空穴主导雪崩倍增的短波长SiC紫外单光子探测器

制备并分析了SiC nip雪崩光电二极管（APDs）雪崩倍增的物理机制。与280 nm紫外光相比，在240 nm紫外光入射时，SiC nip APD表现出更高的增益和更大的单光子探测效率。在240 nm紫外光入射时，SiC nip APD表现为空穴主导碰撞离化过程，随着入射光波长增加到280 nm，电子和空穴共同主导碰撞离化过程。由于SiC中空穴的碰撞离化系数大于电子，空穴主导的碰撞离化过程将具有更大的光子雪崩概率和更高的增益。因此，得益于空穴主导雪崩倍增过程，SiC nip APD更适用于短波长紫外光探测。     

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。     

光通信基础知识(十二)

雪崩光电二极管和普通光电二极管的区别在于:雪崩光电二极管有内部电流增益,而普通的光电二极管(包括pin光电二极管)是没有内部电流增益的。雪崩光电二极管又叫APD管,APD是英文Avalanche Photo diode的缩写。对于一般的光电二极管来说,一个入射光子最多只能产生一个光电子(或光生电子-空穴对);但对于APD管来说,入射一个光子,可以产生10个到100个电子,所得到的光电流也大大地相应增加。对于长距离的光通信系统来说,使用APD管无疑是很有好处的。雪崩光电二极管的内部电流增益是怎样产生的呢?我们知道,在反向偏置二极管的     

“楼梯式”固体光电倍增器和雪崩光电二极管

一种旨在增加电离率之比的新型雪崩光电二极管结构近来尤为引人注目。论证了超晶格和缓变带隙、且α/β≈10的APD。提出了具有单一载流子(电子)倍增的两种新颖结构。图1示出了其中一种结构,名曰“楼梯式”APD结构,它由许多缓变带隙能级组成。当空穴不参与倍增时,这是因为价带不连续性构成了空穴难于逾越的势垒,同时偏置电场又太小,以至远离导带台阶的空穴不能电     

几种新型雪崩光电二极管

简要介绍了近期报导的多级雪崩光电二极管、电子和空穴分区电离雪崩光电二极管及超晶格雪崩光电二极管的结构、工作原理及有关结果.     

MBE生长的PIN结构碲镉汞红外雪崩光电二极管

对中波红外碲镉汞雪崩光电二极管(APD)特性进行理论计算,获得材料的能量散射因子及电离阈值能级与材料特性的相互关系,从而计算器件的理论雪崩增益与击穿电压.通过对材料特性(组分,外延厚度,掺杂浓度等)的优化,设计并生长了适合制备PIN结构红外雪崩光电二极管的碲镉汞材料,并进行了器件验证.结果显示,在10V反偏电压下,该器件电流增益可达335.     

HgCdTe电子雪崩光电二极管

用短波红外至长波红外HgCdTe制作的电子注入雪崩光电二极管所呈现的增益和过量噪声特性表现出一种单个致电离载流子的增益过程。结果形成一种具有"理想"特性的电子雪崩光电二极管,这些理想特性包括几乎无噪声的增益。本文报导在研制长波、中波和短波截止红外Hg_(1-x)Cd_xTe电子雪崩光电二极管方面所取得的成果。这些器件采用p围绕n、正面照射和n /n-/p的圆柱形几何结构,这样的几何结构便于电子注入增益区。这些器件具有一种均匀的指数式增益电压特征,这与k=α_n/α_e为零的空穴与电子电离系数比是一致的。在中波红外电子雪崩光电二极管中已测得大于1000的增益,而且没有任何雪崩击穿的迹象。在中波红外和短波红外电子雪崩光电二极管上测得的过量噪声结果表明,在高增益处有一个与增益无关的过量噪声系数,其极限值小于2。在77K温度处,截止波长为4.3μm的器件在增益为1000以上时呈现出接近1的过量噪声系数。在室温下,短波红外电子雪崩光电二极管仍与k=0效果保持一致,其过量噪声系数与增益无关,接近小于2的极限值。k=0效果可用HgCdTe的能带结构来解释。基于HgCdTe能带结构的蒙特卡罗模型和HgCdTe的散射模型预计了测得的增益和过量噪声特性。当一个中波红外雪崩光电二极管的工作温度为77K时,在10ns脉冲信号的964增益处测得的7.5光子的噪声等效输入说明了HgCdTe电子雪崩光电二极管的性能。     

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...     

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。     

4H-SiC p-n结基于精确碰撞电离模型的雪崩倍增因子研究

雪崩倍增效应是4H-SiC雪崩光电二极管、功率半导体器件等器件的关键机理。作为其中最重要的物理参数，雪崩倍增因子(M)的精确解析表达式目前未见报道。文章提出4H-SiC p-n结M的精确计算方法及其解析表达式。基于更准确的碰撞电离模型，通过MATLAB对4H-SiC单边突变结(p⁺-n)电子和空穴的碰撞电离积分(I)进行精确的数值计算，给出击穿电压(BV)随掺杂浓度的经验表达式，进一步提出电离积分随外加电压及掺杂浓度的拟合表达式。此外，对外加电压接近BV的情形进行细致的相对误差分析，表明电子电离积分受电场影响显著。对于雪崩光电二极管及功率器件较宽的BV范围，所提出的拟合表达式在外加反向偏压大于0.65BV时具有较高的精确度(相对误差小于5%)。     

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.     

