具有超晶格雪崩区的电子倍增型雪崩光电二极管

基于碰撞离化理论研究设计了In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48As电子倍增超晶格结构雪崩光电二极管,使用MOCVD外延得到实验片,经过工艺流片后进行封装测试.测试结果显示,具有超晶格雪崩区的电子倍增型APD器件,其暗电流可以控制在纳安级,光电流增益达到140,证明具有超晶格雪崩区的电子倍增型雪崩光电二极管具有很好的光电探测性能.     

In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管的数值模拟研究

建立了SACM型In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管(APD)的分析模型,通过数值研究和理论分析设计出高性能的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As APD。器件设计中,一方面添加了In0.52Al0.48As势垒层来阻挡接触层的少数载流子的扩散,进而减小暗电流的产生;另一方面,雪崩倍增区采用双层掺杂结构设计,优化了器件倍增区的电场梯度分布。最后,利用ATLAS软件较系统地研究并分析了雪崩倍增层、电荷层以及吸收层的掺杂水平和厚度对器件电场分布、击穿电压、IV特性和直流增益的影响。优化后APD的单位增益可以达到0.9 A/W,在工作电压(0.9 Vb)下增益为23.4,工作暗电流也仅是纳安级别(@0.9 Vb)。由于In0.52Al0.48As材料的电子与空穴的碰撞离化率比InP材料的差异更大,因此器件的噪声因子也较低。     

碲镉汞雪崩光电二极管的发展

雪崩光电二极管(APD)工作在足够的反偏下,光生载流子到达耗尽区并诱发放大过程.碲镉汞(MCT)电子和重空穴有效质量之间的非对称性会产生不相等的电子电离系数和空穴电离系数,提供一个由单独一类载流子诱发的碰撞电离过程,从而形成具有包括接近无噪声增益在内的“理想”APD特征的电子雪崩光电二极管(EAPD).对于包括低光子数...     

基于Matlab的APD器件模拟

为了迅速了解雪崩光电二极管(APD)的特性以确保量子保密通信系统的质量,在适当的假设前提下,依据经验公式并借助于Matlab的矩阵运算功能计算吸收渐变电荷倍增分离型雪崩光电二极管(SAGCM APD)的电场分布,然后以此得出电子、空穴倍增系数,最后再利用这些系数及传递函数计算出SAGCM APD的增益-电压特性及频率响应特性,模拟的结果较好地与实验结果一致。     

雪崩光探测器的研究新进展

光探测器（PD）是光通信系统的核心器件。现有的通信用PD包括PIN—PD和雪崩光探测器（Avalanche photodetector,APD）。PIN—PD即使在最大响应度的条件下,一个光子最多也只能产生一个电子一空穴对,是一种无内部增益的器件;APD对光电流的放大作用是基于电离碰撞效应：在高反向电场的作用下．被加速的初始电子或空穴获得足够的能量,能够使晶格离化。     

多级倍增超晶格InGaAs雪崩光电二级管的增益-噪声特性

重点研究了多级倍增超晶格InGaAs雪崩光电二级管(APD)的增益和过剩噪声,建立了新的载流子增益-过剩噪声模型。在常规弛豫空间理论基础上分析了其工作原理,考虑了预加热电场和能带阶跃带来的初始能量效应、电子进入高场倍增区时异质结边界附近的弛豫空间长度修正以及声子散射对碰撞离化系数的影响,提出了用于指导该类APD的增益-过剩噪声计算的修正弛豫空间理论。结果表明:在相同条件下,相比于常规的单层倍增SAGCM结构,多级倍增超晶格InGaAs APD同时具有更高增益和更低噪声,且修正的弛豫空间理论可被推广到更多级倍增的超晶格InGaAs APD结构,在保证低噪声前提下,通过增加倍增级数可提高增益。     

InGaAs/InAlAs雪崩光电二极管仿真设计

设计了一种InGaAs/InALAs雪崩光电二极管(APD),并利用MEDICI软件进行了模拟仿真.器件采用背入射探测方式.雪崩增益区采用埋层设汁,省略了保护环等结构;并使用双层掺杂,有效降低了增益区电场的梯度变化.由于结构简单,因此仪需要利用分子束外延(MBE)生长精确控制每层结构即可.由于InAlAs材料的空穴与电子的离化率有较大的筹异,因此器件具有较低的噪声因子.     

