半导体单光子雪崩光电二极管的封装发展

半导体单光子雪崩二极管可实现微弱信号的探测,在量子通讯、激光雷达和大气探测等领域具有重要应用。虽然半导体单光子雪崩二极管的性能主要取决于探测芯片设计、流片工艺和外围匹配电路的设计,但后续的封装技术对其探测性能也有重要的影响。聚焦多年来半导体单光子雪崩二极管的封装发展,简要介绍了相应封装形式和技术,以及封装对于雪崩二极管性能的影响,最后对半导体单光子雪崩二极管的封装发展前景做出了展望。

硅雪崩光电二极管单光子探测器

将硅雪崩光电二极管应用于盖革模式下 ,制作出高量子效率、低噪音、短死时间的单光子探测器 .设计并制作了雪崩抑制电路 ,获得探测器特性参量为无源抑制方式下死时间1 μs,有源抑制下 60～ 80 ns,输出脉冲宽度 1 5～ 2 0 ns.并详细检测了探测器直到液氮温度下的特性 .

单光子探测器雪崩光电二极管的低温控制系统及其温度特性

根据单光子探测系统的要求及其特点,采用半导体制冷技术,研制出了用于单光子探测的雪崩光电二极管(APD)的水循环散热制冷腔。通过配备测量精度为0.1℃的温控仪,降低了APD的工作环境温度。通过实验探讨了APD的温度特性,得到了APD的雪崩电压、暗电流、光电流、等效噪声功率与温度的关系。结果表明:降低APD的工作温度有利于减小APD的等效噪声功率,APD存在最佳工作温度。

基于InGaAs/InP雪崩光电二极管的高速单光子探测器雪崩特性研究（英文）

报道了一种基于InGaAs/InP雪崩光电二极管、1.25GHz正弦波门控及贝塞尔低通滤波器的1.25GHz高速短波红外单光子探测器.通过调整比较电路的鉴别电平,实验研究了单光子探测器雪崩信号幅度随反向直流偏压的变化.随着鉴别电平的提高,单光子探测器的探测效率及暗计数率均呈指数衰减,而后脉冲概率先增大到一个峰值,然后减小.研究表明,为获得更高的性能,需要尽量降低单光子探测器的鉴别电平.

InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管InP顶层掺杂研究

通过理论计算和对比实验研究了InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管中InP顶层掺杂浓度对于器件性能的影响.理论结果显示,InP顶层的掺杂浓度越低越有利于抑制边缘击穿,降低隧穿暗载流子产生速率,提高雪崩击穿几率.实验结果显示,顶层非故意掺杂的器件在223K下获得了20%的单光子探测效率和1kHz的暗计数率,其单光子探测效率比顶层掺杂浓度为5×10^(15)/cm^3的器件高3%~8%,而暗计数率低一个量级.结果表明,降低InP顶层的掺杂浓度有利于提高器件性能.

SiGe/Si单光子雪崩光电二极管仿真

通过理论模拟CMOS工艺兼容的Si Ge/Si单光子雪崩二极管,研究并讨论了掺杂条件对于电场分布、频宽特性、以及器件量子效率的影响。设计出具有浅结结构、可在盖革模式下工作、低击穿电压(30 V)的1.06μm单光子技术雪崩光电二极管。器件采用分离吸收倍增区结构,其中Si材料作为倍增区、Si Ge材料作为吸收区,这充分利用了硅材料较高的载流子离化比差异,降低了器件噪声;在1.06μm波长下,Si Ge探测器的量子效率为4.2%,相比于Si探测器的效率提高了4倍。仿真表明优化掺杂条件可以优化电场分布,从而在APD击穿电压处获得更好的带宽特性。

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.

