📘 OE 文献 090901 · 激光告警系统光电探测器综述

这一篇在干嘛？

这是一篇面向初学者的激光告警系统（LWS）光电探测器综述。文章先讲清 LWS 要对抗的四类激光威胁（测距机、目标指示器、驾束制导、定向能武器）和探测概率、虚警率、动态范围、角分辨率、噪声水平五大指标，再围绕战场主流波长（1064 nm、1550 nm、10.6 μm 等）逐一拆解 PIN、APD/SPAD、HgCdTe、PEM、Dember、四象限、多色与成像式探测器的原理与优劣，最后用纳米结构增强方案和一套自研前端电路收尾。读完你就能明白「探测器怎么按波长和场景选型」这个问题。

1 引言：为什么战场上需要”激光耳朵”

激光器自诞生以来，应用早已超出实验室——医疗、工业、全息、光谱、天文都有它的身影。但对军事领域来说，激光的意义尤其特殊：早年军事通信依赖射频（RF）波段，容易被窃听、也容易受电磁干扰；而可见光和红外（IR）波段的激光束发散角极小、光束相干性好，被截获的概率非常低，天然适合保密通信和精确打击。

今天的现代战场上，激光武器系统已经形成了一个家族：

激光辅助武器：由激光束引导的导弹或弹丸；
激光测距机（LRF）：测出潜在目标的距离和方向；
定向能（DE）武器：可对大面积目标造成毁灭性破坏。

激光用于这些系统最大的优势是以光速传输——武器在发现目标的瞬间即可实施打击；同时定向能带来的附带损伤更小，还能隐蔽工作。表 1 列出了几个仍在进行的代表性军用激光项目。

项目名称	内容	年份
波音高能激光移动演示器（HELMD）	用车载 10 kW 固体激光器（红外波段）跟踪并摧毁空中目标	2011 至今
健壮电激光倡议（RELI）	国防部联合洛马、诺格、波音研制 100 kW 激光器	2013 至今
固体激光器技术成熟化计划	美海军研究办公室主导，目标是成熟的高能激光（HEL）武器	2012 至今
气动自适应/气动光学光束控制计划	DARPA 与 AFRL 联合项目，目标是在飞机上部署可全向射击的 HEL	2013 至今

1.1 激光威胁到底有哪几类？

激光威胁的核心思路是：用激光束提高武器命中目标的概率。按工作方式可分为四类，初学者务必记住它们的波长特征，因为告警系统的探测器就是围绕这些波长来选型的。

激光测距机（LRF）：最常见、最泛滥的激光系统。通常发射单个脉冲，利用回波估算到目标的距离。常用波长为 905 nm、1064 nm、1510~1550 nm。
激光目标指示器（Laser Target Designator）：当今战争中最标准的装备。发射多脉冲，可与对应武器进行更精确的编码协同。常用波长为 1064 nm 和约 1500 nm。
激光驾束制导（LBR）：最致命的一类激光威胁。激光用来把导弹或弹丸”骑”在光束上导向目标，可工作在连续波（CW）或脉冲模式。它和前两类的关键区别在于：激光能量不打在目标上，而是打在导弹尾部；且信号强度很低，探测难度大。常用波长为 905 nm 和 1.064 μm，典型实例是俄制 AT-14”短号”反坦克导弹。
定向能武器（DE）：直接用定向能摧毁或瘫痪目标，包括射频武器、激光、主动拒止技术、反卫星定向能和高功率微波武器系统等。

1.2 激光告警系统（LWS）：它要干什么、难在哪里

敌方激光威胁可能从任意方向、任意时刻到来，而且可探测的时间窗口极短——只有 5~10 ns。这意味着告警系统必须在这个一瞬间内完成探测、并存储全部威胁信息。激光告警系统（LWS）就是为此而生的”激光耳朵”，它由三大子系统组成：

光学子系统：光谱滤光片、聚焦透镜，以及由多个探测器（尤其是红外光电探测器 IRPD）构成的特定阵列；
探测子系统：把光信号变成电信号；
处理子系统：数字信号处理，给出激光的到达角（AoA）、波长、功率等参数，供后续对抗措施使用。

