1 重庆光电技术研究所,重庆 400060
2 量子信息芯片与器件重庆重点实验室,重庆 400060
3 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室,北京 100876
为实现高速、高灵敏度、低成本的激光通信,优化改进一种新的InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)以更好地使其应用于单个单光子探测器(SPD)探测的近红外激光通信系统。与上一代相比,优化各层结构的同时,在其中加入了介质-金属反射层并改进了双Zn扩散工艺。在1.25 GHz高频正弦门控(SWG)工作模式、225 K温度和6 V偏置下,所制备的InGaAs/InP SPAD实现了光子探测效率(PDE)为30%、暗计数率(DCR)为3 kHz和后脉冲概率(Pap)为2.4%的单光子性能。将基于高性能SPAD制备的自由运行负反馈雪崩二极管(NFAD)作为接收机,应用到已有实时激光通信系统中,实验得到了单个NFAD的激光通信性能参数。结果表明,在使用4进制脉冲相位调制(4PPM)方案中,在1 Mbit/s比特率条件下,单个InGaAs/InP NFAD具有1.1×10-5误码率和-69.6 dBm灵敏度。
InGaAs/InP 单光子探测器 单光子雪崩二极管 负反馈雪崩二极管 光子探测效率 激光通信 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706011
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室,上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院,上海 201210
单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来,国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术,充分放大光子信号,以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Devices, EMCCDs)具有更高的量子效率,可替代传统的可见光光子计数系统,但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件(HgCdTe APD)的过剩噪声因子接近1,几乎无过剩噪声;相对于盖革模式的雪崩器件,没有死时间和后脉冲,不需要淬灭电路,具有超高动态范围,光谱响应范围宽且可调,探测效率和误计数率可独立优化,开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域,在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神(Raytheon)公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状,分析了吸收倍增分离型(Separation of Absorption and Magnification, SAM)、平面PIN型和高密度垂直集成型(High Density Vertically Integrated Photodiode, HDVIP)三种结构的HgCdTe APD器件性能、光子计数能力以及制备优缺点。雷神公司采用分子束外延(Molecular-Beam Epitaxy, MBE)方式制备了空穴倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件,增益可达350,光子探测效率达95%以上,工作温度达180 K以上。DRS技术公司采用液相外延(Liquid Phase Epitaxy, LPE)碲镉汞材料制备了电子倍增机制的HDVIP型中波HgCdTe APD器件,在0.4~4.3 μm的可见光到中红外波段都能响应,最高增益可达6100,光子探测效率大于70%,可实现110 Mbps的自由空间通信。CEA/LETI实验室和Lynred公司采用分子束外延或液相外延制备了电子倍增机制的PIN型短波和中波HgCdTe APD器件,短波器件增益达2 000,中波最高增益可达13000,内光子探测效率达90%,实现了80 Mbps的自由空间通信,在300 K和增益为1时,带宽最高达10 GHz。英国Leonardo公司采用金属有机气相沉积(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE)方式制备了电子倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件,命名为Selex Avalanche Photodiode HgCdTe Infrared Array(SAPHIRA),器件增益可达66@14.5 V,单光子探测率达90%以上,中心距为24 μm的320×256阵列的SAPHIRA器件供给法国First Light Imaging公司,研发出了C-RED ONE相机,相机成功应用于美国天文探测的密歇根红外组合器(Michigan Infrared Combiner, MIRC),将MIRC的系统噪声降低了10~30倍,大大提高了条纹探测的信噪比。国内碲镉汞雪崩探测器研究起步比较晚,主要研究机构有中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所和华北光电技术研究所,受限于芯片制备技术和电路技术,目前没有实现光子计数方面的应用,但在焦平面研制上取得了一定进展。