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.     

High gain-bandwidth product Ge/Si tunneling avalanche photodiode with high-frequency tunneling effect

This study presents a theoretical investigation of a novel Ge/Si tunneling avalanche photodiode (TAPD) with an ultra-thin barrier layer between the absorption and p⁺ contact layer. A high-frequency tunneling effect is introduced into the structure of the barrier layer to increase the high-frequency response when frequency is larger than 0.1 GHz, and the -3 dB bandwidth of the device increases evidently. The results demonstrate that the avalanche gain and -3 dB bandwidth of the TAPD can be influenced by the thickness and bandgap of the barrier layer. When the barrier thickness is 2 nm and the bandgap is 4.5 eV, the avalanche gain loss is negligible and the gain-bandwidth product of the TAPD is 286 GHz, which is 18% higher than that of an avalanche photodiode without a barrier layer. The total noise in the TAPD was an order of magnitude smaller than that in APD without barrier layer.     

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.     

单光子雪崩二极管猝熄电路的发展

单光子雪崩二极管(SPAD)是工作在击穿电压上的雪崩光电二极管(APD).对于极弱光学信号的探测,例如超高音速飞行器早期预警的应用,SPAD可能是理想的探测器选择.SPAD必须与猝熄电路配套工作.基于pn结等效电路模型,分析了适用于SPAD雪崩猝熄的基本电路结构,例如被动、主动以及混合猝熄电路等.对于SPAD器件测试和...     

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。     

硅基线性模式APD焦平面研制

针对三维激光雷达的应用场景对雪崩光电二极管(APD)焦平面的性能要求,研究并制备了一种2×128硅基线性模式APD焦平面组件,它由硅基APD焦平面阵列、读出电路和制冷封装管壳组成。APD像元采用拉通型结构,通过大尺寸微透镜实现了高填充因子,通过隔离环掺杂实现了串扰抑制。通过离子注入工艺实现了击穿电压和响应电流的均匀性。设计大带宽低噪声跨阻放大电路、高精度计时电路,实现了窄脉宽、高灵敏度探测。采用气密性封装,实现了APD焦平面制冷一体化封装,制冷温差在40 K以上。测试结果表明,焦平面的探测阈值光功率可达3.24 nW,响应非均匀性为3.8%,串扰为0.14%,最小时间分辨率可达0.25 ns,实现了强度信息与时间信息同时输出的功能。     

APD单光子探测的电路设计

在气体分析领域,由于分子密度的减小,拉曼技术很难获得足够强的信号,为提高检测灵敏度,利用雪崩光电二极管设计了单光子探测器,来检测微弱的拉曼光。系统围绕APD设计了三个主要模块：偏置/测试电源、温控模块、信号调理。测试了系统的暗计数率,并用标准气校验了系统的准确度。实验结果表明：标准差最大为0.905,按总量程计算可得重复性相对偏差为0.905%,而非线性误差取最大引用误差0.13%。其多次测量结果的线性度很好,能够用于线性检测。     

用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计

雪崩光电二极管（APD）作为探测元件实现光电转换广泛应用于激光脉冲探测技术中。前置放大器是影响APD激光脉冲探测系统好坏的关键因素,前置放大器的信噪比决定了整个探测系统的信噪比优劣。提出了电荷灵敏前置放大器应用于APD激光脉冲探测系统以提高探测距离和探测精度的方法。讨论了激光脉冲探测技术和APD特性,在此基础上设计了以结型场效应管和集成运放为主要器件的低噪声电荷灵敏前置放大器电路并对设计电路进行了实验分析。实验结果表明：将电荷灵敏前置放大器应用于APD激光脉冲探测系统可以有效提高系统的信噪比,改善激光探测性能。     

The HgCdTe electron avalanche photodiode

Electron injection avalanche photodiodes in short-wave infrared (SWIR) to long-wave infrared (LWIR) HgCdTe show gain and excess noise properties indicative of a single ionizing carrier gain process. The result is an electron avalanche photodiode (EAPD) with “ideal” APD characteristics including near noiseless gain. This paper reports results obtained on long-, mid-, and short-wave cutoff infrared Hg_1−xCd_xTe EAPDs (10 μm, 5 μm, and 2.2 μm) that use a cylindrical “p-around-n” front side illuminated n+/n-/p geometry that favors electron injection into the gain region. These devices are characterized by a uniform, exponential, gain voltage characteristic that is consistent with a hole-to-electron ionization coefficient ratio, k=α_h/α_e, of zero. Gains of greater than 1,000 have been measured in MWIR EAPDS without any sign of avalanche breakdown. Excess noise measurements on midwave infrared (MWIR) and SWIR EAPDs show a gain independent excess noise factor at high gains that has a limiting value less than 2. At 77 K, 4.3-μm cutoff devices show excess noise factors of close to unity out to gains of 1,000. A noise equivalent input of 7.5 photons at a 10-ns pulsed signal gain of 964 measured on an MWIR APD at 77 K provides an indication of the capability of this new device. The excess noise factor at room temperature on SWIR EAPDs, while still consistent with the k=0 operation, approaches a gain independent limiting value of just under 2 because of electron-phonon interactions expected at room temperature. The k=0 operation is explained by the band structure of the HgCdTe. Monte Carlo modeling based on the band structure and scattering models for HgCdTe predict the measured gain and excess noise behavior.