【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學張軍等聯合南京大學陸海、張榮團隊在紫外波段單光子激光雷達方向取得新進展，通過設計制備基于4H-SiC材料的單光子雪崩光電二極管，發展主動淬滅主動恢復讀出電路技術，研制出具有實用價值的紫外半導體單光子探測器，利用該探測器首次實現了單光子差分吸收臭氧激光雷達系統，并實現1~3.5km高度范圍內的臭氧濃度監測，相關成果發表于《應用物理快報》[Appl. Phys. Lett. 125, 211103 (2024)]。
紫外單光子探測技術在大氣環境監測、尾焰探測、電弧檢測和火災預警等應用場景中發揮著重要作用。光電倍增管是紫外波段傳統的單光子探測器件，但具有靈敏度低、壽命短、磁場敏感等劣勢，無法在惡劣環境中(高溫、震動、強輻射)長時間穩定工作。相比之下，寬禁帶半導體4H-SiC材料具有熱導率高、抗輻射能力強、電子飽和漂移速度高以及性能穩定等特點，在研制新型紫外半導體單光子探測器方面具有顯著的材料性能優勢。然而，長期以來基于該材料的單光子探測器性能指標差，特別是探測效率極低、暗計數率極高，使得該類型單光子探測器不具有實用價值。
中國科大、南京大學團隊近年來致力于紫外半導體單光子探測器的聯合攻關，取得了一系列新突破。2023年，研究團隊通過優化4H-SiC單光子雪崩光電二極管新型傾斜臺面結構和制備工藝，并發展被動淬滅主動恢復讀出電路技術，首次研制出了具有實用價值的小型化4H-SiC單光子探測器樣機，在266 nm波段探測效率為10.3%、暗計數率為133 kcps[Rev. Sci. Instrum. 94, 033101 (2023)]。此后，研究團隊利用該探測器，首次演示了紫外波段單像素單光子成像實驗，在接收光強約6pW的條件下實現了單光子成像，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構；(b)主動淬滅主動恢復讀出電路
在此基礎上，研究團隊在4H-SiC單光子探測器性能指標方面持續開展攻關。一方面，通過迭代優化4H-SiC單光子雪崩光電二極管結構和工藝提升了器件的單光子探測效率；另一方面，針對4H-SiC單光子雪崩光電二極管器件的特征發展了新型主動淬滅主動恢復讀出電路，在有效抑制探測器后脈沖概率的同時顯著提升了飽和計數率。經表征，新探測器在266nm波段探測效率達16.6%、暗計數率為138kcps、后脈沖概率為2.7%、飽和計數率達13Mcps，基本滿足了紫外單光子激光雷達應用對單光子探測器的性能需求。
研究團隊利用該探測器首次在單光子差分吸收臭氧激光雷達系統中開展相關應用，該激光雷達系統將289nm和316nm的脈沖激光同時垂直發射到大氣中，由于臭氧分子對兩種波長激光的吸收系數不同，通過對比兩種激光回波信號的衰減速度可以反演出大氣不同高度處的臭氧濃度。為了進行數據比對，實驗中將回波信號分為兩路，分別用傳統的光電倍增管和新型4H-SiC單光子探測器進行探測和數據反演，實驗結果表明在1~3.5km范圍內使用兩種探測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提供了一種高性能、高環境耐受性的實用化解決方案。
圖2.單光子差分吸收臭氧激光雷達系統。(a)原理圖；(b)臭氧濃度連續觀測結果
該工作得到科技部、國家自然科學基金委、中國科學院、安徽省等資助，同時得到山東國耀量子雷達科技有限公司的技術支持。
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