世界各国的研究机构和防务部门都在发展这类系统。伊朗理工大学纳米光子学研究中心（NRC）就提出过一种用六个透镜汇聚入射辐射的优化光学阵列方案。

1.3 战场上的激光波长

现代战场最常用的激光位于红外波段，尤其是近红外（NIR）：

Nd:YAG 激光器：1064 nm（最经典的军用波长）；
Er:YAG 激光器，以及拉曼频移 Nd:YAG 激光器：1530~1550 nm（人眼安全波段）；
红宝石激光器：694 nm；
CO₂ 激光器：10.6 μm（长波红外）。

1.4 探测器分类框架：告警系统里都用什么探测器

LWS 中的探测器通常基于半导体光电探测器（PD）阵列，一般需要低温制冷或热电制冷；也有不用制冷的方案，如雪崩光电二极管（APD）、光电导（PC）、光电磁（PEM）、光扩散（Dember 效应）器件。理解这个”探测器家谱”，是看懂后续各章的前提。

光电探测器的一般结构示意：光敏光学区 $A_{o}$ 接收入射辐射，实际电学区 $A_{e}$ 输出信号，两者之比 $A_{o} / A_{e}$ 可通过光学汇聚器放大

APD（雪崩光电二极管）——高灵敏度担当。随着量子通信、三维雷达成像、微弱信号探测和现代军事应用的发展，低噪声、高灵敏度的 PD 需求越来越突出。Si 和 AlGaAs 基 APD 因此被广泛使用：

Si APD：覆盖 400~1100 nm（可见光到近红外）；
InGaAs APD：覆盖 950~1550 nm。

APD 比普通光电二极管灵敏度高得多，适合极端微弱光（LLL）探测和光子计数。

YAG 系列专用探测器——为 1060 nm（即 YAG 激光波长）的快速响应优化，低电容带来高工作速度和低噪声，特别适合探测激光从目标反射回来的微弱光（测距应用）。其中的 SPOT 系列四象限探测器用于瞄准/跟踪，均为 n-on-P 结构，需要反向偏压，高速应用下工作在光电导（PC）模式。

短波红外（SWIR，约 1~3 μm）探测器——目前 AlGaAs 和 HgCdTe 基 PD 较为适用。除了截止波长 1.67 μm 的标准 InGaAs 探测器外，扩展波长（EW）InGaAs 探测器在气体传感、光谱分析、食品安全领域需求旺盛，已研发三十年；Teledyne Judson Technologies 是航空航天与防务市场的主要供应商，其产品为 P-on-n 平面结构，截止波长 1.9~2.6 μm，有单元和线阵两种形式，可从室温到热电制冷温度工作。

PEM（光电磁）探测器——室温工作 + 快响应的稀缺组合。采用变带隙半导体汞镉锌碲（Hg-Cd-Zn-Te），通过渐变成分和掺杂分布，可在 2~12 μm 的宽红外范围内调节吸收波长并实现最高灵敏度。它的其他优点：无需偏压、亚纳秒响应、轻便、坚固、可靠——非常契合 LWS 的需求。

四象限探测器（4-QD）——光敏面积大、响应快、噪声低，基于它的 LWS 精度很高；但电路结构复杂，且确定威胁源方向依赖处理算法。

多波长探测器——新一代 LWS 的方向。这类探测器由多个半导体层组成，层间细分出多重介质屏蔽结构，把激光按波长聚焦到对应的半导体层中。此外，有源像素成像传感器、集成读出电路和探测器阵列也可以用于 LWS。

角度探测的一个工程实例：从士兵佩戴的粗测装置、火炮上多个离散探测器的策略布设，最终演化出 Excelitas Technologies 的高角分辨率激光辐照探测器（HARLID）——它把多元 Si 和 InGaAs 探测器阵列连同编码机构封装在一个 TO-8 管壳里，借助两个探测器覆盖战场上最常用的指示器波长 500~1650 nm。（入射角探测方法超出本文范围，可另见相关文献。）

**虚警率（FAR）**是 LWS 最关键的指标之一：系统必须识别真正的激光威胁，而不被背景辐射和噪声干扰。为此可以采用光学干涉仪、光声结构等方案。

作为背景补充：伊朗 NRC 团队还设计并测试了带两级电压放大的 TIA（跨阻放大器）电路，用于对探测器输出的 1 μA 量级电流进行调理。本综述的整体脉络是：先给出 LWS 的基本配置和一个完整的威胁光束作用模型，再讲探测器的通用理论与评价参数，然后逐一分析各类探测器，最后列表对比已有方案。

