紫外线辐射是大自然中最强的一种辐射，其波长范围为190-400 nm ，人眼看不见这种辐射[1]。在太阳所放射的辐射光谱中，紫外线（UV）在穿越地球的大气层时，会因大气中的氧气、臭氧、水分等物质的吸收和散射而被大幅削弱。而波长低280 nm 的紫外线几乎完全被大气层所散射和吸收，不能穿过大气层达到地球表面，地表该波段无太阳背景辐射，犹如天然“暗室”，探测到的任何信号都来自于目标，信号识别具有独特优势。
图1大气对太阳辐射的透射谱
一、日盲紫外探测成像技术及其应用
由于在日盲波段紫外线的应用中，太阳背景辐射的干扰较少，因此其在各个领域的使用极其广泛。相应的，日盲紫外探测器由于其信号处理的简易性、误报警率的低发生率以及强大的抗干扰能力，在国防和民用领域都有着巨大的应用潜力。
图2 日盲紫外波段地球表面辐照度
在民用领域可用于电网安全监测、海上搜救、医学成像、环境与生化检测等。以电网安全监测为例，电力设备的 局部电晕放电会引起电力损耗、加快设备损坏、降低导线使用寿命、干扰无限电和高频通信。一般情况下，电晕放电的紫外光谱主要集中在 200-400 nm 波段，利用日盲波段紫外探测器进行电晕检测可以发现设备的早期隐患[2]。
图3 电网安全监测（电晕监测）
在国防领域，日盲波段紫外线可用于红外线紫外双色制导、导弹识别跟踪、舰载通讯、深空探测等，可有效满足未来战争对超长距离和超高精度打击的需求。如导弹所产生的高温羽烟温度在1000 K -3300 K ，辐射光谱范围广；另外，大量未充分燃烧尽的固体燃料存在于导弹的尾气流中，这些燃料随后会发生化学反应释放出紫外线。日盲波段紫外探测可以用于导弹尾焰检测和国防预警，基于日盲波段的优势，可以大大降低误报警率，实现 5 km -10 km 的报警距离。对于紫外制导导弹，是雷达告警所不能探测到的，利用高灵敏度的紫外探测器可以进行近距离的预警，保护直升机和运输机等慢速平台免受导弹攻击[2]。
图4 导弹识别跟踪
一言以蔽之，日盲紫外探测成像技术是电子领域尖端技术、国际军事制高点。在西方国家对我国实行全面技技术禁运的大背景下，它是未来国家急迫需求和重点发展的战略性技术之一。
二、AlGaN紫外探测器件
直接宽禁带半导体材料AlGaN属于Ⅲ族氮化物体系，具备诸多优异特性，诸如击穿电场高、耐高压、耐高温、抗辐射、热稳定性与化学稳定好等，且其带宽可随Al组分的变化可以在3.4 eV 到6.2 eV 之间连续变化，对应工作波长在200nm到365nm之间连续可调，覆盖了大气臭氧层吸收日盲区（240-280 nm ），是制备紫外探测器，特别是新一代的日盲紫外探测器的理想材料。
基于AlGaN材料的日盲紫外探测器结构包括金属-半导体-金属结构 (MSM)、肖特基结构(Schottky)以及PN结结构。其中，MSM结构如果两侧金属都与半导体形成欧姆接触，则成为光电导类型探测器 (photoconductor)。在PN结结构中，更常见的是结区插入本征吸收层的PIN结构。利用PIN及其改进结构(例如PININ、PIPIN结构)可以实现雪崩二极管(APD)， 达到高增益，实现对微弱日盲紫外信号的探测[3]。
图5 AlGaN APD结构示意图
对于许多核心和新兴应用领域，真正需要实现的是对微弱紫外信号的快速测量，这就意味着所用的半导体紫外探测器必须具有强烈的增益，满足这一要求的理想器件唯有基于宽禁带半导体的紫外雪崩光电探测器（APD）。高性能的APD可具有纳秒量级的响应速度、106以上的增益，甚至可在单光子探测模式下工作，即可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标的探测，前提是半导体APD器件的暗电流要足够低，增益要足够大[1]。
图6 极化增强结构和传统结构APD的性能对比
南京大学在AlGaN日盲紫外雪崩光电探测器的研究中，采用了极化增强结构，相较于传统结构的雪崩光电二极管（APD），在增益和雪崩点电压方面都取得了明显的进步。
在增益方面，研究人员通过引入极化增强结构，有效地提高了光电二极管的增益。极化增强结构的关键在于引入特殊的极化层，可以增强光电流的极化，从而提高器件的放大效应。这种改进在一定程度上可以抵消由于半导体材料掺杂不均匀、结构不对称等因素造成的增益损失。
雪崩光电二极管的雪崩击穿是器件工作的关键，其雪崩点电压直接影响到探测器的工作效率和响应速度。研究人员通过优化设计，在极化增强结构的基础上，降低p-AlGaN的Al组份，在倍增区引入与反偏电压一致的极化电场，进一步优化了雪崩击穿过程，有效地降低了雪崩点电压，从而提高了器件的响应速度和工作效率。
图7 南京大学和部分国外大学研究成果比较
