低暗计数率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管

通过对InGaAsP/InP单光子雪崩二极管（SPAD）的探测效率、暗计数率等基本特性与该器件的禁带宽度、电场分布、雪崩长度、工作温度等参数之间关系的分析,采用比通常的InxGaAs （x=0.53）材料具有更宽带隙的InxGa1-xAsyP1-y（x=0.78,y=0.47）材料作为光吸收层,并且精确控制InP倍增层的雪崩长度,有效地降低了SPAD的暗计数率。其中InGaAsP材料与InP材料晶格匹配良好,可在InP衬底上外延生长高质量的InGaAsP/InP异质结,InGaAsP材料的带隙为Eg=1.03 eV,截止波长为1.2 m,可满足1.06 m单光子探测需要。同时,通过设计并研制出1.06 m InGaAsP/InP SPAD,对其特性参数进行测试,结果表明,当工作温度为270 K时,探测效率20%下的暗计数率约20 kHz。因此基于时间相关单光子计数技术的该器件可在主动淬灭模式下用于随机到达的光子探测。     

（英）STI埋层的高光电流和低暗计数率单光子雪崩二极管

本文研究和分析了一种0.18-μm 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1-μm 时,SPAD的暗计数率和光电流最佳。此外,直径为10-μm的圆形SPAD器件的暗计数率为208Hz,且在波长为510nm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。     

室温下高探测效率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管

我们描述了一种高性能平面InGaAsP/InP单光子雪崩二极管（SPAD）,该二极管具有单独的吸收、分级、电荷和倍增（SAGCM）异质结构。通过电场调节和缺陷控制,SPAD在293 K的门控模式下工作,光子探测效率（PDE）为70%,暗计数率（DCR）为14.93 kHz,后脉冲概率（APP）为0.89%。此外,在死区时间为200 ns的主动淬灭模式下工作时,室温下实现了12.49%的PDE和72.29 kHz的DCR。     

一种宽光谱响应的双结单光子雪崩二极管

基于180 nm BCD工艺提出了一种新型双结雪崩区的单光子雪崩二极管（SPAD）探测器,采用N阱/高压P阱/N+埋层结构形成了两个垂直堆叠的PN结,高压P阱和N+埋层交界面形成较深的主雪崩区,增强对近红外短波光子的探测概率;同时,N阱/高压P阱之间形成浅的次雪崩区,实现对蓝绿光的高效探测,两结同时工作能够有效扩展器件的光谱响应范围。TCAD仿真结果表明,与传统的P阱/深N阱结构相比,双结SPAD器件在300～940 nm的宽光谱范围内有更高的光子探测概率,在800 nm近红外短波段探测概率达到了20.6%。在3 V过偏压下,暗计数率为0.8 kHz,后脉冲概率为3.2%。     

近红外1550 nm单光子探测器硬件电路设计

针对现有单光子探测器模块价格昂贵和体积大的不足,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,给出了探测器温控模块和偏置电压源的设计电路,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16％,当探测效率为12％时,暗计数率（DCR）约为8．2×10－6／ns。     

高边缘击穿和扩展光谱的圆形单光子雪崩二极管

介绍了一种0. 18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的新型宽光谱荧光相关谱探测器,其为高边缘击穿、扩展光谱和低暗计数率的圆形单光子雪崩二极管(SPAD).该器件由p+/deep n-well结,p-well保护环和多晶硅保护环组成.通过Silvaco TCAD 3D器件仿真,直径为10μm的圆形p+/deep n-well SPAD器件具有较高边缘击穿特性.此外,p+/deep n-well结SPAD比p+/n-well结SPAD具有更长的波长响应和扩展光谱响应范围.该器件在0. 5 V过量偏压下,可在490～775 nm波长范围内实现超过40%的光子探测率.该圆形p+/deep n-well SPAD器件在25℃时具有较好雪崩击穿为15. 14 V,具有较低暗计数率为638 Hz.     

（英）一种新型低暗计数率单光子雪崩二极管的设计与分析

基于0.18 μm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8 μm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.     

