基于InGaAs（P）/InP APD的单光子探测器的研制和性能研究
发布时间：2021-06-13 01:39
单光子探测器是目前量子信息领域、激光雷达和生物医学等领域的关键器件。基于InGaAs（P）/InP雪崩光电二极管（APD）的单光子探测器适用于近红外波段,制冷要求低,响应速度快,体积小巧,光纤与器件耦合较容易,实用性较强。然而,相对于超导纳米线等性能更高的探测器以及用于可见光波段探测的光电倍增管和SiAPD,基于InGaAs（P）/InPAPD的单光子探测器的主要缺点在于其探测效率相对偏低,后脉冲概率较大。单光子探测器常用于量子通信、激光雷达、荧光寿命分析等应用,不同应用对探测器的性能和工作条件要求差别较大,且其各项性能指标受外部参数影响较大。研究单光子探测器的性能与其工作模式和参数的关系,特别是后脉冲效应与各参数的关系,针对不同应用系统研究不同侧重点的单光子探测技术,具有重要的研究意义和应用价值。本论文研制了基于InGaAs（P）/InPAPD的近红外自由运转单光子探测器和门控单光子探测器,对其性能的测试方法和影响因素进行了研究,重点针对后脉冲效应进行了深入研究,并在激光测距系统应用中比较了两种探测器的性能及其对系统性能的影响。主要的研究内容如下:1.综合现有猝灭恢复电路的优点,设计...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：169 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．１?—般ＡＰＤ结构??而，子用ＡＰＤ益１０６，因此一些
区场强较高网；二是大幅增加了倍增区的厚度，以提供足够的雪崩增益，增大可用??的过偏压范围，降低暗计数发生的概率ｌ４Ｇ＇４８］。优化后的ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＰＡＰＤ采用分??离吸收渐变电荷倍增层（ＳＡＧＣＭ）结构，其结构和电场分布如图２．２所示抑，４３］。??吸收层部分采用非故意掺杂的材料且通常较厚（大于１?Ｍｍ），以获得和ＰＩＮ探测器??相似的高量子效率。倍增层与吸收层间的四元ＩｎＧａＡｓＰ过渡层可减少ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）和??ＩｎＰ界面处价带的不连续性，减小空穴被俘获的可能，有助于空穴向倍增层的注入。??过渡层与倍增层间加入的电荷层用于调控倍增层和吸收层的相对电场强度分布，??使吸收层的场强较小以减少因带间隧穿导致的暗载流子，且在工作温度范围内完??全耗尽，而倍增层的场强较大以获得足够大的雪崩增益。倍增层为未掺杂的ＩｎＰ，??厚度一般较大（＞１?Ｍｍ）以降低暗计数，且该层材料的生长质量与后脉冲效应的大??小密切相关。与倍增层相邻的ｐ＋区采用二次扩散工艺，降低了边缘提前击穿发生??的可能。［４０
设计了相应电路。上述电路的直流偏置电压（高压）Ｒ均施加于阴极，??猝灭控制均在阳极。??首先，设计了如图３．１所示的电路，尝试于阳极对雪崩进行直流耦合提取。阳??极提取的优势明显：雪崩建立时阳极电压上升，与阳极猝灭时所需电压变化的方向??相同，恢复ＡＰＤ时则是使阳极电压下降，但提取电路后续信号处理只对ＡＰＤ输??出信号的上升沿敏感，理论上偏压控制电路对阳极电压的操控不会导致提取电路??误动作。为了获得最快的猝灭速度，对多种比较器进行甄选，最后选用的比较器为??ＡＤＰＣＭ５７２。该比较器为ＳｉＧｅ异质结集成电路，响应速度极快，传输延迟仅１５０??ｐｓ，但其高速的代价是其最大输入电压仅３．１?Ｖ?（Ｖｃｃｉ＝５．２Ｖ时）。采用阳极直流??耦合提取时，如此小的输入电压范围将直接限制ＡＰＤ可用的过偏压范围（即３．１??Ｖ）。该比较器同相输入端ＶＰ与同相输入端接端ＶＴＰ之间内置５０Ｑ电阻
【参考文献】：
期刊论文
[1]InGaAs/InP盖革模式雪崩焦平面阵列的研制[J]. 张秀川,蒋利群,高新江,陈伟,奚水清,姚科明,兰逸君,卢杰. 半导体光电. 2015(03)
[2]基于FPGA的全数字化峰值时刻检测技术[J]. 王飞. 电子测量与仪器学报. 2015(06)
[3]Afterpulsing characteristics of InGaAs/InP single photon avalanche diodes[J]. 马海强,杨建会,韦克金,李瑞雪,朱武. Chinese Physics B. 2014(12)
