InGaAs近紅外激光雷達光電探測器研究進展

激光雷達是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，它可以發(fā)射定位激光束，通過測定傳感器、發(fā)射器與目標物體之間的傳播距離來定位目標物體的位置，并呈現(xiàn)目標物體的三維結構信息。InGaAs是一種典型的III-V族半導體材料，它在（0.35～1.42） eV范圍內可調的禁帶寬度使其在（0.9～1.7） μm波段具有廣泛的應用，被認為是1550 nm激光雷達探測器的理想材料。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，合肥工業(yè)大學微電子學院的科研團隊在《安慶師范大學學報（自然科學版）》期刊上發(fā)表了以“InGaAs近紅外激光雷達光電探測器研究進展”為主題的文章。該文章第一作者為邢悅，主要從事InGaAs光電探測器與FPGA相關應用的研究工作；通訊作者為羅林保教授，主要從事新型高性能半導體光電子器件和光電集成方面的研究工作。

本文綜述基于InGaAs的激光雷達光電探測器的器件結構、光電特性及InGaAs焦平面光電探測器在激光雷達探測領域的研究進展，并探討后續(xù)激光雷達的發(fā)展方向，這對InGaAs在激光雷達方面的進一步廣泛應用有一定的指導意義。

InGaAs帶隙調控研究

InGaAs屬于直接帶隙半導體，是一種GaAs和InAs形成的III-V族混合固溶體，其晶格結構為閃鋅礦立方晶格結構，禁帶寬度可調，如圖1所示。通過調節(jié)兩種物質的比例，使其禁帶寬度可從InAs的0.35 eV變到GaAs的1.42 eV，晶格常數(shù)從InAs的6.0583 ?變化至GaAs的5.6533 ?，目前已經(jīng)在（0.9～1.7） μm波段得到廣泛的應用。InGaAs具有很多優(yōu)異的物理化學性能，例如電子遷移率高、穩(wěn)定性優(yōu)異等，這使其在電力電子器件和近紅外激光雷達探測方面具有廣泛的應用前景。

圖1 In???Ga?As禁帶寬度及晶格常數(shù)與組分x關系圖

制備高性能光電器件的基礎保障是高質量的材料，表1給出了InP、In?.??Ga?.??As、In???Ga?As在300 K的基本材料參數(shù)。為了解決晶格失配問題，一般以InP材料作為襯底，在InP襯底上長出高質量的外延層。這時禁帶寬度約為0.75 eV，對應截止波長是1.7 μm，因此可以在1.5 μm波段發(fā)揮重要作用。在InGaAs光電探測器的制備過程中，采用技術有分子束外延技術（MBE）、金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）、液相外延技術（LPE）、氣相外延技術（VPE）等，其中比較常用的是MBE和MOCVD，成熟的InGaAs外延技術為InGaAs光電探測器的商業(yè)化奠定了堅實的基礎。

表1 InP、In?.??Ga?.??As、In???Ga?As的基本參數(shù)（300 K）

InGaAs光電探測器的結構

從20世紀80年代開始，國內外研究者們紛紛研究InGaAs光電探測器的結構，總結起來，主要分為3種，分別為InGaAs金屬-半導體-金屬光電探測器（MSM-PD）、InGaAs PIN光電探測器（PIN-PD）和InGaAs雪崩光電探測器（APD-PD）。不同結構的InGaAs光電探測器制作流程及制作成本有顯著的區(qū)別，器件性能也存在較大差異。

InGaAs金屬-半導體-金屬光電探測器結構示意圖如圖2（a）所示，是基于肖特基結的一種特殊結構。1992年，Shi等采用低壓金屬有機氣相外延技術（LP-MOVPE）生長外延層并制備了InGaAs MSM光電探測器，該器件在1.3 μm波長下具有高響應度0.42 A/W，在1.5 V下暗電流低于5.6 pA/ μm2。1996年，zhang等采用氣相分子束外延（GSMBE）生長InAlAs-InGaAs-InP外延層，InAlAs層顯示出高電阻率特性，通過X射線衍射法測量，優(yōu)化了生長條件，使得InGaAs和InAlAs層的晶格失配在1×10?3范圍內。從而優(yōu)化了器件性能，在10 V下暗電流低于0.75 pA/μm2，在5 V下快速瞬態(tài)響應達16 ps。從整體來說，MSM結構光電探測器結構簡單、易于集成，表現(xiàn)出較低的暗電流（pA量級），但是金屬電極會減小器件的有效光吸收面積，所以響應度相對其他結構較低。