用于1 550 nm光子检测的InGaAs/InP 单光子雪崩二极管的温度相关性

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。     

SPAD探测器深n阱保护环宽度对暗计数噪声的影响

为了探究单光子雪崩二极管(SPAD)器件的保护环宽度(W_GR)对暗计数噪声的影响,基于标准180 nm CMOS工艺,设计了以低浓度掺杂深n阱(DNW)为保护环的p阱(PW)/DNW结构,通过实验和TCAD仿真研究了W_GR对暗计数噪声的影响。实验结果表明,当W_GR从1μm增加到2μm时,室温下SPAD器件的暗计数率(DCR)从79 kHz显著减小到17 kHz;当W_GR从2μm增加到3μm时,DCR不再发生明显变化。TCAD仿真揭示了当W_GR从2μm减小到1μm时,保护环区域的电场强度增长较大,导致缺陷辅助隧穿(TAT)效应引起的暗计数显著增加。当W_GR增加到2μm以上时,保护环区域的电场强度不再降低,继续增大W_GR对降低DCR不再有效,反而会导致SPAD器件填充因子减小。因此DNW W_GR为2μm的SPAD器件在具有低暗计数率的同时又有较小的尺寸,有利于高密度阵列的集成。     

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 m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 m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。     

Low Dark Count Single-Photon Avalanche Diode Structure Compatible With Standard Nanometer Scale CMOS Technology

A single-photon avalanche diode structure implemented in a 130-nm imaging process is reported. The device employs a p-well anode, rather than the commonly adopted p$+$, and a novel guard ring compatible with recent scaling trends in standard nanometer scale complementary metal–oxide–semiconductor technologies. The 50-$mu hbox{m} ^{2}$ active area device exhibits a dark count rate of 25 Hz at 20 $^{circ}hbox{C}$ and a photon detection efficiency peak of 28% at 500 nm.      

A CMOS 3-D Imager Based on Single Photon Avalanche Diode

A 64-pixel linear array aimed at 3-D vision applications is implemented in a high-voltage 0.8 mum CMOS technology. The detection of the incident light signals is performed using photodiodes biased above breakdown voltage so that an extremely high sensitivity can be achieved exploiting the intrinsic multiplication effect of the avalanche phenomenon. Each 38times180-mum² pixel includes, besides the single photon avalanche diode, a dedicated read-out circuit for the arrival-time estimation of incident light pulses. To increase the distance measurement resolution a multiple pulse measurement is used, extracting the mean value of the light pulse arrival-time directly in each pixel; this innovative approach dramatically reduces the dead-time of the pixel read-out, allowing a high frame rate imaging to be achieved. The sensor array provides a range map from 2 m to 5 m with a precision better than plusmn0.75% without any external averaging operation. Moreover, with the same chip, we have explored for the first time the implementation of an indirect time-of-flight measurement by operating the proposed active pixel in the photon counting mode     

Low Dark Count Rate and High Single-Photon Detection Efficiency Avalanche Photodiode in Geiger-Mode Operation

An In_0.53Ga_0.47As-InP avalanche photodiode with very low dark current (0.15 pA at 95% breakdown voltage, 200 K) has been characterized in gated mode for single-photon detection. The temperature dependence of dark current and dark count yields activation energy of ~0.4 eV from 240 K to 297 K. High single-photon detection efficiency (SPDE) at telecom wavelengths with very low dark count rate (DCR) (e.g., DCR =12 kHz at SPDE =45% at 1.31 mum and 200 K) was achieved     

单光子雪崩二极管探测系统测试与设计分析

随着在弱光探测量子通讯领域研究的深入,光子探测逐渐成为国内外研究的热点.基于Si单光子雪崩光电二极管探测系统,介绍了系统相关性能参数以及相应的测试方法,对主要结构、性能指标和外界环境条件进行了综合性分析,总结并设计了一套完整的测试平台以及测试手段用于对单光子探测系统主要性能进行测试.测试平台采用主动与被动淬火电路两种方式对样品进行测试,结果表明了其相关参数与外偏置电压的非简单线性关系,与理论推理进行比较验证,并讨论了测试平台的优化方案.     

