【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張軍等聯(lián)合南京大學(xué)陸海、張榮團(tuán)隊(duì)在紫外波段單光子激光雷達(dá)方向取得新進(jìn)展，通過(guò)設(shè)計(jì)制備基于4H-SiC材料的單光子雪崩光電二極管，發(fā)展主動(dòng)淬滅主動(dòng)恢復(fù)讀出電路技術(shù)，研制出具有實(shí)用價(jià)值的紫外半導(dǎo)體單光子探測(cè)器，利用該探測(cè)器首次實(shí)現(xiàn)了單光子差分吸收臭氧激光雷達(dá)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)1~3.5km高度范圍內(nèi)的臭氧濃度監(jiān)測(cè)，相關(guān)成果發(fā)表于《應(yīng)用物理快報(bào)》[Appl. Phys. Lett. 125, 211103 (2024)]。
 

　　紫外單光子探測(cè)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、尾焰探測(cè)、電弧檢測(cè)和火災(zāi)預(yù)警等應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。光電倍增管是紫外波段傳統(tǒng)的單光子探測(cè)器件，但具有靈敏度低、壽命短、磁場(chǎng)敏感等劣勢(shì)，無(wú)法在惡劣環(huán)境中(高溫、震動(dòng)、強(qiáng)輻射)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。相比之下，寬禁帶半導(dǎo)體4H-SiC材料具有熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強(qiáng)、電子飽和漂移速度高以及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在研制新型紫外半導(dǎo)體單光子探測(cè)器方面具有顯著的材料性能優(yōu)勢(shì)。然而，長(zhǎng)期以來(lái)基于該材料的單光子探測(cè)器性能指標(biāo)差，特別是探測(cè)效率極低、暗計(jì)數(shù)率極高，使得該類(lèi)型單光子探測(cè)器不具有實(shí)用價(jià)值。
 

　　中國(guó)科大、南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)近年來(lái)致力于紫外半導(dǎo)體單光子探測(cè)器的聯(lián)合攻關(guān)，取得了一系列新突破。2023年，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化4H-SiC單光子雪崩光電二極管新型傾斜臺(tái)面結(jié)構(gòu)和制備工藝，并發(fā)展被動(dòng)淬滅主動(dòng)恢復(fù)讀出電路技術(shù)，首次研制出了具有實(shí)用價(jià)值的小型化4H-SiC單光子探測(cè)器樣機(jī)，在266 nm波段探測(cè)效率為10.3%、暗計(jì)數(shù)率為133 kcps[Rev. Sci. Instrum. 94, 033101 (2023)]。此后，研究團(tuán)隊(duì)利用該探測(cè)器，首次演示了紫外波段單像素單光子成像實(shí)驗(yàn)，在接收光強(qiáng)約6pW的條件下實(shí)現(xiàn)了單光子成像，成像分辨率為192×192像素，幀率為4fps [Appl. Phys. Lett. 123, 024005 (2023)]。
 

　　圖1. (a)4H-SiC單光子雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)；(b)主動(dòng)淬滅主動(dòng)恢復(fù)讀出電路

 

　　在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)在4H-SiC單光子探測(cè)器性能指標(biāo)方面持續(xù)開(kāi)展攻關(guān)。一方面，通過(guò)迭代優(yōu)化4H-SiC單光子雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)和工藝提升了器件的單光子探測(cè)效率；另一方面，針對(duì)4H-SiC單光子雪崩光電二極管器件的特征發(fā)展了新型主動(dòng)淬滅主動(dòng)恢復(fù)讀出電路，在有效抑制探測(cè)器后脈沖概率的同時(shí)顯著提升了飽和計(jì)數(shù)率。經(jīng)表征，新探測(cè)器在266nm波段探測(cè)效率達(dá)16.6%、暗計(jì)數(shù)率為138kcps、后脈沖概率為2.7%、飽和計(jì)數(shù)率達(dá)13Mcps，基本滿(mǎn)足了紫外單光子激光雷達(dá)應(yīng)用對(duì)單光子探測(cè)器的性能需求。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)利用該探測(cè)器首次在單光子差分吸收臭氧激光雷達(dá)系統(tǒng)中開(kāi)展相關(guān)應(yīng)用，該激光雷達(dá)系統(tǒng)將289nm和316nm的脈沖激光同時(shí)垂直發(fā)射到大氣中，由于臭氧分子對(duì)兩種波長(zhǎng)激光的吸收系數(shù)不同，通過(guò)對(duì)比兩種激光回波信號(hào)的衰減速度可以反演出大氣不同高度處的臭氧濃度。為了進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，實(shí)驗(yàn)中將回波信號(hào)分為兩路，分別用傳統(tǒng)的光電倍增管和新型4H-SiC單光子探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)和數(shù)據(jù)反演，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在1~3.5km范圍內(nèi)使用兩種探測(cè)器反演出的臭氧濃度分布高度吻合。上述工作為紫外波段單光子激光雷達(dá)提供了一種高性能、高環(huán)境耐受性的實(shí)用化解決方案。
 

圖2.單光子差分吸收臭氧激光雷達(dá)系統(tǒng)。(a)原理圖；(b)臭氧濃度連續(xù)觀(guān)測(cè)結(jié)果
 

　　該工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省等資助，同時(shí)得到山東國(guó)耀量子雷達(dá)科技有限公司的技術(shù)支持。