实时激光通信用自由运行InGaAs/InP单光子探测器（特邀）

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(P_ap)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.     

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。     

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。     

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。     

InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管InP顶层掺杂研究

通过理论计算和对比实验研究了InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管中InP顶层掺杂浓度对于器件性能的影响.理论结果显示,InP顶层的掺杂浓度越低越有利于抑制边缘击穿,降低隧穿暗载流子产生速率,提高雪崩击穿几率.实验结果显示,顶层非故意掺杂的器件在223K下获得了20%的单光子探测效率和1kHz的暗计数率,其单光子探测效率比顶层掺杂浓度为5×10~(15)/cm~3的器件高3%~8%,而暗计数率低一个量级.结果表明,降低InP顶层的掺杂浓度有利于提高器件性能.     

多模光纤耦合InGaAsP/InP单光子探测器模块

针对1 064 nm波段高灵敏激光测距应用,设计了一种由单光子雪崩光电二极管(SPAD)、微型热电制冷器(TEC)、主动淬灭主动恢复电路(AQAR)、温控单元、高压单元、FPGA等混合集成的高性能单光子探测器模块.SPAD芯片采用了分离吸收渐变电荷倍增(SAGCM)的InGaAsP/InP材料结构设计,内部电场分布经Matlab软件仿真,结果显示该结构具有良好的增益特性.SPAD芯片通过TEC制冷保持低温工作来降低暗计数以抑制器件的噪声.低延迟AQAR由高速比较器与宽带放大器构成,淬灭时间约为1.2 ns,有效减少了后脉冲效应.测试结果表明,在-30℃,探测效率为30.2％下,暗计数率仅为1.9 kHz,在死时间为0.8μs时,后脉冲为10.4％.通过集成化设计的单光子探测器模块具有探测效率高和暗计数率低的优势,能够满足小型化激光测距应用需求.     

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。     

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。     

（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.     

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.     

Ultra-low dark count InGaAs/InP single photon avalanche diode

A low noise InGaAs/InP single photon avalanche diode (SPAD) is demonstrated. The device is based on planar type separate absorption, grading, charge and multiplication structure. Relying on reasonably designed device structure and low-damage Zn diffusion technology, excellent low-noise performance is achieved. Due to its importance, the physical mechanism of dark count is analyzed through performance characterization at different temperatures. The device can achieve 20% single photon detection efficiency and 320 Hz dark count rate (DCR) with a low after pulsing probability of 0.57% at 233 K.     

Design considerations for 1.06-/spl mu/m InGaAsP-InP Geiger-mode avalanche photodiodes

For Geiger-mode avalanche photodiodes, the two most important performance metrics for most applications are dark count rate (DCR) and photon detection efficiency (PDE). In 1.06-/spl mu/m separate-absorber-avalanche (multiplier) InP-based devices, the primary sources of dark counts are tunneling through defect levels in the InP avalanche region and thermal generation in the InGaAsP absorber region. PDE is the probability that a photon will be absorbed (quantum efficiency) times the probability that the electron-hole pair generated will actually cause an avalanche. A device model based on experimental data that can simultaneously predict DCR and PDE as a function of overbias and temperature is presented. This model has been found useful in predicting changes in performance as various device parameters, such as avalanche layer thickness, are modified. This has led to designs that are capable simultaneously of low DCR and high PDE.     

Design Considerations for 1.06-$mu$m InGaAsP–InP Geiger-Mode Avalanche Photodiodes

For Geiger-mode avalanche photodiodes, the two most important performance metrics for most applications are dark count rate (DCR) and photon detection efficiency (PDE). In 1.06-$muhbox m$separate-absorber-avalanche (multiplier) InP-based devices, the primary sources of dark counts are tunneling through defect levels in the InP avalanche region and thermal generation in the InGaAsP absorber region. PDE is the probability that a photon will be absorbed (quantum efficiency) times the probability that the electron–hole pair generated will actually cause an avalanche. A device model based on experimental data that can simultaneously predict DCR and PDE as a function of overbias and temperature is presented. This model has been found useful in predicting changes in performance as various device parameters, such as avalanche layer thickness, are modified. This has led to designs that are capable simultaneously of low DCR and high PDE.     

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

InGaAs/InP盖革模式雪崩焦平面阵列的研制

设计制作了一种由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与时间计数型CMOS读出电路组成的8×8阵列规格盖革模式雪崩焦平面阵列(GM APD FPA).雪崩光电二极管采用SAGCM结构,在盖革模式下工作具有单光子探测灵敏度;时间计数型CMOS读出电路在每个单元获取光子飞行时间,实现纳秒级的时间分辨率,并完成雪崩淬灭功能.测试结果表明,倒装混合集成的GM APD FPA器件暗计数率(DCR)均值为32.5 kHz,单光子探测效率(PDE)均值为19.5％,单元时间抖动为465 ps,实现了光脉冲时间信息的探测,验证了盖革模式雪崩焦平面阵列技术及其在三维成像中应用的可行性.     

Thermal radiation effect in near infrared single photon detector

<正>Aminiaturized near infrared single photon detector is demonstrated by integrating a thermoelectric cooler(TEC), a thermistor, and a planar type In Ga As/In P separate absorption, charge and multiplication structure single photon avalanche diode into a butterfly case. The performance of the device at different temperatures is tested. It can achieve 20.3% single photon detection efficiency and 1.38 k Hz dark count rate when the chip is cooled to 223 K. The test results show that even when...