高精度雪崩光电二极管偏置电源

目前,红外单光子的检测主要是采用工作在盖革模式下的InGaAs雪崩光电二极管（APD）来实现的：APD被偏置到雪崩击穿电压之上,这时APD的倍增因子趋近于无穷大,一个光生载流子将触发一个巨观的雪崩脉冲,供后级电路进行单光子判读。因为APD的倍增因子随偏置电压的增大而急剧增大,在盖革模式下,偏置电压的微小变化,都会导致APD输出特性的极大变化。文中提出了一种采用开关电源和线性稳压电源相结合的高精度APD偏置电源方案,测量电路输出电压为45V时,温度系数为1.1mV/℃,纹波电压为100μV。     

Fully Integrated Single Photon Avalanche Diode Detector in Standard CMOS 0.18- $mu$m Technology

Avalanche photodiodes (APDs) operating in Geiger mode can detect weak optical signals at high speed. The implementation of APD systems in a CMOS technology makes it possible to integrate the photodetector and its peripheral circuits on the same chip. In this paper, we have fabricated APDs of different sizes and their driving circuits in a commercial 0.18-mum CMOS technology. The APDs are theoretically analyzed, measured, and the results are interpreted. Excellent breakdown performance is measured for the 10 and 20 m APDs at 10.2 V. The APD system is compared to the previous implementations in standard CMOS. Our APD has a 5.5% peak probability of detection of a photon at an excess bias of 2 V, and a 30 ns dead time, which is better than the previously reported results.     

一种用于自由运转SPAD的高速淬灭电路设计

针对标准CMOS工艺的单光子雪崩探测器(Single Photon Avalanche Detector,SPAD),设计了 一种可用于自由运转模式的高速淬灭电路.为了实现淬灭电路的功能设计与精准仿真,根据实测的SPAD电流-电压曲线拟合得到了电流与电压间的多段式函数解析式,进一步建立了 SPAD器件的Verilog-A行为级模型并与淬灭电路进行集成仿真与验证.淬灭电路采用基于电容感应的主被动淬灭结构,利用可变MOS电容的延迟电路实现了关断时间(Hold-off Time)的灵活调节.仿真结果表明,所设计淬灭电路的淬灭时间和恢复时间分别为1.0和1.2 ns,关断时间调节范围为1.02～3.55 μs,可以满足自由运转CMOS SPAD的应用需求.     

STI-Bounded Single-Photon Avalanche Diode in a Deep-Submicrometer CMOS Technology

This letter presents a novel and compact CMOS Geiger-mode single-photon avalanche diode (SPAD) device with an efficient guard ring structure for preventing edge breakdown. The new guard ring can withstand considerably higher electric fields than existing structures, and results in pixels which are an order of magnitude smaller and offer a nine-fold increase in fill factor compared with existing SPADs. The device has been studied numerically and experimentally on a 0.18-mum CMOS technology. Due to its small area, the detector can be operated with minimal power dissipation and has been verified to operate reliably over 5times10¹⁰ cycles. This is the first SPAD proven in a deep-submicrometer non-high-voltage technology and as such, provides unique opportunities for improved performance and for on-chip integration of the ultrafast timing circuitry required to translate the SPAD output into meaningful data     

日盲单光子紫外探测器的发展

对于诸如高超音速飞行器的早期探测和预警、以及在日盲紫外波段的应用等非常微弱信号的探测来说,可以光子计数的单光子探测器特别令人感兴趣.雪崩光电二极管( APD)具有高速度、高灵敏度和光学增益大等优点.AlGaN合金易于通过改变摩尔组分来选择截止波长.对于在日盲波段实现单光子灵敏度而言,AlGaN APD是最有希望的半导体器件技术.通过对近年来的国内外相关文献资料的归纳分析,介绍了日盲AlGaN探测器的概念,比较了高超音速飞行器的红外与日盲紫外辐射特征,介绍了基于盖革模式与线性模式APD的日盲紫外单光子探测器的发展动态.