恒温控制下的硅雪崩光电二极管单光子探测器的研制

介绍了一个基于工作在低温恒温系统中的硅雪崩二极管的单光子探测器的研制工作,详细叙述了研制背景、系统结构、工作原理和测试结果。

STI埋层的高光电流和低暗计数率单光子雪崩二极管（英文）

研究和分析了一种0. 18μm CMOS工艺单光子雪崩二极管(SPAD),其结构能抑制过早的边缘击穿(PEB),同时获得较大的光电流和低的暗计数率(DCR).该SPAD由p-well/deep n-well的感光结,deep n-well向上扩散形成的区域和边缘Shallow Trench Isolation(STI)共同形成的保护环组成.通过测试确定了与光电流和暗率有关的STI层的大小.结果证明,在STI层与保护环之间的重叠区域为1μm时,SPAD的暗计数率和光电流最佳.此外,直径为10μm的圆形SPAD器件的暗计数率为208 Hz,且在波长为510 nm时峰值光子探测概率为20. 8%,此时具有低的暗计数率和高的探测效率以及宽的光谱响应特性.

半导体单光子探测器信号提取技术研究

针对半导体单光子探测器的尖峰噪声信号较大，导致有效雪崩信号难以提取的问题。设计了基于高速过零比较器和脉宽测量装置的信号甄别方案，给出了单光子探测器的实验结构设置，门控脉冲信号的产生和雪崩信号的提取由FPGA完成。实验结果表明：在0．1MHz至10MHz门控条件且制冷温度为-55℃时，探测器的最大光子探测效率（PDE）约为29．2％。当探测效率为15％时，暗计数率均低于5．6×10^-5／gate，后脉冲概率（PAP）均低于5％。

Zn扩散对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管雪崩击穿概率的影响

对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管进行结构设计与数值仿真,得到相应的电学与光学参数。针对雪崩击穿概率对器件光子探测效率的影响,研究了两次Zn扩散深度差、Zn扩散横向扩散因子、Zn掺杂浓度以及温度参数与器件雪崩击穿概率的关系。研究发现,当深扩散深度为2.3μm固定值时,浅扩散深度存在对应最佳目标值。浅扩散深度越深,相同过偏压条件下倍增区中心雪崩击穿概率越大,电场强度也会随之增加。当两次Zn扩散深度差小于0.6μm时,会发生倍增区外的非理想击穿,导致器件的暗计数增大。Zn扩散横向扩散因子越大,倍增区中心部分雪崩击穿概率越大,而倍增区边缘雪崩击穿概率会越小。在扩散深度不变的情况下,浅扩散Zn掺杂浓度对雪崩击穿概率无明显影响,但深扩散Zn掺杂浓度越高,相同过偏压条件下雪崩击穿概率越小。本文研究可为设计和研制高探测效率、低暗计数InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管提供参考。

BCD工艺下光电集成的单光子雪崩光电二极管及前端电路的研制

提出一种基于BCD工艺用于检测微弱光信号的单光子雪崩光电二极管(SPAD)及前端淬灭-复位电路(QRC)。为减小边缘击穿的风险,提高响应度,设计了一种圆形P+/Nwell/Deep Nwell结构SPAD,Deep Nwell和衬底之间形成的pn结,能够有效减少p衬底流向雪崩区的暗电流,降低暗计数率,也保证了较小的纵向渡越时间,提高了响应速度。同时设计了P阱保护环,增大了器件的击穿电压。采用silvaco对器件进行二维仿真,与传统的P+/Nwell结构以及P+/Nwell/BNwell结构进行了比较,验证了设计结构在击穿电压、响应度方面的优越性。为实现光电探测器与集成电路的协同设计,改进了APD光电器件的等效电路模型并在此基础上设计了主动淬灭复位电路,死时间约为2.6 ns,能够达到快速探测的目的。测试结果表明,P+/Nwell/DNwell结构的雪崩击穿电压为15.8 V,在过电压为0.2 V时,650 nm光照射下,响应度约为0.80 A/W,暗计数率为20 kHz。

单光子雪崩二极管猝熄电路的发展

单光子雪崩二极管(SPAD)是工作在击穿电压上的雪崩光电二极管(APD)。对于极弱光学信号的探测,例如超高音速飞行器早期预警的应用,SPAD可能是理想的探测器选择。SPAD必须与猝熄电路配套工作。基于pn结等效电路模型,分析了适用于SPAD雪崩猝熄的基本电路结构,例如被动、主动以及混合猝熄电路等。对于SPAD器件测试和筛选来说,被动猝熄电路简单适用,但其局限性也较大。主动猝熄电路可以充分利用SPAD的性能。混合方案则是设计简单紧凑电路或者满足特殊应用要求的有效方法。介绍了SPAD猝熄电路的工作原理、研究进展以及性能指标。