InGaAs PIN光電探測器在P型接觸層與N型接觸層之間插入一層本征層，結構如圖2（b）所示，使得耗盡區(qū)的寬度增大，從而輻射出更多電子-空穴對，形成更大光電流，因此具有優(yōu)良的電子傳導性能。2007年，A.Poloczek等采用MBE生長低溫緩沖層，改善了表面粗糙度，克服了Si和InP之間的晶格失配，使用MOCVD在InP襯底集成InGaAs PIN結構，該器件的響應度約為0.57 A/W。2011年，陸軍研究實驗室（ALR）使用PIN光電探測器，研究了一種用于小型無人地面車輛的導航、障礙物/碰撞避免和目標檢測/識別短程的激光雷達成像儀，與低成本微波放大器芯片集成，顯著改善了InGaAs PIN光電探測器的信噪比。在此基礎上，2012年，ALR將這一激光雷達成像儀用于機器人，探測距離達50 m以上，分辨率提高到256 × 128。

InGaAs雪崩光電探測器是一種帶有增益的光電探測器，結構如圖2（c）所示，電子-空穴對在倍增區(qū)內部電場的作用下獲得足夠多的能量，從而與原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的電子-空穴對，形成雪崩效應，使材料中的非平衡載流子成倍增加。2013年，George M使用MBE在InP襯底上生長晶格匹配的InGaAs和InAlAs合金，利用合金成分、外延層厚度和摻雜的變化來調制載流子能量，最大限度地實現(xiàn)電致沖擊電離，同時最小化空穴電離。在等效輸出信號增益下，APD顯示出低噪聲和更低的暗電流。2016年，孫劍峰等在InGaAs雪崩光電探測器的基礎上，構建了一套1570 nm激光主動成像實驗平臺，由APD光電探測器內部電路接收回波并直接輸出數(shù)字信號，使得整套裝置結構緊湊，實驗結果如圖2（d）、（e）所示。圖2（d）是成像目標的實物照片，圖2（e）是三維距離像，可以明顯看出c區(qū)的窗戶區(qū)，和a、b區(qū)有一定的縱深距離。該平臺實現(xiàn)了脈寬小于10 ns、單脈沖能量（1～3） mJ可調，收發(fā)鏡頭視場角為2°，重復頻率為1 kHz，探測器占空比約60%。得益于APD的內部光電流增益、快速響應、緊湊尺寸、耐久性和低成本，APD光電探測器在探測率上可以比PIN光電探測器高一個數(shù)量級，所以目前主流激光雷達主要以雪崩光電探測器為主。

圖2 （a）InGaAs MSM光電探測器結構；（b）InGaAs PIN光電探測器結構；（c）InGaAs雪崩光電探測器結構；（d）目標圖片；（e）32×32像元APD圖像

整體來看，隨著國內外InGaAs制備技術的飛速發(fā)展，已經(jīng)可以熟練地使用MBE、MOCVD、LPE等技術在InP襯底制備大面積高質量的InGaAs外延層。InGaAs光電探測器表現(xiàn)出較低的暗電流和較高的響應度，最低暗電流已低于0.75 pA/μm2，響應度最大可達0.57 A/W，且具有較快的瞬態(tài)響應（ps量級）。未來InGaAs光電探測器發(fā)展會集中在以下兩個方面：（1）在Si襯底上直接生長InGaAs外延層，目前市場微電子器件大部分都是Si基，后續(xù)InGaAs與Si基的集成發(fā)展是大勢所趨，解決晶格失配、熱膨脹系數(shù)差異等問題，對于研究InGaAs/Si至關重要；（2）1550 nm波長技術已經(jīng)成熟，延伸波長（2.0～2.5） μm是未來的研究方向，隨著In 組分的增加，InP襯底與InGaAs外延層之間的晶格失配會導致更嚴重的位錯和缺陷，因此需要優(yōu)化器件工藝參數(shù)，減小晶格缺陷，降低器件暗電流。

