中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
In0.53Ga0.47As雪崩光電二極管單光子探測器（SPAD）的響應波段為短波950~1700nm，覆蓋量子通信使用的1550nm波長(cháng)和激光探測的1064nm波段，是主流短波紅外單光子探測器技術(shù)方案。為了獲得更好性能，通常采用制冷(-30~-100℃)方式來(lái)降低暗計數率。然而，制冷裝置如半導體制冷器（TEC）、熱聲制冷機等，會(huì )明顯增加探測系統的體積和功耗，增加系統復雜度。因此，研究In0.53Ga0.47As SPAD的溫度特性，是實(shí)現暗計數抑制的重要途徑。
近期，重慶光電技術(shù)研究所的研究人員在《半導體光電》期刊上發(fā)表了題為“In0.53Ga0.47As雪崩光電二極管單光子探測器的溫度特性研究”的論文，針對溫度對In0.53Ga0.47As SPAD暗計數的影響，對暗計數的組成進(jìn)行了詳細分析，研究了各結構層中載流子在強電場(chǎng)下的溫度特性，并進(jìn)行了結構優(yōu)化。最后，研制了光敏面直徑為70μm的In0.53Ga0.47As SPAD芯片，并進(jìn)行了性能測試。結果顯示，70μm In0.53Ga0.47As SPAD在室溫下的探測效率為14.2%，暗計數率為88.6kHz，噪聲等效功率為3.82×10?1?W·Hz-1/2，仿真結果與測試結果的擬合曲線(xiàn)一致。
器件結構與仿真分析
器件結構
In0.53Ga0.47As SPAD采用SAGCM結構，即分離的吸收層、漸變層、電荷層和倍增層，如圖1所示。從下往上依次為n?-InP緩沖層、i-InGaAs吸收層、n-InGaAsP漸變層、n-InP電荷層、i-InP倍增層和p?-InP擴散層。
圖1 In0.53Ga0.47As SPAD器件結構
仿真計算
基于半物理仿真模型（Quasi-Physical Model）進(jìn)行單光子探測效率（PDE）和暗計數率（DCR）的數值仿真計算。得到273K時(shí)不同過(guò)偏壓工作過(guò)偏壓（Vob）工作條件下單位面積DCR的仿真結果，如圖2所示。仿真參數中，吸收層摻雜濃度為1×10?cm?3，吸收層厚度為1.5μm，倍增層摻雜濃度為2×101?cm?3，倍增層厚度為1.2μm。從圖中可以看出，In0.53Ga0.47As SPAD的DCR主要來(lái)源于InP倍增區的缺陷輔助隧穿（TAT）載流子、帶間隧穿（BBT）載流子和InGaAs吸收層的SRH熱生載流子。在低過(guò)偏壓下，DCR主要由非平衡載流子復合（SRH）熱生載流子決定。隨著(zhù)偏壓增大，內部電場(chǎng)增大，隧穿過(guò)程占主導。
圖2 暗計數主要來(lái)源
下面分別對DCR的三個(gè)主要來(lái)源的溫度特性進(jìn)行分析。仿真了不同溫度下（295，273，263K）的暗計數情況，如圖3~5所示。
圖3 DCR_SRH InGaAs溫度特性仿真結果
圖4 DCR_TAT InP溫度特性仿真結果
圖5 DCR_BBT InP溫度特性仿真結果
芯片制備
根據InGaAs SPAD的溫度特性，對器件結構和材料制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，將本征吸收區的摻雜濃度控制在1×10?cm?3以下，并通過(guò)調節電荷層使吸收區的電場(chǎng)強度低于20kV/cm，以此減小DCR_SRH暗計數率。利用化合物半導體工藝線(xiàn)制備出光敏面直徑為70μm的In0.53Ga0.47As SPAD芯片，芯片為背照結構。通過(guò)刻蝕隔離出光敏區，使得芯片的p，n電極在同一側。共電極設計使得后續封裝更加方便，器件采用TO封裝、光纖耦合方式。芯片實(shí)物圖如圖6所示。
圖6 In0.53Ga0.47As SPAD芯片實(shí)物照片
性能測試
分別測試了70μm In0.53Ga0.47As SPAD的直流參數和單光子響應特性。
圖7為不同溫度下70μm In0.53Ga0.47As SPAD的I-V曲線(xiàn)。測試采用平均功率為1μW的1550nm激光光源。從測試結果可以看出，隨著(zhù)溫度從295K下降到273K，In0.53Ga0.47As SPAD的擊穿電壓從66.4V下降到64.1V，溫度系數為0.105V/K。同時(shí)，反偏電壓為20V時(shí)的暗電流從5.8×10?11下降到1.9×10?11，說(shuō)明室溫下熱激發(fā)載流子是暗電流的主要來(lái)源。
圖7 I-V 測試曲線(xiàn)
搭建了門(mén)控模式單光子探測器測試系統，門(mén)控工作頻率為1.25GHz，激光器波長(cháng)為1550nm，通過(guò)衰減器獲得平均能量約為0.1個(gè)光子的單脈沖信號。測試了不同溫度下光敏面直徑為70μm的In0.53Ga0.47As SPAD的PDE和DCR，如圖8所示。
圖8 70μm光敏面直徑In0.53Ga0.47As SPAD測試結果與仿真結果對比
從仿真值和測試結果可以看出，數據擬合得很好。增加器件兩端過(guò)偏壓，PDE增大，DCR也隨之增大。室溫下PDE為14.2%，DCR為88.6kHz，NEP值為3.82×10?1?W·Hz-1/2。根據測試結果，提取了不同工作偏壓下的激活能參數，如圖9所示?？芍?，在295~243K溫度范圍內，70μm In0.53Ga0.47As SPAD的激活能擬合值為0.167~0.175eV。激活能越大，說(shuō)明SPAD暗計數受溫度的影響越大。
圖9 70μm光敏面直徑In0.53Ga0.47As SPAD的激活能
結論
本文通過(guò)仿真計算，分析了In0.53Ga0.47As SPAD器件中暗計數的主要來(lái)源，研究了SRH非平衡載流子復合過(guò)程、BBT帶間隧穿過(guò)程和TAT缺陷輔助隧穿過(guò)程中溫度對暗計數的影響。仿真結果表明，在近室溫下，SRH暗計數受溫度的影響最大。在分析基礎上，對器件進(jìn)行了優(yōu)化，并研制了光敏面直徑達70μm的InGaAs SPAD器件。測試結果顯示, 70μm In0.53Ga0.47As SPAD在室溫下的探測效率PDE為14.2%，暗計數率DCR為88.6kHz，仿真結果與測試結果的擬合曲線(xiàn)一致。同時(shí)，估算了NEP值為3.82×10?1?W·Hz-1/2，激活能擬合值為0.167~0.175eV。