GaN基雪崩光电二极管及其研究进展

越来越多的民用与军事对高灵敏度紫外探测的需求促进了GaN基雪崩光电二极管（APD）的快速发展。雪崩光电二极管工作在高反偏电压状态,器件内部载流子在高场下发生碰撞离化,从而使探测信号产生增益。首先对GaN基雪崩光电二极管的研究进展进行了回顾,然后重点报道了器件的增益最大可达3105,介绍了本征层厚度与器件暗电流的关系,简单介绍了正在组建的基于相敏探测的交流增益测试系统,并研究了过剩噪声与调制频率之间的关系,发现在低频波段（30~2kHz）,过剩噪声呈现1/f噪声特性。最后,对盖革模式的雪崩光电二极管的研究进展及应用前景进行了简单介绍。     

超晶格雪崩光电二极管

已经提出了几种可以提高载流子离化率比的超晶格雪崩光电管:量子阱雪崩光电管、台阶型雪崩光电管和掺杂量子阱雪崩光电管。这几种器件都主要是利用异质界面带隙突变导致的电子离化几率相对于空穴离化几率的显著增大,从而可以获得低的雪崩噪声和高的增益—带宽乘积。本文概述了这几种器件的结构、工作原理以及结构参量对器件性能的影响。     

集成化高速APD的研究进展

理论分析了降低雪崩光电二极管(APD)噪声、提高其增益及带宽的一般方法。面向APD综合响应度与带宽之间存在的固有矛盾问题,提出了采用三维纳米化技术降低APD的噪声,以及采用集成光学技术提高APD的响应度的解决方案。在此基础上,从表面等离基元聚光结构与垂直光入射型APD的混合集成、超透镜与垂直光入射型APD的混合集成,以及阵列波导光栅(AWG)与光侧入射倏逝波耦合波导(EC)APD的单片集成等三个方面,综述了集成化高速APD的研究进展,对该领域的发展趋势进行了展望。     

电子倍增型GaAs光阴极实验研究

电子倍增型GaAs光阴极是利用雪崩倍增效应的一种新型光阴极组件,通过在常规GaAs光阴极中引入雪崩电子倍增层制备了GaAs光阴极/电子倍增器一体化组件,研究了该组件的热清洗温度、电子增益等性能.对组件热清洗工艺前后的I-V特性进行了对比测试,结果表明,该组件可以承受580℃的热清洗温度,并获得了12.6倍的电子增益;880nm处的探测灵敏度≥3.87mA/w;暗电流密度≤6.79×10^-5mA/cm².     

p型接触界面氧影响SiC APD暗电流的机制研究

SiC雪崩光电二极管(APD)作为一种微弱紫外光探测器件，高探测灵敏度对器件暗电流水平提出极高要求。在SiC APD复杂的制备过程中，器件暗电流是极其敏感的，为了探索工艺中暗电流的影响因素并分析其机制，对四种不同工艺条件下制备的SiC APD进行对照分析，通过电流-电压曲线展现器件的输出特性，并结合扫描电子显微镜(SEM)来研究相关界面的表面特性，从而揭示漏电机制。研究表明，器件制备过程中界面氧的引入在高温退火过程中会诱导金属-半导体界面缺陷的形成，从而导致暗电流的急剧增加，这种缺陷的诱导机制还和p型接触金属密切相关。在器件制备过程中，在氧等离子体去胶等可能引入氧氛围的工艺步骤后，对外延片进行氢氟酸腐蚀以去除氧氛围能够有效降低器件的暗电流。     

超晶格雪崩光电二极管的结构优化及性能研究

基于碰撞离化理论研究了异质材料超晶格结构对载流子离化率的作用,设计得到In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As超晶格结构的雪崩光电二极管。通过分析不同结构参数对器件性能的影响,得到了低隧道电流、高倍增因子的超晶格结构雪崩层,根据电场分布方程模拟了器件二维电场分布对电荷层厚度及掺杂的依赖关系,并优化了吸收层的结构参数。对优化得到的器件结构进行仿真并实际制作了探测器件,进行光电特性测试,与同结构普通雪崩光电二极管相比,超晶格雪崩光电二极管具有更强的光电流响应,在12.5~20 V的雪崩倍增区,超晶格雪崩光电二极管在具备高倍增因子的同时具有较低的暗电流,提高了器件的信噪比。     

