重慶光電技術研究所研制70μm光敏面直徑InGaAs SPAD

  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波長和激光探測的1064nm波段，是主流短波紅外單光子探測器技術方案。為了獲得更好性能，通常采用制冷(-30~-100℃)方式來降低暗計數率。然而，制冷裝置如半導體制冷器(TEC)、熱聲制冷機等，會明顯增加探測系統(tǒng)的體積和功耗，增加系統(tǒng)復雜度。因此，研究In0.53Ga0.47As SPAD的溫度特性，是實現(xiàn)暗計數抑制的重要途徑。

  近期，重慶光電技術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，對暗計數的組成進行了詳細分析，研究了各結構層中載流子在強電場下的溫度特性，并進行了結構優(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時不同過偏壓工作過偏壓(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主要來源于InP倍增區(qū)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。隨著偏壓增大，內部電場增大，隧穿過程占主導。

圖2 暗計數主要來源

  下面分別對DCR的三個主要來源的溫度特性進行分析。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行了優(yōu)化，將本征吸收區(qū)的摻雜濃度控制在1×10?cm?3以下，并通過調節(jié)電荷層使吸收區(qū)的電場強度低于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。通過刻蝕隔離出光敏區(qū)，使得芯片的p，n電極在同一側。共電極設計使得后續(xù)封裝更加方便，器件采用TO封裝、光纖耦合方式。芯片實物圖如圖6所示。

圖6 In0.53Ga0.47As SPAD芯片實物照片

  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。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，反偏電壓為20V時的暗電流從5.8×10?11下降到1.9×10?11，說明室溫下熱激發(fā)載流子是暗電流的主要來源。

圖7 I-V 測試曲線

  搭建了門控模式單光子探測器測試系統(tǒng)，門控工作頻率為1.25GHz，激光器波長為1550nm，通過衰減器獲得平均能量約為0.1個光子的單脈沖信號。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。可知，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

  本文通過仿真計算，分析了In0.53Ga0.47As SPAD器件中暗計數的主要來源，研究了SRH非平衡載流子復合過程、BBT帶間隧穿過程和TAT缺陷輔助隧穿過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一致。同時，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。