红外InGaAs/InP单光子探测器暗计数的研究

在开发探测器灵敏度极限实现单光子探测时,暗计数是影响探测效率的主要原因.本文分析了在红外波段采用InGaAs/InP雪崩光电二极管工作于雪崩击穿电压之上(盖革模式),进行单光子探测时暗计数的三个主要来源,指出隧穿效应对暗计数的贡献是很小的,并且针对热噪声和后脉冲分析了减小暗计数的有效方法.     

基于1.5GHz多次谐波超短脉冲门控InGaAs/InP雪崩光电二极管的近红外单光子探测技术研究

提出了一种高速门控盖格模式的铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)单光子探测技术。将1.5GHz多次谐波超短脉冲加载到InGaAs/InP APD上,盖革模式下的光生雪崩信号埋藏在短脉冲充放电形成的噪声中,采用700MHz低通滤波器实现了50.6dB的噪声抑制比,有效地提取出了雪崩信号。通过半导体制冷,使InGaAs/InP APD工作在-30℃,1.5GHz短脉冲驱动下的InGaAs/InP APD在1550nm的探测效率为35%,暗计数率为每门6.4×10-5,超过了单纯使用1.5GHz正弦门的探测性能,而且在15%的探测效率下,2.7ns后发生后脉冲的概率仅为每门6.0×10-5。     

量子通信中单光子探测器的实验研究

为了提高单光子探测系统的灵敏度,实验采用InGaAs/InP雪崩光电二极管作为量子通信中的单光子探测器件,以门控脉冲模式实现了更高精度的单光子探测器的偏压生成电路、单光子信号放大电路、单光子信号检测电路和温度控制模块,并通过选用高精度前置放大器OP37和精密比较器AD8561,将量子效率提高到18.3%,暗计数控制小于4.1%×10~(-6)/ns.     

In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP雪崩光电二极管响应及电学特性

通过分子束外延生长和开管式Zn扩散方法,制备了低暗电流、宽响应范围的In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP雪崩光电二极管.在0.95倍雪崩击穿电压下,器件暗电流小于10nA;-5V偏压下电容密度低至1.43×10~(-8) F/cm~2.在1 310nm红外光照及30V反向偏置电压下,雪崩光电二极管器件的响应范围为50nW~20mW,响应度达到1.13A/W.得到了电荷层掺杂浓度、倍增区厚度结构参数与击穿电压和贯穿电压的关系:随着电荷层电荷密度的增加,器件贯穿电压线性增加,而击穿电压线性降低;电荷层电荷面密度为4.8×10~(12)cm~(-2)时,随着倍增层厚度的增加,贯穿电压线性增加,击穿电压增加.通过对器件结构优化,雪崩光电二极管探测器实现25V的贯穿电压和57V的击穿电压,且具有低暗电流和宽响应范围等特性.     

用刻蚀坑方法抑制平面型InGaAs/InP盖革模式APD的边缘击穿

通过测量平面型InGaAs/InP雪崩光电二极管闭管扩散器件帽层InP中Zn杂质的分布,拟合出掺杂浓度随扩散深度的变化函数,并且利用离化积分研究不同倍增层厚度下的最佳刻蚀坑深度和最佳刻蚀方法.结果表明在帽层深度不变的情况下,最佳刻蚀坑深度会随着倍增层厚度而变化,当倍增层厚度为1μm左右时刻蚀坑深度在0.1~0.3μm之间.采取反应离子刻蚀可以获得良好的刻蚀坑形貌,有利于边缘击穿的抑制.     

通讯波段单光子探测器的研制

将InGaAs/InP雪崩光电二极管应用于盖革模式下,采用门脉冲模式淬灭雪崩,并使用魔T混合网络抑制尖峰噪声,实现了通信波段1550 nm的单光子探测.在APD工作温度为223 K时,测得暗计数率与探测效率的比值为0.035.     

基于标准CMOS工艺的非接触式保护环单光子雪崩二极管

基于深亚微米CMOS工艺,设计了一种采用非接触式P阱保护环来抑制边缘击穿的单光子雪崩二极管结构.采用器件仿真软件Silvaco Atlas分析了保护环间距对器件的电场分布和雪崩触发概率等特性的影响,结合物理模型计算了所设计器件的暗计数概率和光子探测效率.仿真和计算结果表明,保护环间距d=0.6μm时器件性能最优,此时击穿电压为13.5V,暗电流为10-11 A.在过偏压为2.5V时,门控模式下的暗计数概率仅为0.38%,器件在400~700nm之间具有良好的光学响应,500nm时的峰值探测效率可达39%.     

高探测效率CMOS单光子雪崩二极管器件

基于标准0.35μm CMOS工艺设计了一种单光子雪崩二极管器件.采用p+n阱型二极管结构,同时引进保护环与深n阱结构以提高单光子雪崩二极管性能;研究了扩散n阱保护环宽度对雪崩击穿特性的影响;对器件的电场分布、击穿特性、光子探测效率、频率响应等特性进行了分析.仿真结果表明:所设计的单光子雪崩二极管器件结构直径为10μm,扩散n阱保护环宽度为1μm时,雪崩击穿电压为13.2 V,3 dB带宽可达1.6 GHz;过偏压为1 V、2 V时最大探测效率分别高达52%和55%;在波长500~800 nm之间器件响应度较好,波长为680 nm时单位响应度峰值高达0.45 A/W.     

