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国内外短波红外单光子探测器发展现状(一)

发表时间:2023-05-18 09:00作者:海丰汇小丰

工作在通讯波段1 310 nm 和1 550 nm 波段的InP/InGaAs短波红外单光子探测器(SPAD),在光纤通讯、激光雷达、量子保密通讯等技术领域具有广泛的应用需求。其是目前制备技术较为成熟且获得广泛应用的单光子探测器,通过半导体热电制冷(TEC) 即可达到的工作温度(−40 ℃ 左右),具有体积小、成本低,方便安装和携带的应用优势;另外,基于常规半导体二极管的芯片制造工艺很容易实现大面阵单光子阵列,除了探测信号,还具备三维数字成像功能。

下面以两个篇章详细介绍世界各国短波红外单光子探测器的发展状况。

▍主要性能指标

探测效率

探测效率是光电探测器的重要指标,表征了器件的光电探测能力。

该效率是几个效率的乘积,包括量子效率、空穴被注入到倍增区的概率、空穴在倍增层触发雪崩的概率、雪崩被探测到的概率,因此,提高器件的量子效率可提高探测效率。

暗计数率

暗计数率也是探测器的一个重要性能指标,器件在工作时,希望探测效率高的同时暗计数尽可能低。

暗计数率是器件在没有光照条件下,单位时间内器件内部触发雪崩的次数,是一个统计平均值,表征SPAD的基本噪声。

暗计数主要来源于In0.53Ga0.47As 窄带隙吸收区材料热激发及InP 倍增层里的遂穿,为了减少由热激发带来的暗计数,将SPAD 降温是一种有效的方法。暗计数的另一主要来源是倍增层里的隧穿,这主要是器件内部有源区高电场造成的,电场的不均匀、局部电场高也会引起场致隧穿或缺陷辅助隧穿,所以选择最佳的工艺条件使有源区电场更均匀,减少材料缺陷也是降低暗计数可行的方法。

工作温度

InP/InGaAs SPAD 需要在低温(约230 K) 下工作,以降低暗计数率,但在低温时SPAD 后脉冲大。若器件在室温条件下能保持可接受的暗计数率和探测效率,对抑制后脉冲、提高计数率具有显著的优势。工作温度为室温或接近室温(如零度以上,通过一级TEC 很容易实现) 被视为高温工作条件,有别于常规制冷单光子探测器,高温工作的单光子探测器需要对暗计数进行特别的抑制。

计数率

InP/InGaAs SPAD 向高计数率发展面临的一个关键问题是死时间不断变短带来的后脉冲概率增大。通过采用正弦门、自差分等技术目前实现了GHz 的高速SPAD。

▍探测效率的性能改进

表1 近 10 年报道的高探测效率 InP/InGaAs SPAD 的性能汇总

2012 年,米兰理工大学报道了在原有的SAGCM 结构顶部加上针对1 550 nm光子优化的200 nm SiNx 抗反射涂层,以减少光子的反射,提高量子效率。该SPAD 在5 V 过偏压下,200 K时,不同波长的光与探测效率关系如图1 所示,对于1 550 nm 波长的光探测效率>25%,对于1 000 nm 的光探测效率为40%。

图1 米兰理工大学 SPAD 探测效率与波长的关系


2020 年,中国科学技术大学制备了平面背入射式SPAD,通过增加介电-金属反射层,使入射光子的吸收效率相对提高20%。在1.25 GHz 正弦波门控和不同正弦门峰峰值条件下测试了暗计数率和探测效率随温度的变化关系,测试结果如图2所示,其中门高峰峰值为10.5 V,工作温度为253 K 时,SPAD 的探测效率约40 %,暗计数率为 14.5 kHz (归一化)。

