红外雪崩光电二极管（APD）是目前最常用的增益型红外器件。由于其材料及器件工艺与普通非增益型光电二极管兼容，且器件结构的设计难度较低、制备较为容易，在保证大增益条件下量子效率也能保持较高，是一类同时具备大带宽、高增益的异质结器件，因而在红外探测领域得到了广泛应用，成为碲镉汞（HgCdTe）基增益型器件的首要选择。APD利用半导体雪崩效应产生的载流子链式快速增益来实现显著的信号放大。对于光伏型器件，目前主流的雪崩机理解释为热载流子碰撞电离理论（如图1）。增益带宽积和过剩噪声是APD器件最重要的应用的增益器件中唯一能实现高增益带宽积的两个核心性能参数。APD器件是在红外领域器件。在中短波波段，由于HgCdTe材料中空穴有效质量远大于电子有效质量，其碰撞电离过程表现出明显的倾向性。因此，HgCdTe基APD探测器是一种典型的电子主导型雪崩器件。
图1 电子型APD器件的雪崩原理图
据麦姆斯咨询报道，中国电子科技集团公司第十一研究所的科研团队通过对现有的几类主流HgCdTe APD器件进行梳理，简要总结了目前国际上主流的APD器件发展路线，并分析了包括PIN、高密度垂直集成光电二极管（HDVIP）和吸收-倍增分离（SAM）型器件在内的主要APD器件的结构与性能特点。通过对比不同技术路线的器件优化思路和性能特点，对相关器件的持续发展进行了展望。相关研究内容以“碲镉汞雪崩光电探测器的发展与展望”为题发表在《红外》期刊上。
APD器件结构及进展情况
SAM型HgCdTe薄膜器件
波兰军事技术大学主要与波兰Vigo公司等研究机构合作开发MOCVD外延的HgCdTe薄膜及相关器件。由于MOCVD法高温制备的特性，有助于实现高温工作（HOT）器件的制备。Kopytko M等人对具有N⁺-v-p-P⁺多层异质结结构且截止波长为8 μm的雪崩二极管进行了数据仿真分析，其结构如图2(a)所示。这是一种基于SAM结构的器件。与传统N⁺-p-P⁺结构异质结相比，N⁺-v-p-P⁺的SAM结构在低偏压下的电场主要位于N⁺-v结区。即使在大偏压下电场也不会进入吸收区，且内建电场在v区也分布得更加均匀，有利于形成更加平缓的带隙变化，抑制暗光条件下的隧穿，如图2(b)所示，这与N⁺-p-P⁺结构恰好相反。
图2 (a) SAM型APD的截面侧视图；(b) PIN型与SAM型APD的内建电场分布对比图
进一步，该团队通过MOCVD法在2 in GaAs衬底上外延生长了多组分梯度的台面型N⁺/N/p/P/P⁺/n⁺结构HgCdTe薄膜。器件单像元结构参考了其在此前的非平衡器件中的结构设计，如图3(a)所示。该器件通过多层异质结结构组合实现了吸收区与雪崩倍增区分离，对于器件暗电流抑制与灵敏度提升有着显著的促进作用，有利于器件高温工作，获得了基于高灵敏度台面结构的SAM型雪崩二极管阵列。此研究也是首次将SAM结构（在III-V族超晶格探测器和短波HgCdTe探测器中广泛应用的器件结构）延伸到中波红外探测器中，充分验证了相关结构对于提升高灵敏度和高温工作器件性能的有效性。
图3 (a) 中波SAM型APD像元的参考结构图；(b) 在不同条件下的内建电场与能带图
该团队对于采用MOCVD法制备的台面结构所获得的N⁺/p/P⁺/n结构异质结,验证了其结构在230 K下的高温工作能力。基于此提出了适用于高温工作的长波台面型 APD结构，如图 4(a)所示。基于已有中长波结构SAM型APD器件，研究团队进一步对背对背中长波双色APD进行了数值模拟与分析（见图5）。
图4 (a) 不同晶向的HgCdTe APD像元结构图；(b) (100)晶向的暗电流成分随偏压的变化；(c) (111)晶向的暗电流成分随偏压的变化
图5 (a) 中长波双色APD台面结构；(b) 能带结构图
平面结型PIN器件
德国主要有AIM公司及其合作机构对HgCdTe及APD器件进行开发。其中主要是平面结器件，目前尚无台面结型器件报道。平面结器件主要通过注入形成PIN结构，进而实现雪崩增益。2018年，AIM公司在CdZnTe（CZT）基衬底上采用LPE工艺生长HgCdTe薄膜，并利用该薄膜开发了其首个截止波长为2.55 μm的短波平面结n⁺/n⁻/p型APD器件（见图6）。
图6 AIM公司的注入型短波APD组件像元结构及掺杂曲线
作为法国主要的红外探测器材料与器件研究机构之一，法国电子与信息技术实验室（CEA-Leti）主要研制基于注入型平面结的PIN结构器件，其p区为汞空位形成的本征p区，受主浓度一般在10¹⁶ cm⁻³量级。2007年，该机构报道了基于MBE外延薄膜注入成型的CdZnTe基 n⁺/n⁻/p 型APD器件。如图7所示，通过对比两种不同注入区尺度的APD器件，证明注入区更宽的器件在高偏压下能够更有效地抑制过剩电流的增大，进而获得更大的增益。