一种基于0.18 μm CMOS工艺的高响应度

设计了一种基于0.18 μm CMOS工艺的高响应度雪崩光电二极管(APD)。该APD采用标准0.18μm CMOS工艺,设计了两个P+/N阱型pn节,形成两个雪崩区以产生雪崩倍增电流。雪崩区两侧使用STI(浅沟道隔离)结构形成保护环,有效地抑制了APD的边缘击穿;并且新增加一个深N阱结构,使载流子在扩散到衬底之前被大量吸收,屏蔽了衬底吸收载流子产生的噪声,用以提高器件的响应度。通过理论分析,确定本文所设计的CMOS-APD器件光窗口面积为10 μm×10 μm,并得到了器件其他的结构和工艺参数。仿真结果表明:APD工作在480 nm波长的光照时,量子效率达到最高90%以上。在加反向偏压-15 V时,雪崩增益为72,此时响应度可达到2.96 A/W,3 dB带宽为4.8 GHz。     

Ge/Si SACM-APD器件分析

Ge/Si吸收区-电荷区-倍增区分离(SACM)结构的APD作为一种新型光电探测器已成为硅基APD器件研究的重点.对SACM Ge/Si型APD器件的基本结构及其主要特性参数,包括量子效率、响应度、暗电流等进行了理论分析及仿真验证.实验结果表明:在给定的器件参数条件下,所设计的APD器件的雪崩击穿电压为25.7 V,最大内部量子效率为91%,单位增益下响应度峰值为0.55 A/W,在750~1 500 nm范围内具有较高响应度,其峰值波长为1 050 nm;在高偏压以及高光照强度情况下,倍增区发生空间电荷效应从而导致增益降低.     

雪崩光电二极管过剩噪声的测量和抑制方法

雪崩光电二极管(APD)因为其高灵敏度和高增益带宽的优势已被广泛应用在高比特率、远程光纤通信系统中,而雪崩过程中产生的过剩噪声直接影响到APD的信噪比,因此,研究过剩噪声对APD性能的提升具有重要意义.目前,国内外测试雪崩光电二极管过剩噪声的方法主要有直接功率测量法和相敏探测法,本文对这两种测试方法和其优缺点进行了分析...     

碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器(特邀)

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...     

雪崩光电探测器的击穿效应模型分析

基于CMOS工艺制备了空穴触发的Si基雪崩探测器(APD),基于不同工作温度下器件的击穿特性,建立空穴触发的雪崩器件的击穿效应模型。根据雪崩击穿模型和击穿电压测试结果,拟合曲线得到击穿电场与温度的关系参数(dE/dT),器件在250～320 K区间内,击穿电压与温度是正温度系数,器件发生雪崩击穿为主,dV/dT=23.3 mV/K,其值是由倍增区宽度以及载流子碰撞电离系数决定的。在50～140 K工作温度下,击穿电压是负温度系数,器件发生隧道击穿,dV/dT=-58.2 mV/K,其值主要受雪崩区电场的空间延伸和峰值电场两方面因素的影响。     

吸收层与倍增层分离的4H-SiC雪崩光电探测器

设计和制备了吸收层和倍增层分开的4H-SiC穿通型雪崩紫外光电探测器.设计器件的倍增层和吸收层厚度分别为0.25和1μm.采用multiple junction termination extension(MJTE)方法减少器件的电流集边效应和器件表面电场.对器件的暗电流、光电流和光谱响应进行了测量.器件在55V的低击穿电压下获得了一个高的增益(＞104);穿通前器件暗电流约为10pA数量级;0V偏压下器件光谱响应的紫外可见比大于103.光谱响应的峰值波长随反向偏压的增大而向短波方向移动,在击穿电压附近光谱响应的峰值波长移到210nm,此波长远远小于在0V时的响应峰值.结果显示器件在紫外光探测中具有优良的性能.     

基于0.35 μm高压CMOS工艺的横向线性雪崩光电二极管

提出了一种基于0.35 μm高压CMOS工艺的线性雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）。APD采用了横向分布的吸收区-电荷区-倍增区分离（Separate Absorption, Charge and Multiplication, SACM）的结构设计。横向SACM结构采用了高压CMOS工艺层中的DNTUB层、DPTUB层、Pi层和SPTUB层,并不需要任何工艺修改,这极大的提高了APD单片集成设计和制造的自由度。测试结果表明,横向SACM线性APD的击穿电压约为114.7 V。在增益M = 10和M = 50时,暗电流分别约为15 nA和66 nA。有效响应波长范围为450 ~ 1050 nm。当反向偏置电压为20 V,即M = 1时,峰值响应波长约为775 nm。当单位增益 （M = 1） 时,在532 nm处的响应度约为最大值的一半。