單光子InGaAs光電探測器

隨著激光雷達的飛速發(fā)展，用于自動車輛跟蹤成像技術的光探測技術和測距技術也有了更高的要求，傳統(tǒng)的弱光檢測技術中所用到的探測器的靈敏度和時間分辨率不能滿足實際需求。單光子是光不可分割的最小能量單元，具有單光子探測能力的探測器是弱光探測的最終工具。與InGaAs APD相比，基于InGaAs APD的單光子探測器具有更高的響應速度、靈敏度和效率。因此，國內外對于In‐GaAs APD單光子探測器展開了一系列的研究。

意大利米蘭大學的研究人員首先在1997年開發(fā)了一個二維模型模擬單光子雪崩光電探測器的瞬態(tài)行為，給出了單光子雪崩光電探測器的瞬態(tài)特性數(shù)值模擬結果。隨后在2006年，研究人員使用MOCVD制備了平面幾何結構的InGaAs APD單光子探測器，通過減小反射層，增強異質界面處電場，將單光子探測效率提高到10%。2014年，進一步通過改善鋅擴散條件和優(yōu)化垂直結構，使得單光子探測器具有更高的探測效率，可達30%，實現(xiàn)約87 ps的定時抖動。2016年，SANZARO M等將InGaAs APD單光子探測器與單片集成電阻器集成，設計了一種基于該探測器的緊湊型單光子計數(shù)模塊，并提出混合猝滅方法，顯著降低了雪崩電荷，從而降低了后脈沖和光串擾，將定時抖動降低至70 ps。與此同時，其他研究小組也相繼對InGaAs APD單光子探測器進行了研究，如Princeton Lightwave公司采用平面結構設計了InGaAs/InPAPD單光子探測器并投入商用；上海技術物理研究所使用去除鋅堆積層，并利用電容平衡門脈沖模式測試了APD的單光子性能，當脈沖頻率為1.5 MHz時，暗計數(shù)為3.6 × 10 ??/ns pulse。Joseph P等設計了帶隙更寬的臺面結構InGaAs APD單光子探測器，使用InGaAsP作為吸收層材料，在不影響探測效率的前提下，獲得了更低的暗計數(shù)。

InGaAs APD單光子探測器工作模式是自由運轉模式，即APD在發(fā)生雪崩后需要外圍電路猝滅，并在猝滅一段時間后恢復。為了減小猝滅延遲時間帶來的影響，大概分為兩種類型：一種是采用被動猝滅或主動猝滅電路實現(xiàn)猝滅，例如R T Thew等采用有源猝滅電路，圖3（a）、（b）是電子控制和主動淬火電路及其與APD連接的簡化示意圖，該電路已開發(fā)為在選通或自由運行模式下工作，顯著減少了先前無法實現(xiàn)的后脈沖問題，而且在1550 nm的探測效率為10%，后脈沖概率降低到小于1%；第二種是依靠控制偏置電壓的高低實現(xiàn)快速猝滅和恢復，由于不依賴雪崩脈沖的反饋控制，所以明顯減小了猝滅的延遲時間，提高了探測器的探測效率，例如L. C. Comandar等使用門控模式，制備了一種基于InGaAs/InPAPD的選通單光子探測器，單光子探測效率在1550 nm處超過55%，并且實現(xiàn)了7%的后脈沖概率。在此基礎上，中國科學技術大學使用多模光纖同時耦合自由模式的InGaAs APD單光子探測器，搭建了激光雷達系統(tǒng)，實驗裝置如圖3（c）、（d）所示，實現(xiàn)了對高度為12 km的多層云的探測，時間分辨率為1 s，空間分辨率為15 m。

圖3 （a）APD的電壓電流圖；（b）電子控制和主動淬火電路及其與APD連接的簡化示意圖；（c）自由運行InGaAs/InP激光雷達實驗裝置；（d）InGaAs/InP激光雷達實物照片

