平面型APD抑制边缘击穿的方法研究

雪崩光电二极管(APD)作为一种具有内部增益的光电探测器,被广泛地应用于光纤通信领域,其中平面型APD具有暗电流低、可靠性高等优点而被大量研究。但是平面型APD边缘处由于高电场易被提前击穿,影响器件性能。文章对抑制平面型APD边缘击穿的不同方法进行了综述,指出它们的结构差别,并重点介绍保护环法的原理及保护环各个参数的优化。     

平面型InP/InGaAs雪崩光电二极管多级台阶结构研究

平面型雪崩光电二极管(APD)在结弯曲处具有更高的电场,易导致结边缘的提前击穿.运用FEMLAB软件对多级台阶结构的平面型InP/lnGaAs APD的电场分布进行了二维有限元模拟,在表面电荷密度为5×10~(11)cm~(-2)时分析了台阶级数、台阶高度等因素对边缘提前击穿特性的抑制程度.通过理论研究对平面InP/InGaAS APD进行了优化.

Abstract：

For planar-type avalanche photodiode (APD), it is hard to suppress edge pre-breakdown with double-stepped p-region profile. In order to suppress the edge pre-breakdown, amulti-stepped p-region is proposed and studied. A finite element two-dimensional (2-D) simulation is performed to study the electric field of planar-type APD with multi-stepped p-region. The effects of the step number and deep in suppressing the edge pre-breakdown are analyzed and the planar-type APD structure is optimized theoretically.     

边缘击穿抑制对InGaAs/InP盖革模式APD性能的影响

基于吸收区倍增区分置(SAM)结构研制了一种用于单光子探测的平面型InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管(APD).着重讨论了边缘击穿抑制效果对器件暗计数率、单光子探测效率,以及后脉冲概率等主要盖革模式性能参数的影响,并对其原因进行了探讨与分析.研究结果表明,有效抑制边缘击穿是获得高性能InGaAs/InP平面型盖革模式雪崩光电二极管的关键因素之一,受边缘击穿抑制效果影响,探测效率随过偏压增速缓慢,而当过偏压达到一定值时,暗计数率与后脉冲概率成倍增加.     

高速InP/InGaAs雪崩光电二极管

采用分层吸收渐变电荷倍增(SAGCM)结构,通过两次扩散、多层介质淀积、AuZn p型欧姆接触、AuGeNi n型欧姆接触等工艺,设计制造了正面入射平面InP/InGaAs雪崩光电二极管,器件利用InGaAs做吸收层,InP做增益层,光敏面直径50 μm;测试结果表明器件有正常的光响应特性,击穿电压32～42 V,在低于击穿电压2 V左右可以得到大约10A/W的光响应度,在0到小于击穿电压1 V的偏压范围内,暗电流只有1 nA左右;器件在2.7 GHz以下有平坦的增益.     

具有抑制边缘击穿的层叠结结构的平面型InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管的设计

通过有限元分析设计了具有抑制边缘击穿的层叠边缘结结构的平面型InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管. 通过仔细地控制中央区域结的深度,光电二极管的击穿电压降至54.3V; 同时通过调整InP倍增层的掺杂浓度和厚度,沿器件中轴的电场分布也得到了控制. 在有源区的边缘采用层叠pn结结构有效地抑制了过早边缘击穿现象. 仿真模拟显示四层层叠结构是边缘击穿抑制效果和制造工艺复杂度的一个好的折衷方案,该结构中峰值电场强度为5.2E5kV/cm,空穴离化积分最大值为1.201. 本文提供了一种设计高性能的InGaAs/InP光子计数雪崩光电二极管的有效方法.     

具有抑制边缘击穿的层叠结结构的平面型InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管的设计

通过有限元分析设计了具有抑制边缘击穿的层叠边缘结结构的平面型InGaAs/InP盖革雪崩光电二极管.通过仔细地控制中央区域结的深度,光电二极管的击穿电压降至54.3V;同时通过调整InP倍增层的掺杂浓度和厚度,沿器件中轴的电场分布也得到了控制.在有源区的边缘采用层叠pn结结构有效地抑制了过早边缘击穿现象.仿真模拟显示四层层叠结构是边缘击穿抑制效果和制造工艺复杂度的一个好的折衷方案,该结构中峰值电场强度为5.2×105kV/cm,空穴离化积分最大值为1.201.本文提供了一种设计高性能的InGaAs/InP光子汁数雪崩光电二极管的有效方法.     

基于InGaAs/InP APD的单光子探测器设计与实现

针对现有单光子探测器模块价格昂贵和电路复杂的不足,设计了基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的便携式单光子探测器,给出了APD门控驱动信号和雪崩信号鉴别电路的设计方案,门控信号的产生和雪崩信号的提取由FPGA完成。实验结果表明:在200 MHz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20%,当探测效率为16%时,暗计数率(DCR)约为7.2×10-6/ns。     

GHz重复频率可调InGaAs/InP单光子探测器

InGaAs/InP雪崩光电二极管（avalanche photodiode APD）可实现近红外波段的单光子检测,具有集成度高功耗低等优势,被广泛应用于量子信息科学、激光测绘、深空通信等领域。通常,为了减小误计数,InGaAs/InP APD工作在门控盖革模式,其门控信号的重复频率直接决定了探测器的工作速率。基于此,采用低通滤波方案,结合集成了GHz正弦门控信号产生、雪崩信号采集、温度控制、偏置电压调节等功能的处理电路,搭建了GHz重复频率可调的高性能InGaAs/InP单光子探测器。GHz门控信号重复频率升高到2 GHz,其相位噪声仍优于-70 dBc/Hz@10 kHz,且尖峰噪声被抑制到热噪声水平,当探测效率为10%时,暗计数仅为2.4×10^-6/门。此外,还验证了该方案下探测器的长时间稳定性,测试了工作速率、偏置电压等对APD关键性能参数的影响,为GHz InGaAs/InP APD的进一步集成及推广奠定基础。     

2×8低噪声InGaAs/InP APD读出电路设计

对In0.53Ga0.47As/InP雪崩光电二极管(APD)探测器进行了特性分析.以大阵列研究为基础,结合器件特性设计了一个2×8低噪声读出电路(ROIC),电路主要由电容反馈互阻放大器(CTIA)和相关双采样(CDS)电路单元构成,并对读出电路的时序、积分电容等进行了设计.电路采用0.6 μm CMOS工艺流片,芯片面积为2 mm×2 mm,电荷存储能力为5×107个,功耗小,噪声低,设计达到预期要求.     