中国科学院上海技术物理研究所研制了PIN结构的单元、128×128阵列、320×256阵列中波HgCdTe APD器件,器件增益可达1000以上,增益100以内,增益归一化暗电流密度低于1×10−7 A/cm2,增益400以内的过剩噪声因子小于1.5,增益133时的噪声等效光子数为12,进行了短积分快速成像演示;单元器件带宽可达300~600 MHz。昆明物理研究所研制了PIN结构的单元和256×256阵列的中波HgCdTe APD器件,单元器件增益可达1000以上;在偏压8.5 V以内,焦平面平均增益归一化暗电流为9.0×10−14~ 1.6×10−13 A,过噪因子F介于1.0~1.5之间。国内主要是研制平面PIN结构的HgCdTe APD器件,技术路径与法国基本相同。因而,我国可借鉴CEA/LETI实验室成功经验和Lynred公司的运营模式,持续推进HgCdTe APD器件的研究,以早日达到国际先进水平,实现单光子探测和光子计数应用。
碲镉汞 光子计数 线性雪崩 光子探测效率 器件结构 过剩噪声 HgCdTe photon counting linear-mode avalanche photon detection efficiency device structure excess noise 红外与激光工程
2023, 52(3): 20230036
北京师范大学 核科学与技术学院 新器件实验室,北京 100875
北京师范大学新器件实验室(NDL)一直致力于研制结构紧凑、工艺相对简单的外延电阻淬灭型硅光电倍增器(silicon photomultiplier with epitaxial quenching resistor, EQR SiPM)。近期为了满足硅光电倍增器(silicon photomultiplier, SiPM)在核医学成像方面的需要,NDL通过优化器件设计和制作工艺,成功研制出微单元尺寸为15 μm、有效面积为9 mm2的EQR SiPM。相较以往同类型器件,实现了器件暗计数率(dark count rate, DCR)的进一步降低同时保持了较高的光子探测效率(photon detection efficiency, PDE),在环境温度为20 ℃、过偏压为7 V时,DCR的典型值为226 kHz/mm2、峰值PDE为46%。另外,为了进一步提升EQR SiPM的动态范围,NDL还研制出微单元尺寸为6 μm、有效面积为9 mm2、微单元数目为244720的EQR SiPM,在环境温度为20 ℃、过偏压为7 V时,DCR的典型值为240 kHz/mm2、峰值PDE为28%,其较大的动态范围特别适合高能宇宙射线的测量、强子量能器等应用。
硅光电倍增器 外延淬灭电阻 光子探测效率 暗计数率 动态范围 silicon photomultiplier epitaxial quenching resistor photon detection efficiency dark count rate dynamic range 红外与激光工程
2022, 51(7): 20210587
1 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
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院,北京 100049
3 中国科学院大学 电子电器与通信工程学院,北京 100049
在越来越多的光子计数应用中,用于近红外光波长领域的单光子探测器受到广泛关注。例如在量子信息处理、量子通信、3D激光测距(LiDAR)、时间分辨光谱等光子计数应用领域。文中设计并展示了用于探测1 550 nm波长光子的InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)。这种SPAD 采用分离吸收、过渡、电荷和倍增区域结构 (SAGCM),在盖革模下工作时具有单光子灵敏度。SPAD的特性包括随温度范围223~293 K变化的击穿电压、暗计数率、单光子检测效率和后脉冲概率。25 μm 直径的 SPAD 显示出一定的温度相关性,击穿电压随温度的变化率约为100 mV/K。当SPAD在盖革模式下温度为223 K工作时,在暗计数率为4.1 kHz,后脉冲概率为3.29%的基础上,对1 550 nm光子实现了21%的单光子探测效率。文中还分析和讨论了SPAD温度相关性的单光子探测效率、暗计数率和后脉冲概率的来源和物理机制。这些机制分析、讨论和计算可以为SPAD的设计和制备提供更多的理论支持和依据。
单光子探测器 温度相关性 光子探测效率 暗计数率 后脉冲概率 single-photon detector temperature dependency photon detection efficiency dark count rate after pulse probability 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210453
1 杭州电子科技大学 电子信息学院, 杭州 310018
2 天津大学 微电子学院, 天津 300072
基于180 nm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17.8 V, 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2.5 μm时, 器件性能最优.通过Silvaco TCAD仿真分析得到:在过偏压1 V下, 波长500 nm处的探测效率峰值为62%, 同时在300~700 nm范围内的光子探测效率均大于30%.