2 LWS 的基本配置与性能指标

2.1 信号从光到电的完整链路

告警激光束在大气中传播时会发散并衰减——大气扰动让光束越传越散、功率越来越弱，这对探测子系统是纯负面的过程。因此聚焦透镜是光学子系统最关键的元件，负责把微弱的光信号汇聚起来。

除聚焦外，还必须有滤波或威胁识别机制，常见方案包括：

可调阈值机制：根据探测到的环境光动态调整噪声阈值，滤掉噪声信号；
相关性滤波机制：利用空间上分开布置的多个探测器接收到激光辐射的时间相关性来判别真伪；
友军火力消除机制：把己方非威胁源发出的激光滤除；
时间映射机制：根据接收脉冲的映射特征来识别和刻画威胁；
首达机制：根据激光最先到达哪一个探测器来判断威胁方向。

光束经过聚焦和滤波后进入探测子系统，完成光电转换，再交给数字信号处理器（DSP）。在处理环节，系统提取激光检测、到达角（AoA）、波长判别、时间特征等参数，用于实施具体的对抗措施（图 1）。

LWS 的三大功能模块框图

图 2 给出了一个能完整模拟 LBR 威胁与激光告警接收机（LWR）场景的 LWS 模型，把激光束在大气中传播、直至到达目标过程中的各种影响因素都纳入了仿真。

LWS 系统配置与参数模型。 $P_{out}$ ：激光发射机输出功率； $τ_{I}$ ：脉宽； $θ$ ：发射机发散角； $λ_{0}$ ：辐射波长； $a$ ：发射孔径直径； $R$ ：发射机到接收机的距离； $P_{in}$ ：接收机输入端的激光功率； $x$ ：目标接收机上光斑尺寸； $D$ ：接收孔径直径； $I$ ：PD 光敏面尺寸； $f$ ：接收光学焦距； $ω$ ：接收机视场角（FOV）； $P_{thr}$ ：阈值功率； $k_{opt}$ ：光学元件损耗系数； $τ_{abs}$ ：大气吸收衰减； $τ_{sct}$ ：大气散射衰减； $Δ f$ ：带宽； $T$ ：温度； $Δ λ$ ：介质带宽滤波器

图 3 则展示了噪声滤波、区分威胁光束与非威胁光束并进行特征提取的完整流程。

LWS 工作性能流程图

2.2 衡量一台 LWS 好不好的五个指标

（1）探测概率（POD）。它取决于源信号强度、目标在探测器视场（FOV）中的角位置、天气条件、噪声水平、太阳是否位于系统视场内以及工作距离等。最直观的定义是：正确判别的脉冲数除以发射的总脉冲数。数学近似表达式为：

P_{d} = \frac{1}{2} (1 + erf \frac{I _{s} - I _{T}}{2 I _{N}}) . (1)

其中 erf 是标准误差函数， $I_{s}$ 、 $I_{T}$ 、 $I_{N}$ 分别代表信号电平、阈值电平和噪声电平。直觉上：信号比阈值高得越多、噪声越小，探测概率就越接近 1。

（2）虚警率（FAR）。即系统没能正确识别激光威胁（把噪声当成了威胁）。可以通过软硬件中的专门算法来降低 FAR。例如缩小 FOV 以减少背景辐射——但代价是需要更多的探测通道。还要注意，有些来源产生的虚警在时间轮廓上与真实激光威胁很相似，典型的如太阳辐射和闪电。

（3）动态范围。问题在于：电子部分工作在线性模式时，在饱和、脉冲展宽出现之前无法覆盖很宽的动态范围；若设计不当，强高频信号甚至会烧毁部分或全部前端电子学。解决办法是在 LWR 中使用对数放大器和限流电路。

（4）角分辨率。对激光源定位的精度要求取决于可用对抗手段的水平与类型。提高角分辨率的途径有多种：用多个单元探测器或探测器阵列（但会带来探测通道数量激增的基本问题）；也成功应用过成像传感器、光纤处理和掩膜编码等手段。尺寸和成本在设计中考量非常关键。