532nm硅基单光子雪崩管制备及其电压调控效应

硅基单光子雪崩管具备体积小、功耗低、暗计数低、可见光波段量子效率高、探测灵敏度达单光子量级等优势,在交通、医疗和军事等领域有重要应用前景.然而,平面结构硅基单光子雪崩管的暗计数率和可见光-近红外波段单光子探测率仍需提升,掺杂工艺对器件电学特性影响仍较模糊.本文设计并制备了一款可见光-近红外波段具备单光子级探测能力的硅基盖革模式雪崩二极管,雪崩电压为38.1 V,在过偏2.4 V处暗计数率为200 Hz,且532 nm单光子探测效率达到10.56%、850 nm单光子探测效率为6.49%,并通过工艺参数调节实现器件击穿电压调控,调制范围覆盖30~40 V.该器件具备良好的工程应用前景,其光电性能调制效果能进一步应用于硅基盖革管的商业化制造.

结合光注入半导体激光器与光电环路产生频率大范围可调、窄线宽微波信号

结合光注入半导体激光器的单周期动力学态与光电环路,提出了一种可获得频率大范围可调、窄线宽的光子微波信号的方案并进行了实验研究.结果表明,光注入半导体激光器在一定条件下能够实现单周期振荡,且光子微波信号的频率在8~67GHz范围内连续可调;在合适的注入参数下,获得了频率为24.3GHz且光谱具有单边带结构的光子微波信号;通过引入光电环路结构,能够有效地将该光子微波的线宽由8.6 MHz压缩至30kHz,并获得了40dB以上的信噪比.

一种新型低暗计数率单光子雪崩二极管的设计与分析（英文）

基于0.18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器工艺提出一种新型的低暗计数率(Dark Count Rate)单光子雪崩二极管(SPAD)器件.该器件是利用P+/LNW(Light N-well doping)结检测光子,并通过低浓度的N型扩散圆形保护环抑制边缘击穿,确保其工作在盖格模式.测试结果表明在室温环境下,直径为8μm的SPAD器件,雪崩击穿电压为14.2 V,当过调电压设置为2 V时,暗计数率为260 Hz,具有低的暗计数率特性.

基于硅雪崩光电二极管的双光子吸收实验(英文)

研究了硅雪崩光电二极管(APD)对光通信波段近红外光子在不同频率、强度,以及APD不同偏压下的双光子吸收效应(TPA)。通过实验详细测量了光频率从186.3 THz到196.1 THz变化时APD的TPA效率,结果表明:随着入射光频率的不断增加,TPA效率呈现出先增大、后减小的规律,并且在190.5 THz附近达到最优效率。此外,在实验中观察到,随着入射光强的增大,TPA效率也呈现出先增大、后减小的现象(此实验中的峰值光强度约10 mW)。

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%.

横向收集结构锗硅半导体雪崩探测器的设计研究

为了实现高效的微光探测以及满足量子通信的需求,需要研发制备具有高增益、低噪声和高带宽的高性能红外探测器,基于硅衬底材料的锗硅雪崩探测器(Avalanche Photodiode,APD)被认为是有希望实现近红外通信波段高效弱光探测的探测器件。本工作设计研究了一种横向收集结构的锗硅APD,并对其结构参数对电场分布的影响进行了仿真模拟。发现该结构中硅倍增层的掺杂浓度、尺寸等对器件电场分布具有很重要的影响,并且利用能带理论对其进行了解释说明。倍增层掺杂浓度提高后,增强的结效应导致该器件中出现了有趣的双结结构,横向的n+-n-结与纵向的p+-i-p--n-结共同作用于电场分布,并且实现了纵向雪崩与横向载流子收集。在-30dBm1310nm光源正入射下,新设计的横向吸收结构APD经过优化带宽可以达到20GHz;线性响应度0.7A/W;由于采用了键合方法,其暗电流可以下降至10-12A。基本满足近红外通信波段弱光探测的高速、低暗电流、探测能力强等要求。

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1×10^18cm^-3时,击穿电压为17.8V,电场强度为5.26×10^5V/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SilvacoTCAD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%.