红外通信波段SAGM APD单光子探测应用技术研究

研究采用由过度层间隔吸收区与倍增区的InGaAs/InP雪崩光电二极管(SAGM APD)在红外通信波段实现单光子探测的方法,包括管型的选择、特性分析、工作参数以及根据实验结果提出的对这类APD设计制作的改进建议.特别研究目前市售的APD器件用作单光子探测时的实用技术.     

基于雪崩光电二极管的弱光探测技术研究

通过采用无源抑制方法对雪崩光电二极管的弱光探测技术进行了研究,分析了工作在盖革模式下的InGaAs APD的特性。利用APD两端的偏置电压VB在其雪崩后趋于稳定的特性,确定了其雪崩暗击穿电压,并且在水冷温控系统中,测得了APD雪崩暗击穿电压与温度的关系。结果表明,APD的雪崩暗击穿电压随着温度的上升而增大,光子群(弱光)到达时,APD探测到的在某一幅值处的脉冲数明显增加,其脉冲幅度也将增大。     

硅基高灵敏度近红外单光子dTOF探测器

基于0.18μm BCD工艺实现了一种高灵敏度、低暗计数噪声的近红外单光子直接飞行时间（dTOF）探测器。集成的单光子雪崩二极管（SPAD）探测器件采用新型的高压p阱/n+埋层作为深结雪崩倍增区的结构，显著提高了对近红外光子的探测概率；采用低掺杂的外延层作为虚拟保护环，有效减小了器件暗计数噪声。dTOF探测器读出电路采用三步式混合结构的时间数字转换器（TDC），获得了高时间分辨率和大动态范围。测试结果表明，SPAD器件在5 V过偏压下的光子探测概率（PDP）峰值达到45%，在905 nm近红外波长处的PDP大于7.6%，暗计数率（DCR）小于200 Hz。读出电路实现了130 ps的高时间分辨率和258 ns的动态范围，差分非线性度（DNL）和积分非线性度（INL）均小于±1 LSB(1 LSB=130 ps)。该dTOF探测器具有人眼安全阈值高、灵敏度高、噪声低和线性度好的优点，可应用于低成本、高精度的激光雷达测距系统。     

In0.83Al0.17As倍增层对In0.83Ga0.17As/GaAs雪崩光电探测器的特性影响

倍增层对雪崩光电探测器内部载流子的碰撞电离至关重要,因此,采用三元化合物In_0.83Al_0.17As作为倍增层材料,借助器件仿真工具Silvaco-TCAD,详细探究了In_0.83Ga_0.17As/GaAs雪崩光电探测器的倍增层厚度及掺杂浓度对其内部电场强度、电流特性和电容特性的影响规律。研究表明,随着倍增层厚度的增加,器件的电场强度和电容呈减小趋势。同时,倍增层掺杂浓度的增大会引起电容和倍增层内的电场强度峰值增加。进一步研究发现,随着倍增层厚度的增加,器件的穿通电压线性增大,击穿电压先减小后增大,但倍增层掺杂浓度的增加会引起器件击穿电压的减小。此外,用电场分布和倍增因子的结合解释了器件穿通电压与击穿电压的变化。     

基于双电荷层结构的CMOS单光子雪崩二极管

基于180nm标准CMOS工艺,设计了一种能够有效提高光子探测效率的双电荷层结构的单光子雪崩二极管.该器件结构采用P电荷层和逆行掺杂的深N阱形成PN结,选取不同的P电荷层掺杂浓度,对击穿电压进行优化,当P电荷层浓度为1×1018cm-3时,击穿电压为17.8V,电场强度为5.26×105 V/cm.进一步研究发现N电荷层的位置会影响漂移电流密度和扩散电流密度.当在深N阱与N隔离层交界处掺杂形成N电荷层,即N电荷层掺杂峰值距离器件表面为2.5μm时,器件性能最优.通过Silvaco TCAD仿真分析得到:在过偏压1V下,波长500nm处的探测效率峰值为62%,同时在300～700nm范围内的光子探测效率均大于30%.     

高光电探测效率CMOS单光子雪崩二极管器件

基于0.18μm CMOS工艺技术,制作了单光子雪崩二极管,可对650~950nm波段的微弱光进行有效探测.该器件采用P~+/N阱结构,P~+层深度较深,以提高对长光波的光子探测效率与响应度;采用低掺杂深N阱增大耗尽层厚度,可以提高探测灵敏度;深N阱与衬底形成的PN结可有效隔离衬底,降低衬底噪声;采用P阱保护环结构以预防过早边缘击穿现象.通过理论分析确定器件的基本结构参数及工艺参数,并对器件性能进行优化设计.实验结果表明,单光子雪崩二极管的窗口直径为10μm,器件的反向击穿电压为18.4V左右.用光强为0.001 W/cm~2的光照射,650nm处达到0.495A/W的响应度峰值;在2V的过偏压下,650~950nm波段范围内光子探测效率均高于30%,随着反向偏压的适当增大,探测效率有所提升.     