（5）噪声水平。LWS 的灵敏度上限通常由白天背景辐射决定；阈值灵敏度一般按最坏情况估算——即太阳正好位于系统视场内时的条件。

这些参数的精确计算超出本综述主线，相关深入资料可查阅原文献。

4 基于 PN 结光电二极管的激光探测

4.1 PN 结是怎么变成”探测器”的

PN 光电二极管本质上就是一个带 p-n 结的半导体器件，有些结构还在 p 层和 n 层之间夹了一层未掺杂的本征层，构成 p-i-n 结构。它探测光的思路很直接：器件反向偏置时，p-n 结（或本征层）里存在一段没有自由载流子的耗尽区，其中电场很强；当入射光子进入耗尽区被吸收，就会激发出电子-空穴对，这些载流子被强电场迅速拉走、参与导电，形成光电流。只要工作在线性区，光电流就与入射光强度近似成正比——光强变成了电流大小，激光探测由此实现。

不过最原始的 PN 光电二极管有个先天缺陷：它的耗尽区很窄，能”接住”光子的区域小，被吸收的光子少，光电流就低，接收灵敏度自然不理想。更麻烦的是，PN 结耗尽区的宽度还依赖于反向电压——电压一变，吸收光子的区域跟着变，探测器性能随之漂移，这种”性能看电压脸色”的依赖关系是我们不想要的。

p-i-n 光电二极管就是为解决这两个问题设计的：中间那层低掺杂本征区（i 层）很宽，耗尽区由它决定，基本不随偏压变化；宽耗尽区也意味着更多光子能被吸收。加上噪声低、响应快，PIN 光电二极管在光通信领域应用极广。

4.2 三种材料的取舍：硅、InGaAs 与锗

不同半导体材料的带隙不同，能响应的光波长范围也不同：

硅（Si）基 PIN：灵敏度覆盖可见光到近红外（约 1 μm 以内），波长再长吸收和光响应效率就急剧下降；截止参数与 i 层厚度有关。
InGaAs PIN：扩展光谱响应下可覆盖到 1.7 μm 乃至 2.6 μm，但价格昂贵，尤其是大光敏面的器件。
锗（Ge）基 PIN：可作替代品，但寄生电容大、暗电流高，响应速度慢。

表 2 简要对比了 Thorlab 公司三种材料的 PIN 光电二极管：

型号	材料	光谱范围	上升/下降时间	暗电流
FDS010	硅	200 至 1100 nm	1 ns / 1 ns @ 10 V	0.3 nA（典型值）@ 10 V
FGA01	InGaAs	800 至 1700 nm	300 ps / 300 ps @ 5 V	0.05 nA（典型值）@ 5 V
FDG03	锗	800 至 1800 nm	600 ns / 600 ns @ 3 V	4.0 μA（最大值）@ 1 V

对比一目了然：锗管的上升/下降时间慢了两个数量级以上，暗电流又高出几千倍，用它去探测激光威胁（尤其是高速的 LBR 类威胁）并不合适。

4.3 面向激光告警的 PIN 器件研究进展

面向 Nd:YAG 激光的专用探测器（2013）。 Ghuson H. Mohammed 等人研制了一种用于 $Nd^{+ 3}$ -YAG 激光探测的 PIN 光电二极管：探测器为 $n^{+}$ – $π$ – $p^{+}$ 三层结构、深结设计，做在厚度 1 mm 的大直径晶圆上。器件在 1.06 μm 波长的峰值光谱响应度约为 1.5 A/W，还有一个突出特点——工作反向电压高达 170 至 180 V。其响应时间约 85 ns，可用于激光威胁探测（LBR 类威胁除外）。

光谱灵敏度的仿真优化（2015）。 Urchuk 等人仿真研究了硅 PIN 光电二极管的光谱灵敏度特性，考察了电子与空穴的寿命、迁移率、表面复合速度等因素的影响。为优化器件结构，他们计算了改变 p 型顶层深度和掺杂区域的效果；结论是：想把硅光电二极管的光谱灵敏度向短波长扩展，需要让最大空间电荷区尽可能贴近表面，同时改善表面性质以降低表面复合速度，并配合减反射膜使用。

