duì)于APD器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和進(jìn)一步發(fā)展，要探究新型器件結(jié)構(gòu)，擺脫現(xiàn)有HgCdTe材料外延工藝的限制。合理設(shè)置摻雜濃度和能帶結(jié)構(gòu)依然是其未來重點(diǎn)方向。通過引入新工藝技術(shù)進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化（特別是器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化），抑制暗電流，降低過剩噪聲因子，實(shí)現(xiàn)高靈敏度輸出。