InGaAs焦平面光電探測器

近年來，國內外研究機構在短波紅外InGaAs焦平面探測領域開展了大量研究。國外對于InGaAs紅外焦平面器件的研究起步比較早，許多廠商都已經(jīng)擁有成熟的系列產(chǎn)品。例如作為行業(yè)的領導者，美國SUI公司于2003年首次推出了高性能的焦平面探測器，2009年該公司在DARPA項目支持下做到640 × 512面陣，光敏元間距為20 μm，并且通過移除InP襯底，響應波長范圍拓寬到（0.4～1.7）μm，暗電流降低到2 nA/cm2。美國FLIR公司最大面陣現(xiàn)已達到1920 × 1280，主線產(chǎn)品覆蓋320 × 256、640 × 512和1280 × 1024等多種規(guī)格。美國Raytheon、Teledyne公司也掌握了中心距15 μm的1280 × 1024像元近紅外InGaAs焦平面技術，并開展10 μm光敏元的焦平面技術以及4英寸InGaAs晶圓制備技術的研究。現(xiàn)階段，除了美國在這方面的高速發(fā)展，其他國家也先后跟進此技術的研究以及產(chǎn)品開發(fā)，比利時的XenICs公司已經(jīng)成功完成了中心距17 μm像元1280 × 1024規(guī)格的研究，德國IAF、加拿大Banpil公司、英國Photonic Science Limited、法國Sofradir、NIT公司、以色列SCD公司等也長期致力于In‐GaAs焦平面探測器的研制和應用。圖4（a）為美國FLIR公司FLIR A6260 短波紅外熱像儀，配備InGaAs 640 × 512像元焦平面探測器，圖4（b）為美國Teledyne公司線掃相機Linea SWIR 1 k，1024 × 1像元線列焦平面，圖4（c）是比利時的XenICs公司W(wǎng)ildcat 640，分辨率為640 × 512像素，最高幀頻可達220 Hz。

圖4 （a）美國FLIR A6260；（b）美國Teledyne Linea SWIR 1k；（c）比利時XenICsWildcat 640

國內研究InGaAs焦平面探測器的機構主要包括中國科學院上海技術物理研究所、中國電子科技集團44所、昆明物理研究所等。其中，中科院上海技術物理研究所在高靈敏度常規(guī)波長（0.9～1.7） μm InGaAs焦平面、延伸波長（1.0～2.5） μm InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探測器取得了良好進展。2006年，常規(guī)波長InGaAs焦平面從256 × 1、512 × 1、800 × 2等小線列開始，到2012年，研制了成像用30 μm中心距的320 × 256面陣，2017年研制出25 μm中心距的640 × 512面陣，到2018年已研制出15 μm中心距的1280 × 1024元焦平面探測器，研制的1280 × 1024元組件的平均峰值探測率達5.3× 1012 cm·Hz1/2/W，盲元率小于1%，非均勻性為6.4%，如圖5（a）所示。目前，中科院上海技物所已實現(xiàn)了800 × 2、320 × 256、640 × 512、1024 × 128、4000 × 128等多個規(guī)格的近紅外InGaAs探測器組件，并且已經(jīng)通過了相關可靠性試驗。2006 年，中國電子科技集團44 所首次發(fā)布了規(guī)格為128 × 128InGaAs焦平面光電探測器，40 μm中心距，2009 年，研制出320 × 256元，中心距30 μm的InGaAs焦平面，典型平均峰值探測率達5.0 × 1012 Jones水平，隨后在2015年、2016年，發(fā)布了規(guī)格為640 × 512焦平面探測器，并將中心距從25 μm減小到15 μm，如圖5（b）所示，中電44所已實現(xiàn)多種規(guī)格的產(chǎn)品供應。

圖5 （a）中國科學院上海技術物理研究所近紅外InGaAs焦平面探測器技術發(fā)展歷程；（b）中電44所InGaAs焦平面探測器技術發(fā)展歷程

InGaAs焦平面探測器技術優(yōu)越、性能優(yōu)良，已在激光雷達、軍用夜視等領域發(fā)揮了重要的作用，具有很高的應用價值，如高識別度、強天氣適應度，而且因為夜間大氣輝光輻亮度主要分布在（1.0～1.8） μm的波段范圍內，所以InGaAs焦平面探測器在微光夜視中擁有獨特的優(yōu)勢。未來InGaAs焦平面探測器的發(fā)展將會集中在以下幾個方面：首先，很多公司都擁有1280 × 1024規(guī)模的面陣，像元間距也減小到15 μm，未來會向著更大面陣和更長線陣的大方向發(fā)展；其次，隨著紅外成像系統(tǒng)與功耗等要求的提高，非制冷型探測器已經(jīng)成為一個發(fā)展趨勢，這要求器件在室溫下的暗電流噪聲越來越低；最后，對于InGaAs陣列來說，為了獲取更豐富、更精準、更可靠的目標信息，多波段工作將是未來趨勢。