不同光敏面尺寸的实测（2019）。 Emre Doganci 等人研究了光敏面分别为 $3.5 \times 3.5$ 、 $5.0 \times 5.0$ 、 $7.0 \times 7.0 m m^{2}$ 的硅 $p^{+}$ -i- $n^{-}$ 光电二极管，在室温、暗环境中以光导（PC）模式完成 V-I 和 C-V 测量。 $- 5 V$ 偏压下，暗电流 $I_{dc}$ 为 −6.97 至 −19.10 nA，电容为 23 至 61 pF；量子效率最高达 66%，峰值响应度为 0.436 A/W（820 nm）。击穿电压随光敏面增大而降低： $3.5 \times 3.5$ 、 $5.0 \times 5.0$ 、 $7.0 \times 7.0 m m^{2}$ 分别为 −77.5、−84、−93 V。结果表明 $I_{dc}$ 与器件性能均有改善，可用于光电子应用及商用。

4.4 短波红外（SWIR）波段的材料之争

在 SWIR 波段的所有探测器中，InGaAs 性能最好：室温下效率高、暗电流低，可达到最大的探测率 $D^{*}$ ，因此非常适合做雾天条件下的该波段成像。但要达到最佳探测性能，很多应用都要求探测器的带隙能量尽量接近入射光子能量。问题在于：PIN 结构虽然简单、没有几何吸收限制，但其材料通常要与衬底晶格匹配，这往往导致带隙能量偏低或对目标波长不是最优，多余的能量差还会带来过剩噪声。

具体到激光告警最关心的两个威胁源——1064 nm 的 Nd:YAG 激光和 1030 nm 的 Yb:YAG 激光——当时缺少能在这两个波长兼顾低噪声、高响应度、高速度的高性能光电二极管：

红外增强硅 PD：长波截止在 1030 nm 或更短；硅是间接带隙材料，即便只求中等效率也需要极厚的吸收层，限制了工作速度，带宽-响应度积很低。
$In_{0.53} Ga_{0.47} As$ PD（与 InP 衬底晶格匹配）：量子效率和截止频率都很高，但必须外延生长在 InP 衬底上——InP 衬底尺寸小、更贵、更脆，工艺成熟度也不如 GaAs。
锗 PD：空穴迁移率高、速度可以很快，但带隙太小导致暗电流大、并联电阻低，在目标波长处噪声很大。
稀氮化合物（InGaNAs、InGaNAsSb）：理论上可调节带隙，但材料质量相对较差，器件性能上不去。
渐变异质（metamorphic） $In_{x} Ga_{1 - x} As$ ：低铟组分（ $x < 0.25$ ）时带隙直接且可调，理想情况下恰好满足需求。

GaAs 衬底上的转折点（2011）。 Swaminathan 等人用渐变 InGaAs 缓冲层在 GaAs 衬底上生长了顶部受光的渐变异质 $In_{0.2} Ga_{0.8} As$ PIN PD。室温、 $- 2 V$ 反偏下暗电流极低，仅 $1.4 \times 1 0^{- 7} A/c m^{2}$ ；在 Yb:YAG（1030 nm）和 Nd:YAG（1064 nm）波长、 $- 2 V$ 偏压下分别实现响应度 0.72 A/W 与 0.69 A/W，比探测率 $2.3 \times 1 0^{12}$ 与 $2.2 \times 1 0^{12} cm \cdot H z^{1/2} /W$ ；理论分析给出 1064 nm 处带宽-响应度积为 0.21 GHz。这项工作成为可调带隙镓基探测器发展史的转折点——它们可以长在 GaAs 衬底上并走向实用。

薄膜化与纳米谐振腔（2015）。 Michael Verdun 等人研究了金属有机气相外延生长的薄膜 InGaAs PIN 光电二极管的暗电流成分，器件面向光学纳米谐振器应用。得益于电场增强，纳米谐振器把有源区厚度压缩到 100 nm 的量级而不损失量子效率；为覆盖宽光谱，他们把一定光谱范围内导模共振诱导的多个共振峰组合起来。这种几何结构还允许把 InAlAs 合金置于薄 InGaAs 有源区边缘，显著降低产生/复合电流与扩散电流。但观察到随有源层变薄，隧道暗电流成分增大并主导反向暗电流。通过优化外延叠层（保持总厚度不变，纳米谐振器光学特性不变），他们在 $λ = 1.55 μ m$ 实现了高达 $1 \times 1 0^{13} cm \cdot H z^{1/2} W^{- 1}$ 的比探测率。

