近日，中国科学技术大学张军等联合南京大学陆海、张荣团队在紫外波段单光子激光雷达方向取得新进展，通过设计制备基于4H-SiC材料的单光子雪崩光电二极管，发展主动淬灭主动恢复读出电路技术，研制出具有实用价值的紫外半导体单光子探测器，利用该探测器首次实现了单光子差分吸收臭氧激光雷达系统，并实现1~3.5km高度范围内的臭氧浓度监测，相关成果发表于《应用物理快报》[Appl. Phys. Lett. 125, 211103 (2024)]。
紫外单光子探测技术在大气环境监测、尾焰探测、电弧检测和火灾预警等应用场景中发挥着重要作用。光电倍增管是紫外波段传统的单光子探测器件，但具有灵敏度低、寿命短、磁场敏感等劣势，无法在恶劣环境中（高温、震动、强辐射）长时间稳定工作。相比之下，宽禁带半导体4H-SiC材料具有热导率高、抗辐射能力强、电子饱和漂移速度高以及性能稳定等特点，在研制新型紫外半导体单光子探测器方面具有显著的材料性能优势。然而，长期以来基于该材料的单光子探测器性能指标差，特别是探测效率极低、暗计数率极高，使得该类型单光子探测器不具有实用价值。
中国科大、南京大学团队近年来致力于紫外半导体单光子探测器的联合攻关，取得了一系列新突破。2023年，研究团队通过优化4H-SiC单光子雪崩光电二极管新型倾斜台面结构和制备工艺，并发展被动淬灭主动恢复读出电路技术，首次研制出了具有实用价值的小型化4H-SiC单光子探测器样机，在266 nm波段探测效率为10.3%、暗计数率为133 kcps[Rev. Sci. Instrum. 94, 033101 (2023)]。此后，研究团队利用该探测器，首次演示了紫外波段单像素单光子成像实验，在接收光强约6pW的条件下实现了单光子成像，成像分辨率为192×192像素，帧率为4fps [Appl. Phys. Lett. 123, 024005 (2023)]。
图1. (a)4H-SiC单光子雪崩光电二极管结构；(b)主动淬灭主动恢复读出电路
在此基础上，研究团队在4H-SiC单光子探测器性能指标方面持续开展攻关。一方面，通过迭代优化4H-SiC单光子雪崩光电二极管结构和工艺提升了器件的单光子探测效率；另一方面，针对4H-SiC单光子雪崩光电二极管器件的特征发展了新型主动淬灭主动恢复读出电路，在有效抑制探测器后脉冲概率的同时显著提升了饱和计数率。经表征，新探测器在266nm波段探测效率达16.6%、暗计数率为138kcps、后脉冲概率为2.7%、饱和计数率达13Mcps，基本满足了紫外单光子激光雷达应用对单光子探测器的性能需求。
研究团队利用该探测器首次在单光子差分吸收臭氧激光雷达系统中开展相关应用，该激光雷达系统将289nm和316nm的脉冲激光同时垂直发射到大气中，由于臭氧分子对两种波长激光的吸收系数不同，通过对比两种激光回波信号的衰减速度可以反演出大气不同高度处的臭氧浓度。为了进行数据比对，实验中将回波信号分为两路，分别用传统的光电倍增管和新型4H-SiC单光子探测器进行探测和数据反演，实验结果表明在1~3.5km范围内使用两种探测器反演出的臭氧浓度分布高度吻合。上述工作为紫外波段单光子激光雷达提供了一种高性能、高环境耐受性的实用化解决方案。
图2.单光子差分吸收臭氧激光雷达系统。(a)原理图；(b)臭氧浓度连续观测结果
该工作得到科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省等资助，同时得到山东国耀量子雷达科技有限公司的技术支持。
