针对1064nm波段高灵敏激光测距应用, 设计了一种由单光子雪崩光电二极管(SPAD)、微型热电制冷器(TEC)、主动淬灭主动恢复电路(AQAR)、温控单元、高压单元、FPGA等混合集成的高性能单光子探测器模块。SPAD芯片采用了分离吸收渐变电荷倍增(SAGCM)的InGaAsP/InP材料结构设计, 内部电场分布经Matlab软件仿真, 结果显示该结构具有良好的增益特性。SPAD芯片通过TEC制冷保持低温工作来降低暗计数以抑制器件的噪声。低延迟AQAR由高速比较器与宽带放大器构成, 淬灭时间约为1.2ns, 有效减少了后脉冲效应。测试结果表明, 在-30℃, 探测效率为30.2%下, 暗计数率仅为1.9kHz, 在死时间为0.8μs时, 后脉冲为10.4%。通过集成化设计的单光子探测器模块具有探测效率高和暗计数率低的优势, 能够满足小型化激光测距应用需求。
集成制冷 单光子雪崩光电二极管 激光测距 integrated refrigerated single photon avalanche photodiode laser ranging AQAR AQAR
中国科学院半导体研究所 集成光电子学国家重点实验室, 北京 100083
通过理论模拟CMOS工艺兼容的SiGe/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1.06 μm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、SiGe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1.06 μm波长下, SiGe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。
单光子雪崩光电二极管 电场分布 量子效率 仿真分析 single photon avalanche photodiode SACM-APD SACM-APD electric field distribution quantum efficiency simulation analysis 红外与激光工程
2016, 45(5): 0520004