走向 SWIR 相机（2019）。 Rutz 等人用 InGaAs/InP 基 PIN 光电二极管的平面工艺技术制造了 $640 \times 512$ 像素、可拍摄极低照度（LLL）图像的 SWIR 相机，室温暗电流密度低于 $1 0^{- 7} A/c m^{2}$ 是该结构最亮眼的指标。

此外，优化 III-V 材料光电二极管的响应时间、暗电流与响应度一直是热门方向。一个思路是利用 III-V 族纳米线的一维形貌、直接可调带隙以及独特的光电特性，Li 等人综述了这类器件的最新进展。

5 基于雪崩光电二极管（APD）的激光探测

PIN 光电二极管自己不会”放大”信号，光电流多大就是多大。雪崩光电二极管（APD）则不同：在接近击穿的高反向电场下，载流子加速到足以撞出新的电子-空穴对——这叫碰撞电离；新载流子又被加速、再撞出新对子，像雪崩一样链式倍增，于是光电流被器件内部放大了 G 倍。定义雪崩增益

M = \frac{I _{out}}{I _{ph}} (1)

其中 $I_{out}$ 是倍增后的输出电流， $I_{ph}$ 是未经倍增的初始光电流。相比 PIN，APD 增益更大、灵敏度更高、探测下限更低，在光通信中表现更优。而激光探测与测距（LADAR）应用对先进三维成像的迫切需求，把这类器件推向了焦平面阵列（FPA）：内部光电增益、尺寸小、驱动电压低、效率高、响应快，这些优点使得三维成像成为可能，从而获取更细致的目标信息。MIT 林肯实验室是该领域最重要的中心之一，改进了最先进的硅 FPA 和盖革模式 InGaAs 器件并用于多个 LADAR 系统；Princeton Lightwave 则成功研制出基于单光子 APD 的 FPA，并装进了商用相机。

图 5：线性模式 Si APD 的结构示意图

5.1 线性模式 Si APD

APD 有两种工作模式：线性模式（偏压略低于击穿电压）和盖革模式（偏压略高于击穿电压）。LADAR 成像系统靠探测器阵列对光束信息做空间或时间采样，通常更青睐线性模式 APD：它的恢复时间通常远短于盖革模式，能分辨来自近距离多目标的连续脉冲回波；极端情况下线性模式 APD 甚至能探测几个乃至单个光子，为 LADAR 场景数据增加额外维度。总的来说，在近红外波段尤其是 905 nm，Si APD 可用于超弱光探测，线性模式下增益可达约 500 或更高，线性模式 Si APD 阵列因此被开发出来并用于 LADAR 系统。

如图 5 所示，一个简单的线性模式 APD 探测器由两部分组成：

APD 单元：把入射光转成光生载流子和光电流，再通过碰撞电离的雪崩增益把光电流放大；
读出集成电路（ROIC）：包括跨阻放大器（TIA，把 APD 放大后的电流转成与 APD 交付的总倍增电荷成正比的电压信号）、稳压源电路和比较器。

有个材料物理的关键点：在硅中，电子的碰撞电离能力远强于空穴。因此应让电子（而不是空穴）被电场扫入高电场区发生倍增——这正是靠电场设计来实现的。于是器件需要一个宽度合适的 π 型吸收区来吸收入射光束，且光应能无损耗地穿过 $n^{+}$ 层进入该区域（图 6）。

图 6：典型 APD 的 (a) 结构剖面与 (b) 电场分布

图 7： $64 \times 1$ 线性模式 Si APD 焦平面阵列

5.2 盖革模式 Si APD

把偏压加到击穿电压之上，单个光子引发的一次雪崩就能被”点燃”成宏观电流——这就是盖革模式，能探测弱至单个光子的信号，这类器件通常称为单光子雪崩探测器（SPAD）（图 7、图 8）。以阵列形式把它们用于 LADAR 和移动激光成像的价值毋庸置疑。

Hai-Zhi 等人开发了工作在 905 nm 的 Si 基 SPAD 阵列，采用 $n^{+}$ – $π$ –p– $π$ – $p^{+}$ 层结构和特殊工艺。该结构的巧妙之处在于：相对整个耗尽区而言，倍增区非常薄；光生载流子只在电场最高的”倍增区”内发生倍增，耗尽区其他地方电场较弱，但仍足以让载流子以饱和速度漂移。这样一来，工作电压可以大幅下降。衬底方面，该结构可用两种材料：一是硼掺杂（ $1 0^{14} c m^{- 3}$ ）的高阻 p 型硅晶圆，二是在 $p^{+}$ 掺杂硅晶圆上外延的低掺杂 p 型硅（图 8）。