图7 (a) 具有窄注入区的结构组件；(b) 具有宽注入区的结构组件
基于平面结注入，CEA-Leti和Sofradir公司合作开发了多款用于空间探测的天基APD焦平面探测器，并进行了多型面阵器件（面阵规模从640 × 512到320 × 256等）的开发。早期大多采用MBE工艺制备外延薄膜。在短波和近红外波段，采用MBE与LPE生长碲镉汞材料制备的APD可取得相似的性能。在修正读出电路因素后，部分MBE材料的暗电流控制甚至优于LPE材料，如图8所示。
图8 采用不同工艺制备的短波APD器件的暗电流性能对比
目前，在短波至甚长波波段，CEA-Leti采用LPE外延中波或长波薄膜制备PIN结构，其像元截面如图9(a)所示。2020年，CEA-Leti继续报道了响应带宽为500 MHz、增益为100的短波高计数率单光子雪崩二极管，其成像演示系统如图10所示。
图9 (a) CEA-Leti开发的平面注入型APD像元结构；(b) 投入应用的短/中波组件参数；(c) 中波APD组件的增益曲线；(d) 长波APD组件的增益曲线
图10 单光子雪崩探测器成像演示结构图
环孔型HDVIP器件
环孔型HDVIP结构可以看作是一种具备横向电荷输运能力的变形PIN结构器件，其包括本征掺杂吸收区和过渡的倍增区。环孔型APD器件是Leonardo DRS公司及旗下Selex公司长期使用的结构。通过应用环孔型器件，实现高密度垂直集成的HDVIP结构，进而基于常用的离子注入工艺实现APD器件的制备与集成。这种结构可以视为PIN平面结结构的水平拓展。图11所示为典型的HDVIP结构。
图11 HDVIP结构的侧视图与俯视图
通过优化器件结构来抑制器件的过剩噪声，Leonardo DRS公司进一步提升了APD器件的光子计数和单光子探测能力（见图12）。基于HDVIP结构优化特性，Leonardo DRS公司进一步开发了空间用APD器件，并在美国国家航空航天局（NASA）的宇航探测项目中得以应用（见图13）。
图12 单光子探测APD：(a) 增益特性；(b) 能带结构图；(c) 实物图与结构/性能参数
图13 空间用APD：(a) 增益特性；(b) 注入与非注入接触下的I-V特性对比
总结与展望
目前国际上主流的HgCdTe APD器件结构依然以通过离子注入形成的PIN结构为主，材料工艺上以LPE和MBE为主。不同技术路线的APD器件对比如表1所示。可以看到，目前面向高精度单光子计数需求的场景（如宇航探测等）主要应用的依然是平面结结构。通过适当设计倍增区与吸收区，平面结在APD结构设计中依然可以发挥巨大作用。对比国际主流的APD器件技术路线后可以发现，由于APD器件中主要通过抑制隧穿实现高灵敏度工作，GR复合和俄歇复合并不是APD器件暗电流的主要组成成分，因而在PIN结构HgCdTe APD器件中，台面结相关结构的通过本征载流子浓度调控抑制暗电流的效应在APD结构上的作用并不明显，所以没有成为主要发展方向。通过优化APD结构（如改进结区结构参数等），实现高增益低噪声输出，特别是对缺陷辅助隧穿等过程的抑制是主要的暗电流抑制手段。对于暗光条件下的暗电流抑制，材料本征缺陷密度和能带结构往往影响更大，造成了缺陷辅助隧穿和带间隧穿的发生。这也是结构更加复杂的SAM型器件得以快速发展的主要原因。
从器件性能和结构设计角度来看，SAM型器件是最有潜力实现高灵敏度探测的APD器件。该器件能够基于结区设计，利用低掺杂过渡层的插入，在吸收区屏蔽反偏电场的影响，实现吸收区与倍增区的分隔，并排除电场对吸收区载流子的直接作用，从而尽可能减轻暗光条件下的隧穿。因此其暗电流显著减小，灵敏度增加。SAM型器件通过引入组分过渡层能够显著改善内建电场梯度和耗尽区结构尺度，避免由明显的组分突变带来的电场阶跃和梯度断层，能够进一步减轻隧穿电流的影响，实现近室温高温工作。然而，由于工艺条件的限制，MBE外延HgCdTe材料难以实现有效的组分梯度控制，且组分互扩散为动力学不利条件，而LPE工艺本征不适于薄层外延，因此对于器件扩散区域和尺度的调控更加困难。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掺杂调制。对于APD器件结构的优化和进一步发展，要探究新型器件结构，摆脱现有HgCdTe材料外延工艺的限制。合理设置掺杂浓度和能带结构依然是其未来重点方向。通过引入新工艺技术进行相关优化（特别是器件结构优化），抑制暗电流，降低过剩噪声因子，实现高灵敏度输出。
DOI: 10.3969/j.issn.1672-8785.2025.01.001