光电探测器 单光子雪崩二极管 180 nm标准CMOS工艺 双电荷层 击穿电压 光谱响应 光子探测效率 Photodetector Single photon avalanche diode 180 nm standard CMOS technology Double charge layers Breakdown voltage Spectral response Photon detection efficiency
重庆邮电大学 光电工程学院/国际半导体学院, 重庆 400065
基于标准0.18μm CMOS工艺设计了一种新型单光子雪崩二极管(SPAD)器件。该SPAD以pwell/nwell轻掺杂雪崩结作为器件的核心工作区域, 同时利用三个相邻n阱间的横向扩散在pn结边缘形成n-虚拟保护环以提高器件的性能。采用Silvaco软件对该器件的电场分布、响应度、击穿电压、光子探测效率和暗计数率等性能参数进行了仿真分析。仿真结果表明: 当SPAD器件的光窗口直径为20μm且n阱间隙宽度为1.4μm时, 其雪崩击穿电压为13V; 在过偏压为1V时, 其探测效率峰值和暗计数率分别为37%和0.82kHz; 在450~700nm波长范围器件的响应度较好, 且在500nm处达到峰值0.33A/W。
单光子雪崩二极管 标准0.18μm CMOS工艺 虚拟保护环 响应度 光子探测效率 暗计数率 single photon avalanche diode standard 0.18μm CMOS process virtual guard ring responsivity photon detection efficiency dark count rate
1 天津大学 微电子学院 天津市成像与感知微电子技术重点实验室, 天津 300072
2 天津大学 电气自动化与信息工程学院, 天津 300072
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=0.6 μm时器件性能最优, 此时击穿电压为13.5 V, 暗电流为10-11A.在过偏压为2.5 V时, 门控模式下的暗计数概率仅为0.38%, 器件在400~700 nm之间具有良好的光学响应, 500 nm时的峰值探测效率可达39%.
光电器件 单光子雪崩二极管 CMOS工艺 深n阱 保护环 响应度 光子探测效率 Photoelectronic devices Single photon avalanche diode CMOS technology Deep Nwell structure Guard ring responsivity Photon detection efficiency
1 重庆邮电大学 光电工程学院/国际半导体学院,重庆 410065
2 中科院微电子所十室,北京 100029
基于0.18 μm CMOS工艺技术,制作了单光子雪崩二极管,可对650~950 nm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10 μm,器件的反向击穿电压为18.4 V左右.用光强为0.001 W/cm2的光照射,650 nm处达到0.495 A/W的响应度峰值;在2V的过偏压下,650~950 nm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.
单光子雪崩二极管 标准0.18μm CMOS工艺 深N阱 保护环 击穿特性 响应度 光子探测效率 Single Photon Avalanche Diode (SPAD) Standard 0.18 μm CMOS process Deep n-well Guard ring Breakdown characteristics Responsivity Photon detection efficiency
1 北京师范大学 核科学与技术学院 新器件实验室, 北京 100875
2 北京市辐射中心, 北京 100875
针对表面淬灭电阻技术引起死区面积较大, 以及高光子探测效率与大动态范围不能同时满足的矛盾, 应用外延电阻淬灭技术, 采用与雪崩光电二极管微单元相连的衬底外延层硅材料制作了淬灭电阻.研制成功的外延电阻淬灭硅光电倍增器的有源区面积为1×1mm2, 微单元尺寸为7 μm, 微单元密度高达21 488个/mm2, 测试结果表明:漏电流为10量级, 反向击穿电压为24.5 V, 过偏压为2.5 V时,增益达1.4×105, 室温下暗计数率约为600 kHz/mm2, 串话率低于10%, 说明该器件具有良好的光子计数特性.该高密度硅光电倍增器测量的动态范围是1.8×104个/mm, 光子探测效率为16%(@λpeak=480 nm), 恢复时间为8.5 ns, 单光子分辨能力较高, 并且在液氮温度环境能够探测光子, 这对于拓展硅光电倍增器在极低温度条件下的应用, 比如暗物质测量实验方面具有潜力.
光子探测器 硅光电倍增器 外延电阻淬灭 动态范围 光子探测效率 Photon detector Silicon photomultiplier Epitaxial quenching resistance Dynamic range Photon detection efficiency