MBE脱氧条件与InGaAs/InP APD性能的相关性

InP基InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）对近红外光具有高敏感度,使其成为微弱信号和单光子探测的理想光电器件。然而随着先进器件结构越来越复杂,厚度尺寸从量子点到几微米不等,性能越来越受材料中晶格缺陷的影响和工艺条件的制约。采用固态源分子束外延（MBE）技术分别在As和P气氛保护下对InP衬底进行脱氧处理并外延生长晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As薄膜和APD结构材料。实验结果表明,As脱氧在MBE材料质量方面比P脱氧具有明显的优势,可获得陡直明锐的异质结界面,降低载流子浓度,提高霍尔迁移率,延长少子寿命,并抑制器件中点缺陷或杂质缺陷引起的暗电流。因此,As脱氧可以有效提高MBE材料的质量,这项工作优化了InP衬底InGaAs/InP外延生长参数和器件制造条件。     

10Gbit/s InGaAs/InP雪崩光电二极管

基于InGaAs/InP吸收区、渐变区、电荷区和倍增区分离雪崩光电二极管(SAGCMAPD)器件结构,利用数值计算方法,模拟了各层参数对器件频率响应特性的影响.模拟结果表明,吸收层、倍增层厚度及电荷层面电荷密度可影响器件的-3 dB带宽;随增益的增加,器件带宽会逐渐降低;电荷层面电荷密度对器件击穿电压有明显影响.结合此模拟结果,制作出了高速InGaAs/InP雪崩光电二极管,并对器件进行了封装测试.测试结果表明,该结果与模拟结果相吻合.器件击穿电压为30 V;在倍增因子为1时,器件响应度大于0.8 A/W;在倍增因子为9时,器件暗电流小于10 nA,-3 dB带宽大于10 GHz,其性能满足10 Gbit/s光纤通信应用要求.     

Characterization of HgCdTe MWIR Back-Illuminated Electron-Initiated Avalanche Photodiodes

This article reports new characterization data for large-area (250 μm ×  250 μm) back-illuminated planar n-on-p HgCdTe electron-initiated avalanche photodiodes (e-APDs). These e-APDs were fabricated in p-type HgCdTe films grown by liquid-phase epitaxy (LPE) on CdZnTe substrates. We previously reported that these arrays exhibit gain that increases exponentially with reverse bias voltage, with gain-versus-bias curves that are quite uniform from element to element, and with a maximum gain of 648 at −11.7 V at 160 K for a cutoff wavelength of 4.06 μm. Here we report new data on these planar e-APDs. Data from a third LPE film with a longer cutoff wavelength (4.29 μm at 160 K) supports the exponential dependence of gain on cutoff wavelength, for the same bias voltage, that we reported for the first two films (with cutoffs of 3.54 μm and 4.06 μm at 160 K), in agreement with Beck’s empirical model for gain versus voltage and cutoff wavelength in HgCdTe e-APDs. Our lowest gain-normalized current density at 80 K and zero field-of-view is 0.3 μA/cm² at −10.0 V for a cutoff of 4.23 μm at 80 K. We report data for the temperature dependence of gain over 80 K to 200 K. We report, for the first time, the dependence of measured gain on junction area for widely spaced circular diodes with radii of 20 μm to 175 μm. We interpret the variation of measured gain with junction area in terms of an edge-enhanced electric field, and fit the data with a two-gain model having a lower interior gain and a higher edge gain. We report data for the excess noise factor F(M) near unity for gains up to 150 at 196 K. We describe the abrupt breakdown phenomenon seen in most of our devices at high reverse bias.     

雪崩光电探测器的噪声抑制技术研究

背景光噪声和探测器暗噪声是影响激光测距系统探测灵敏度的重要因素,根据所选探测器的特性,仿真分析了温度对探测器暗噪声的影响,当温度由60℃降低到-40℃时,探测器噪声等效功率减小1个数量级;同时采用光谱滤波和空间滤波法抑制背景光噪声,从而提高激光测距系统探测灵敏度。仿真计算结果表明,当同时采用降温、光谱滤波和空间滤波方法抑制噪声时,探测灵敏度可提高7.7倍。     

InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管阵列性能一致性研究

InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管(APD)阵列的性能与阵列片内均匀性密切相关.阵列面元的主要结构参数有倍增区厚度、电荷层厚度和掺杂浓度、吸收区的厚度以及器件工作的过偏压.它们的不一致性不仅会造成器件本身性能的差异,还为后续的读出电路带来了巨大的挑战.通过研究APD结构参数变化对其击穿电压(Vbreak)、暗计数率(DCR)和单光子探测效率(PDE)的影响,将APD阵列面元间击穿电压波动控制在±1V以内,使暗计数率和光探测效率的波动小于10％,从而得到不同温度下各个结构参数的最大允许波动值,确定了每个温度下制约器件性能的主要因素,为大规模、高性能盖革模式雪崩光电二极管阵列的材料生长和工艺制备提供了理论依据.