商用InGaAs激光雷達光電探測器

目前InGaAs激光雷達行業(yè)內主要的公司包括美國的Velodyne、Luminar、Aeva、Ouster，以色列的Innoviz、德國的Ibeo以及國內的速騰聚創(chuàng)，其中大部分品牌的激光雷達都采用了905 nm半導體激光器發(fā)射激光脈沖，Velodyne和Innoviz使用的就是905 nm。但是905 nm太接近人眼可見光譜，以至于限制了激光強度和激光功率，從長遠看，使用InGaAs的1550 nm激光雷達更具有優(yōu)勢，1550 nm屬于人眼安全波長，可以增大功率，增加探測距離和點云分辨率，在空曠的區(qū)域可以看得更遠，在復雜的區(qū)域可以看得更寬，更適用于未來的無人駕駛或汽車輔助駕駛系統(tǒng)。在1550 nm激光雷達方面，Luminar是領軍人物，與此同時，鐳神智能、華為和昂納科技也緊隨其后，并各自發(fā)布了自主研發(fā)的1550 nm激光雷達。

Luminar一直專注于研究高性能InGaAs接收器，可用于探測Luminar激光雷達系統(tǒng)所特有的波長為1550 nm激光，并在2018年收購了美國芯片設計商Black Forest Engineering。2020年，Luminar正式發(fā)布1550 nm激光雷達Iris，如圖6（a）所示，獲得了高于905 nm激光器40倍的激光脈沖強度。超強的功率使其激光雷達的探測范圍擴大了10倍，最遠可達600 m，分辨率提高了50倍。沃爾沃汽車宣布將搭載Luminar激光雷達，改進無人駕駛輔助系統(tǒng)。

國內鐳神智能同樣開始自主研發(fā)核心驅動集成和接收端集成激光雷達專用芯片，人眼安全的混合固態(tài)激光雷達（λ = 1550 nm），目前，鐳神智能已針對汽車前裝市場開發(fā)了LS21G混合固態(tài)激光雷達，如圖6（b）所示，采用1550 nm光源，250 m處可探測到5%反射率的目標，視場角120° × 25°，擁有更好的測距性能和點云密度表現(xiàn)。

2020年7月，華為發(fā)布96線中長距激光雷達產(chǎn)品，如圖6（c）所示。和Luminar類似，96線中長距激光雷達采用1550 nm激光，探測距離是150 m，大視野120° × 25°，可以實現(xiàn)城區(qū)行人車輛檢測覆蓋，更符合中國復雜路況下的場景。而且96線中長距激光雷達采用多個發(fā)射和接收組件，成功地提高了有效距離和視場角，在目標輪廓測量、角度測量、光照穩(wěn)定性、通用障礙物檢出等方面都具有極佳的能力。

2021年12月，昂納科技也發(fā)布了一款1550 nm激光雷達Dolphin。Dolphin是采用DTOF模式的混合固態(tài)激光雷達，添加了實時自動光學變焦功能，探測距離250 m，視野擴大到120° × 30°，最高分辨率0.05°，各項性能均有所提高。

結束語

綜上所述，本文就InGaAs光電探測器器件結構、InGaAs焦平面探測器、商用激光雷達的基本發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述。從結構看，單光子光電探測器具有更高的響應速度、更高的靈敏度和更高的效率，已經(jīng)成為激光雷達的首選。為了獲得豐富準確的信息，焦平面陣列向著更大面陣和更長線陣的方向飛速發(fā)展。目前，InGaAs 1550 nm激光雷達主要應用于汽車行業(yè)無人駕駛和服務行業(yè)智能機器人，智能化已經(jīng)成為汽車行業(yè)的重要發(fā)展趨勢，但是技術上還需要進一步優(yōu)化，高成本也是限制激光雷達發(fā)展的一大障礙。從短期看，需要盡快提高激光雷達產(chǎn)品性能，在穩(wěn)定、安全等方面提出了更高要求；從長期看，降低成本和增加量產(chǎn)規(guī)模，是激光雷達商業(yè)化不得不解決的問題?？傊す饫走_應用價值顯著，具有廣闊的應用前景，在無人化、智能化方面發(fā)揮著無可替代的作用。

審核編輯：劉清