图2 中国科学技术大学 1.25 G 正弦门控,不同温度、不同峰峰值条件下探测效率与暗计数的关系


2022 年, 中国科学技术大学提出在p+掺杂InP 接触层上增加由金属层和三个周期的SiO2/TiO2布拉格反射镜组成的增强反射结构,如图3所示,同时采用了微透镜的结构,对12 μm 有源区和1.1 μm吸收层厚度的SPAD 吸收效率提高了58%。在233 K温度下, 门控频率为50 MHz 时, 探测效率分别为10%、20% 和30%, 对应的归一化暗计数率分别为127 Hz、361 Hz 和665 Hz。

图3 中国科学技术大学金属层和三个周期的 SiO2/TiO2 布拉格反射镜组成的增强反射结构

▍暗计数率的性能改进

2014 年,米兰理工大学报道了使用以二甲基锌作为锌源的金属有机化学气相沉积反应器扩散锌,通过改进锌扩散条件,获得均匀的雪崩电场,与之前的SPAD 相比,提高了探测效率同时降低了器件噪声,实验结果如图4 所示。有源区直径为25 μm 的SPAD,对于1 550 nm 的光,在门控模式、5 V 过偏压,温度为225 K 时,探测效率为28%,暗计数率只有几kHz。

图4 温度为 225 K,2014 年米兰理工大学研制的 SPAD 性能对比,相同探测效率暗计数率显著降低


2021 年,米兰理工大学基于之前的实验数据及模拟数据,进一步优化改进器件结构,保持InP 帽层厚度不变,而锌扩散深度较浅,使倍增区域较厚,击穿时具有较低电场,减少场增强载流子的产生;增加电荷层中的电荷,减少来自吸收区场增强产生的暗计数率,在InGaAs 吸收区中实现较低的电场,整体改善雪崩二极管暗计数率。对于10、25 μm 的InP/InGaAs SPAD, 5 V 过偏压、温度为225 K 时,在门控模式下暗计数率分别约为1、4 kHz;而10 μm 的SPAD, 在175 K 温度下暗计数率降低到几十Hz。不同温度下暗计数率与过偏压的关系如图5 所示。


图5 2021 年,米兰理工大学直径为 25 μm (a)、10 μm (b) SPAD 不同温度下的过偏压与暗计数的关系


2017 年,重庆光电技术研究所基于InP 顶层的掺杂浓度越低越有利于抑制边缘击穿,降低隧穿暗载流子的产生速率,提高雪崩击穿几率的理论计算结果,制造了InP 顶层为非故意掺杂层的SPAD,在223 K下获得了20% 的单光子探测效率和1 kHz 的暗计数率,其探测效率比顶层掺杂浓度为5×1015/cm3 的SPAD高3%~8%,而暗计数率低一个量级,两种设计的SPAD温度与暗计数的关系如图6 所示。

图6 重庆光电技术研究所温度与暗计数率关系


2021 年,云南大学通过优化材料结构、材料质量和器件工艺,制备了有源区直径为12 μm 的InP/InGaAs SPAD,通过电容平衡和双脉冲雪崩信号提取的门控淬灭方进行性能测试,门控频率为1 MHz,门高5 V,1 550 nm 激光的重复频率为500 kHz,每脉冲1 个光子,工作温度233 K,测得探测效率为35.7%,暗计数率为3.3 kHz。


2022 年,中国科学院半导体研究所采用两步同心闭管扩散方法使二极管中心区域的p-n 结比外部区域更深,制备了无保护环结构的SPAD。扩散时气压为5×10−4 Pa,扩散温度为550 ℃,两次扩散时间分别为30 min 和8 min,器件中心和外围的p-n 结深度分别为2.5 μm 和1.8 μm。该有源区直径为25 μm 的SPAD样品器件在门控模式下,探测效率、暗计数与过偏压的关系如图7 所示,图中过偏压为3 V 时,探测效率为25.72%,暗计数率为9.09 kHz。

图7 中国科学院半导体研究所研制的 SPAD 探测效率、暗计数率与过偏压的关系


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