焦平⾯APD探测器的国内外技术现状和发展趋势.
红外焦平⾯探测器的国内外技术现状和发展趋势
⼀、焦平⾯APD探测器的背景及特点
焦平⾯APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核⼼元件。
1、APD
雪崩光电⼆极管（APD）是⼀种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量⼦响应度⾼、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量⼦效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最⼤增益可达200 倍，有很好的微弱信号探测能⼒。
2、APD阵列的分类
按照APD的⼯作的区间可将其分为：Geiger-mode APD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。
（1）Geiger-mode APD阵列的特点
优点：
1）极⾼的探测灵敏度，单个光⼦即可触发雪崩效应，可实现单光⼦探测；
2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有⾼的时间分辨率，进⽽有较⾼的距离
3d走视图
分辨率，厘⽶量级；
3）较⾼的探测效率，采⽤单脉冲焦平⾯阵列成像⽅式；
4）较低的功耗，体积⼩，集成度⾼；
5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进⾏数字处理，读出电路(ROIC)不需要
前置放⼤器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。
缺点：
1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要⼀定时间才能恢复原来状态，为使其
可以连续正常⼯作需要采⽤淬⽕电路对雪崩进⾏抑制。
2）GM-APD有极⾼的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。
（2）线性模式APD阵列的特点
优点：
1）光⼦探测率⾼，可达90%以上；
2）有较⼩的通道串扰效应；
3）具有多⽬标探测能⼒；
4）可获取回波信号的强度信息；
5）相⽐于GM-APD，LM-APD对遮蔽⽬标有更好的探测能⼒。
缺点：
1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光⼦灵敏度的LM-APD）
2）读出电路的复杂度⼤于GM-APD（需对输⼊信号进⾏放⼤、滤波、⾼速采样、阈值⽐较、存储等操
作）。（其信号测量包括强度和时间测量两部分）按照基底半导体材料APD可分为： Si APD、Ge APD、InGaAs APD、HgCdTe APD。
其中Si的由于波长在1um左右，由于材料限制很难做到⼤于32*32的阵列，再考虑到⼈眼安全以及军事对⾼功率激光的需求，⼯作波长在：1.5um的InGaAs APD 及HgCdTe APD为研究的热点内容。
⼆、国外的技术现状
按照APD的⼯作区间进⾏分类讨论。
1、基于Geiger-mode APD(GM-APD)的焦平⾯探测器
（1）技术⼿段：
1）APD阵列：主要采⽤p型衬底⾦属有机⽓相外延（MOCVD）及台⾯⼯艺⽅法；
或者n型衬底P扩散平⾯⼯艺⽅法制备。
2）ROIC：采⽤CMOS⼯艺代⼯流⽚。
3）封装技术：采⽤陶瓷封装等将APD和ROIC集成在⼀起的探测器封装，再封装到半导体热电制冷（TE
C）⽅式使其⼯作与浅低温的条件。4）APD和ROIC的集成：块接(Bump-bonding)技术或者桥接(Bridge-bonding)技术。
（2）发展历史：
1998年林肯实验室研制出4*4的APD焦⾯探测器；
2001年研制出Gen-I系统；
2002年研制出微型化的Gen-II；
2003年研制出Gen-III（APD阵列：32*32）；
2011年研制出ALIRT系统（APD阵列：32*128）；
⽬前为⽌已经可以实现：APD阵列：256*256，测量精度：5cm以内。
（3）主要的研究机构：
美国MIT林肯实验室、波⾳Spectrolab公司、Princeton Lightwave公司等
（4）结构及其原理框图：
如图⼀所⽰：激光发射的同时产⽣⼀个计时开始信号（start）；当光⼦回波到达时产⽣⼀个COMS兼容的电压脉冲(stop)；该脉冲使读出电路时间测量单元停⽌计数；光脉冲到达的时间数字化，同时降低偏置实现雪崩淬灭，数据经传输处理获取⽬标三维距离信息。
如图⼆所⽰：InGaAs/InP APD阵列通过In柱⼦的倒装和下⾯的ROIC芯⽚集成，通过陶瓷封装之后，再封装到含有三级半导体热电制冷器(TEC)和⽯英玻璃光窗的⾦属管壳。
如图三所⽰：采⽤背照⼊射平⾯结构，材料结构上采⽤光吸收雪崩倍增层分离的、具有能带渐变层和电荷层的结构。
2、基于线性模式APD(LM-APD)的焦平⾯探测器
（1）技术⼿段：
1）APD阵列：主要通过分⼦束外延⽣长（MBE）进⾏制备
2）ROIC：采⽤CMOS⼯艺代⼯流⽚。
3）封装技术：采⽤陶瓷封装等将APD和ROIC集成在⼀起的探测器封装，再封装到半导体热电制冷（TEC）⽅式使其⼯作与浅低温的条件。4）APD和ROIC的集成及其结构：Z堆叠（Z-stacking）技术，或者垂直互连探测器阵列技术（Vertically Integrated Sensor
Arrays，VISA）。
如图四所⽰：VISA采⽤垂直互连代替Z最堆叠中的平⾏结构，其可以克制芯⽚的长度限制，⽤于制造更⼤规模的探测器阵列和更复杂的⽚上信号处理系统。
（2）发展历史：
2000年开始Raytheon在国防预先研究计划局(DARPA)⽀持下先后研制了：
4*4,32*2,10*10,4*256等不同规格的APD阵列探测器；
2001年开始DRS公司对HgCdTe APD进⾏研究，并利⽤⾼密度垂直集成光电⼆极管的结构开发圆柱形N-
on-P APD；
2005年开始ASC公司开发了⼀系列3D闪光激光探测成像传感器InGaAs APD 阵列（APD阵列128×128）；
2007年，Raytheon研制了⼀种应⽤于导弹系统和海军空中作战中⼼的HgCdTe APD三维成像雷达（APD阵列2×128），⽬前仪可以做出256*256；
2007年，DSR公司在美国陆军CELRAP计划⽀持下开发了HgCdTe APD脉冲⽆扫描激光雷达系统（APD阵列128×128，增益可达1000倍）；
2011年，法国CEA/LETI和DEFIR实验室研制了⼀种具备主动和被动成像能⼒的HgCdTe APD三维闪光激光雷达（APD阵列320*256）；⽬前为⽌：APD阵列320*256（近年已经达到515*512）；分辨率：ns量级；增益⼤于100
（3）主要的研究机构：美国的：雷神公司（Raytheon）、DRS公司、ASC（Advanced Scientific Concepts）公司、Lockheed Martin公司；法国的：CEA-Leti公司等等（4）⼀些典型的APD阵列结构及原理图
如图七所⽰是：Raytheon 公司的⼀款256*4APD 阵列的产品，其ROIC 和APD 阵列封装在TEC 中，TEC 使其在浅低温环境下⼯作，周围的电路板提供旁路电容器、多路复⽤器、LVDS 接收器等等。
如图⼋所⽰：为法国CEA/LET 研制的APD 阵列为：320*256的焦平⾯探测器的ROIC 原理图，处理系统采⽤脉冲飞⾏时间法（TOF ）测距，读出电路由CTIA 放⼤器、⽐较器、锁存器和采样保持电路组成.其强度测量采⽤与CCD 类似的积分形式实现；其时间测量采⽤对基准参考电压采样实现；其原理右图所⽰脉冲发射(T1)后，参考电压开始随时间线性增加，当激光脉冲回波到达( T2)后，触发锁存器，对参考电压采样即V3D ，根据电压的⼤⼩，即可判定脉冲回波时间，获取⽬标距离。

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