高时间稳定性的雪崩光电二极管单光子探测器

雪崩光电二极管单光子探测器是一种具有超高灵敏度的光电探测器件,在远距离激光测距、激光成像和量子通信等领域有非常重要的应用.然而,由于雪崩光电二极管单光子探测器的雪崩点对工作温度高度敏感,因此在外场环境下工作时容易出现增益波动,继而导致单光子探测器输出信号的延时发生漂移,严重降低了探测器的时间稳定性.本文发展了一种稳定输出延时的方法,采用嵌入式系统控制雪崩光电二极管,使其处于恒定温度,并实时补偿由环境温度引起的延时漂移,实现了雪崩光电二极管单光子探测器的高时间稳定性探测.实验中,环境温度从16 ℃变化到36 ℃,雪崩光电二极管的工作温度稳定在15 ℃,经过延时补偿,雪崩光电二极管单光子探测器输出延时漂移小于±1 ps,时间稳定度达到0.15 ps@100 s.这项工作有望为全天候野外条件和空间极端条件下的高精度单光子探测应用提供有效的解决方法.     

高耐压和低暗计数SiC紫外雪崩光电二极管

碳化硅（SiC）雪崩光电二极管（APD）是一种独具优势的微弱紫外光探测器,其过偏压承受能力是确保器件可靠工作的一个重要因素。本工作设计并制备了穿通型SiC吸收层-电荷控制层-雪崩倍增层分离（SACM）APD。基于这种结构,器件电场从雪崩倍增层向吸收层扩展,从而减小了雪崩倍增层内电场强度变化率,最终将器件过偏压承受能力提高到10 V;得益于吸收层的分压,雪崩倍增层的电场强度得到有效降低,载流子隧穿可能性减小,这能够有效降低器件暗计数,从而有利于提高器件探测灵敏度;此外,设计的SiC SACM APD倾斜台面仅刻蚀到雪崩倍增层上表面,这能够让器件填充因子提高至约60%,显著改善了深刻蚀导致的传统SACM结构有效光敏区域减小的问题。     

红外波段单光子探测器及其在量子通信领域中的应用

本文简要介绍了红外波段单光子探测器的种类，分析了InGaAs／InP雪崩光电二极管（InGaAs／InPAPD）与超快超导单光子探测器（SSPD）的相关性能，并概述了二者在量子通信中的应用。     

门控下InGaAs/InP单光子探测器用于符合测量的时域滤波特性研究

基于砷化镓/磷化铟雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)的半导体单光子探测器因工作在通信波段,且具有体积小、成本低、操作方便等优势,在实用化量子通信技术中发挥了重要作用.为尽可能避免暗计数和后脉冲对单光子探测的影响,InGaAs/InP单光子探测器广泛采用门控技术来快速触发和淬灭雪崩效应,有效门宽通常在纳秒量级.本文研究揭示了门控下单光子探测器可测量的最大符合时间宽度受限于门控脉冲的宽度,理论分析与实验结果良好拟合.该研究表明,门控下InGaAs/InP单光子探测器用于双光子符合测量具有显著的时域滤波特性,限制了其在基于双光子时间关联测量的量子信息技术中的应用.     

一种基于雪崩二极管电容特性提取通讯波段单光子信号的方法

InGaAs/InP雪崩二极管(APD)可用于探测光通讯波段的单光子.APD工作于门模盖革模式时,单个光子引起的雪崩电流信号通常淹没在电容瞬时充放电脉冲中,光电流信号提取困难.本文通过调整实验参数和APD的寄生电容,使雪崩信号与放电脉冲在时域上有效叠加,并由高速比较器将光电流信号直接甄别出来.本文设计的基于InGaAs/InP APD的单光子探测系统,运行稳定,方法简单可靠,说明这种利用APD的电容特性提取单光子信号是一种有效的方法.     

三级台面InGaAs/InP雪崩光电二极管的低边缘电场设计

设计了一种三级台面的InGaAs/InP雪崩光电二极管,解决了器件边缘电场和暗电流较高的问题.采用Silvaco Atlas器件仿真软件分析了边缘间距、电荷层掺杂浓度及厚度、倍增层掺杂浓度及厚度对器件性能的影响.仿真结果表明,本文设计的三级台面器件在边缘间距为8μm时有最优器件尺寸和较低边缘电场.采用掺杂浓度为1×10~(17)cm~(-3)、厚度为0.2μm的电荷层和掺杂浓度为2×10~(15)cm~(-3)、厚度为0.4μm的倍增层,成功将高电场限制在中心区域,使得反偏电压40V时的边缘电场降低至2.6×105V/cm,仅为中心电场的1/2,增强了器件的抗击穿能力.此外,本文设计的器件在0.9 V_(br)时的暗电流降低至9.25pA,仅为传统两级台面器件的1/3.