可以明显看出，在增益和暗电流方面，南京大学的研究成果已经达到了国际先进水平并显示出了显著的优势。尤其在增益方面，南京大学的研究人员已经成功地将AlGaN日盲紫外雪崩光电探测器的增益提升到了一个新的水平。这种改进不仅可以提高探测器的灵敏度，而且还可以使其在更宽的光谱范围内工作。
暗电流（dark current）是指在没有光输入的情况下探测器产生的电流。降低暗电流可以提高探测器的灵敏度和稳定性。从图7中红色方框分布可知，南京大学的研究人员已经实现了显著降低暗电流的目标，并且这种改进在与国外的研究结果进行比较时表现出了显著的优势。
三、SiC单光子探测器
与常规光电探测器不同，APD需要在强场模式下工作，这就对所用半导体材料的晶体质量有着很高的要求。相比于AlGaN，在制备技术方面，SiC的发展已经相对成熟。化学气相沉积法可以生成高质量的大尺寸SiC晶体，并且在大规模生产中有很高的效率。许多半导体晶圆厂已经开发出用于SiC制备的工艺，例如6英寸和8英寸的SiC晶圆厂已经商业化。随着技术的进步，SiC晶体的缺陷密度已经大大降低，其微管缺陷已经可以 降 到 １ cm-2以 下，其它类型缺陷可 控 制 在 1０5 cm －２范围内[1]，从而提高了器件的性能和寿命。
（1）空穴诱导雪崩和半台面终端新结构
单光子探测器的目标是检测单个光子，这是光电设备所能检测到的最弱信号。在SiC单光子探测器中，光子与电子发生相互作用，从而导致电子的跃迁。这个过程可以被用于测量和检测光的存在，即使这个光子的能量很低。
图8 SiC APD器件的光子计数瞬态图谱
暗计数率是一个衡量光电探测器性能的重要指标，理想情况下，探测器此时应该没有信号输出，但实际情况并非如此 ，由于探测器件的材料特性 ，偏置电路以及外部噪声等因素 ，即使没有光子入射 ，绝大部分的探测器还是存在一定的误计数，这就是所谓的暗计数[4]。较低的暗计数率意味着更高的探测效率和更低的误检测率。
在美国之后，我国成为首个成功研制出SiC紫外单光子探测器的国家。该探测器创新性采用空穴诱导雪崩和半台面终端新结构，不仅使得探测器的工作温度提高至150摄氏度，而且实现了其性能的显著改善，尤其是在紫外光子的探测能力上。该低暗计数率SiC基APD单元器件具有很高的室温下单光子探测效率，超过了30%。
（2）雪崩增益涨落补偿新方法
我国研究人员提出雪崩增益涨落补偿新方法，首次研制出报道规模最大的零盲元1×128紫外光子计数线阵探测器，成功应用于日盲紫外光子计数激光雷达和光子计数紫外成像仪。
零盲元1×128紫外光子计数线阵探测器是一种光子计数技术的硬件实现。这种探测器主要用于光子计数技术，特别是用于紫外光子计数。在这个系统中，一个光子被探测到会使得电子设备进行一次计数。在1×128线阵中，每一行代表128个像素。如果每个像素被照射的光子数不同，那么这128行中的每一行的计数都会不同。通过对这些计数进行分析，可以准确地知道每个像素被照射的光子数。
图9 零盲元1×128紫外光子计数线阵探测器及所成图像
SiC单光子探测器利用光电效应将入射的光子转化为电子，然后通过雪崩增益放大，从而使电子数量成指数增长，实现对光信号的高灵敏度探测。雪崩增益涨落是SiC单光子探测器的一个重要特性。在某些特定条件下，例如激光脉冲的峰值功率超过了一定阈值，这种增益的增长会突然变大，形成一个陡峭的增益曲线。这就是雪崩增益涨落现象。
然而，雪崩增益涨落可能会降低探测器的性能。雪崩增益涨落可以增加光电探测器的灵敏度，但同时也会引入额外的噪声。而雪崩噪声则是这个过程的副产品，它的大小直接影响了探测器的噪声性能。在这种情况下，通过雪崩补偿的方法，可以有效地补偿SiC单光子探测器的雪崩增益涨落，提高探测器的性能和稳定性。则是利用光子雪崩放大过程中产生的噪声，通过产生一个新的信号，使得这个信号的幅度与噪声的幅度相等，从而消除噪声。这种方法可以在不影响探测器性能的情况下，降低噪声水平。
参考文献
[1]陆海,陈敦军,张荣等.高灵敏度宽禁带半导体紫外探测器[J].南京大学学报(自然科学),2014,50(03):294-301.DOI:10.13232/j.cnki.jnju.2014.03.007.
[2]苏琳琳. 4H-SiC紫外雪崩单光子探测器制备与器件物理研究[D].南京大学,2021.DOI:10.27235/d.cnki.gnjiu.2020.002359.
[3]蒋科. AlGaN材料类同质外延生长及日盲紫外探测器研究[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.
[4]颜佩琴. 高稳定性Si APD单光子探测器研制[D].华东师范大学,2018.