图 8：Si SPAD 阵列的单颗芯片

5.3 InGaAs APD

SWIR 波段的起点：SACM 结构。 首个用于 SWIR 的高性能 APD 结构是分立吸收、电荷与倍增（SACM）APD：倍增层用 InP，吸收层用与之晶格匹配的 $In_{0.53} Ga_{0.47} As$ 。这类器件在 10 Gb/s 的 InP/InGaAs 速率下仍有良好的探测灵敏度。但 InP 的 k 值（与过剩噪声直接相关的电子/空穴电离系数比）偏高，带来了过剩噪声。近来 Nada 等人用 AlInAs/InGaAs APD 在 $k = 0.2$ 时实现了 25 Gb/s、误码率（BER） $1 0^{- 12}$ 下 −21 dBm 的接收灵敏度。而在过去 30 年里，硅一直是高性能 APD 的首选材料，k 值低至 0.02；可惜如前所述，硅的带隙决定了它只能探测 1 μm 以下（905 nm）的波长。

追赶硅的几条路线。 为在 SWIR 获得硅级别的增益特性，近年出现了多种尝试：

Ge/a-Si SACM APD：把 Ge 吸收区与非晶硅倍增层组合。性能优于最好的 III-V 族化合物，但并不理想——Si 与 Ge 的晶格失配带来高暗电流，其引入的噪声足以抵消低过剩噪声因子的优势。
$Al_{x} In_{1 - x} As_{y} Sb_{1 - y}$ /GaSb：Maddox 等人（弗吉尼亚大学与德州大学微电子研究中心）在 GaSb 衬底上设计的结构，倍增区过剩噪声因子对应 $k = 0.01$ ，比硅还低；晶格匹配的吸收区把工作波长扩展到 1.6 μm，增益超过 100。这类 APD 把硅的增益/噪声特性与 III-V 器件的低暗电流、高速度结合了起来。

为什么要把吸收和倍增分开？ 对于 InGaAs 这类窄带隙材料，高隧穿电流会限制效率；把吸收层与倍增层分开即可消除这一缺陷。InGaAs 常用于吸收 1.55 μm 的光；倍增层方面，InAlAs 是分立吸收与倍增 APD（SAM APD）中优秀的电子倍增材料——其电子电离阈值能量低（1.9 至 2.2 eV），且电子对空穴的电离系数比在 InP 中更高，过剩噪声因子小。进一步地，在分立吸收、渐变、电荷与倍增 APD（SAGCM APD）中，电荷层是调控器件内电场分布的关键：通过改变电荷层与倍增层的厚度和掺杂浓度，保证倍增区的电场足够大，载流子才能发生雪崩，器件才能作为 APD 正常工作。SAGCM 结构的价值在于可以独立调控电荷层与倍增层的这两个参数。

结构参数如何影响工作电压？ Chen 等人对 InGaAs/InAlAs SAGCM APD 做了二维仿真，研究电荷层与倍增层对工作电压范围的影响：穿通电压随电荷层、倍增层的厚度和掺杂浓度增大而升高；两层掺杂浓度增大、电荷层增厚时击穿电压下降；倍增层增厚时击穿电压先下降、后缓慢上升。

直接带隙带来的带宽红利（2016）。 Woodson 等人报道了在 GaSb 衬底上生长的 $Al_{0.7} In_{0.3} As_{0.3} Sb_{0.7}$ 低噪声 APD。其带隙能量和截止波长与硅相近，但因为是直接带隙，吸收深度只有间接带隙硅的 1/5 到 1/10，带宽因此显著提高；而且不同于工作在近红外或可见光的其他 III-V 族 APD，其过剩噪声因子比硅还小（ $k = 0.015$ ）；此外，吸收区的大范围组分可与 GaSb 衬底保持兼容，使截止波长能在 1 至 12 μm 间变化。

级联倍增压低噪声（2013）。 APD 比 PIN 更灵敏，根源就在倍增机制；调控倍增区可以进一步放大灵敏度、探测更弱的信号。George William 等人报道了面向 950 至 1650 nm 的 InGaAs 基 APD 的设计、制造与测试：器件用 MBE 方法在 InP 衬底上生长，采用晶格匹配的 InGaAs 与 InAlAs 合金（图 9）。雪崩倍增发生在一串”非对称增益台阶”中——通过层的排列顺序增强电子引发的碰撞电离、抑制空穴引发的电离（低增益工作时尤甚）；多个倍增台阶级联串联，中间夹着低电场的弛豫层，阻止各倍增台阶之间的反馈。这些措施同时压低了过剩噪声，并使器件在比同种块体材料合金制成的 APD 更高的雪崩增益下稳定地工作在线性模式：这类器件可在超过 6000 的线性模式增益下工作而不进入雪崩击穿，增益超过 1000 时有效碰撞电离率低于 0.04。

图 9：具有 10 个增益台阶的 SCM APD 外延层结构

延伸到中波红外（MWIR）。 许多军用武器系统使用 10.6 μm 的 $C O_{2}$ 激光，需要 MWIR APD 来探测。灵敏的 MWIR 光电二极管还能在雾、云、烟等常见大气条件下获得更好的透过性能，在自由空间光通信领域也前景可期；凭借 MWIR 光对常见大气问题的优异透过性，这类器件同样非常适合作远距离被动成像中的微弱光信号探测。

HgCdTe：可覆盖整个红外波段，效率高、过剩噪声因子低，但存在表面稳定性问题，制造与商业化成本高。
InAs：性能尚可，但截止波长的局限使其难以覆盖宽红外波段。
Sb 基 III-V 材料：可用来制造低暗电流、高量子效率、单载流子倍增的 APD。Sb 基应变层超晶格能覆盖整个红外波段，可用作量子阱（QW）结构——这一思想由诺贝尔奖得主 L. Esaki 与 Sai-Halasz 在 20 世纪 70 年代首次提出。基于超晶格结构的各种设计已被用于多类高性能器件。

最新的一个结构出自西北大学电气与计算机工程系量子器件中心 Manijeh Razeghi 团队：基于 InAs/InSb 超晶格，在 GaSb 衬底上生长的同质结器件。这是一个 p-i-n 型 MWIR APD，在高反偏引发的碰撞电离下可对内部载流子做雪崩放大，吸收区扩展到 MWIR 光谱范围，150 K 下增益为 6。研究旨在验证能否用 Sb 基 III-V 材料超晶格实现高性能 APD：器件 100% 截止波长在 150 K 为 4.6 μm、77 K 为 4.3 μm；在 $- 100 V$ 偏压、3.75 μm 波长下，150 K 与 77 K 的响应度分别达到 2.49 和 2.32 A/W；在 $- 6.5 V$ 偏压下，该器件表现出电子主导的雪崩机制，150 K 增益为 6、77 K 为 7.4（图 10）。

图 10：顶部受光照射的 MWIR APD 结构示意图

温度与波长的综合影响（2019）。 Amiri 等人研究了温度和光谱变化对多种 APD 结构的影响，考察了 Si、GaAs、InGaAs APD 在不同温度下的带隙能量、响应度、噪声等效功率（NEP）、截止波长、暗电流与光电流，并计算、测量了不同温度与光谱条件下这些探测器的信噪比（SNR）和误码率（BER）。模型在 MATLAB 中分析，实验测量结果与计算分析结果一致。主要发现：温度较高时，InGaAs APD 的 SNR 更高、BER 更低，优于其他结构；温度对 GaAs 性能影响很小，更适合在温度较高、环境较暖的应用中使用；带隙能量随温度升高而下降。反向偏压、入射光功率和光信号波长对探测器质量与性能影响显著——想获得更好的系统性能，应选择合适的运行参数，如较高的反向偏压、较高的入射功率，以及衰减最小、零损耗的光学窗口；实践中可以小幅增加入射功率，而不必一味提高反向偏压（图 11、图 12）。

图 11：不同温度下 Si、GaAs 与 InGaAs APD 结构的响应度（A/W）

图 12：工作波长 1300 与 1550 nm 时 Si、GaAs 与 InGaAs APD 在不同入射光功率下的光电流

description	从PIN、APD到PEM、四象限与多色探测器，系统梳理激光告警系统的选型指标与器件原理。
tags	油温检测论文

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