[4]InGaAs单光子探测器传感检测与淬灭方式[J]. 郑丽霞,吴金,张秀川,涂君虹,孙伟锋,高新江. 物理学报. 2014(10)
[5]Active quenching circuit for a InGaAs single-photon avalanche diode[J]. 郑丽霞,吴金,时龙兴,奚水清,刘斯扬,孙伟锋. Journal of Semiconductors. 2014(04)
[6]基于1.5GHz多次谐波超短脉冲门控InGaAs/InP雪崩光电二极管的近红外单光子探测技术研究[J]. 黄建华,吴光,曾和平. 光学学报. 2014(02)
[7]米散射激光雷达重叠因子及全程回波信号标定技术研究[J]. 狄慧鸽,华灯鑫,王玉峰,闫庆. 物理学报. 2013(09)
[8]基于高速伪随机码调制和光子计数激光测距技术[J]. 杨芳,张鑫,贺岩,陈卫标. 中国激光. 2013(02)
[9]用于高速量子密码系统的1.25 GHz InGaAs/InP单光子探测器的研制[J]. 梁晓磊,蒋文浩,刘建宏,张军,陈增兵,金革. 中国激光. 2012(08)
[10]盖革模式雪崩光电二极管激光雷达累积探测性能的研究[J]. 徐璐,张宇,张勇,赵远. 中国激光. 2012(04)
博士论文
[1]1.5μm单光子探测器在激光遥感中的应用[D]. 上官明佳.中国科学技术大学 2017
[2]InGaAs/InP单光子雪崩光电二级管的制备及研究[D]. 曾巧玉.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
本文编号：3226725
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：169 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．１?—般ＡＰＤ结构??而，子用ＡＰＤ益１０６，因此一些
区场强较高网；二是大幅增加了倍增区的厚度，以提供足够的雪崩增益，增大可用??的过偏压范围，降低暗计数发生的概率ｌ４Ｇ＇４８］。优化后的ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＰＡＰＤ采用分??离吸收渐变电荷倍增层（ＳＡＧＣＭ）结构，其结构和电场分布如图２．２所示抑，４３］。??吸收层部分采用非故意掺杂的材料且通常较厚（大于１?Ｍｍ），以获得和ＰＩＮ探测器??相似的高量子效率。倍增层与吸收层间的四元ＩｎＧａＡｓＰ过渡层可减少ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）和??ＩｎＰ界面处价带的不连续性，减小空穴被俘获的可能，有助于空穴向倍增层的注入。??过渡层与倍增层间加入的电荷层用于调控倍增层和吸收层的相对电场强度分布，??使吸收层的场强较小以减少因带间隧穿导致的暗载流子，且在工作温度范围内完??全耗尽，而倍增层的场强较大以获得足够大的雪崩增益。倍增层为未掺杂的ＩｎＰ，??厚度一般较大（＞１?Ｍｍ）以降低暗计数，且该层材料的生长质量与后脉冲效应的大??小密切相关。与倍增层相邻的ｐ＋区采用二次扩散工艺，降低了边缘提前击穿发生??的可能。［４０
设计了相应电路。上述电路的直流偏置电压（高压）Ｒ均施加于阴极，??猝灭控制均在阳极。??首先，设计了如图３．１所示的电路，尝试于阳极对雪崩进行直流耦合提取。阳??极提取的优势明显：雪崩建立时阳极电压上升，与阳极猝灭时所需电压变化的方向??相同，恢复ＡＰＤ时则是使阳极电压下降，但提取电路后续信号处理只对ＡＰＤ输??出信号的上升沿敏感，理论上偏压控制电路对阳极电压的操控不会导致提取电路??误动作。为了获得最快的猝灭速度，对多种比较器进行甄选，最后选用的比较器为??ＡＤＰＣＭ５７２。该比较器为ＳｉＧｅ异质结集成电路，响应速度极快，传输延迟仅１５０??ｐｓ，但其高速的代价是其最大输入电压仅３．１?Ｖ?（Ｖｃｃｉ＝５．２Ｖ时）。采用阳极直流??耦合提取时，如此小的输入电压范围将直接限制ＡＰＤ可用的过偏压范围（即３．１??Ｖ）。该比较器同相输入端ＶＰ与同相输入端接端ＶＴＰ之间内置５０Ｑ电阻
【参考文献】：
期刊论文
[1]InGaAs/InP盖革模式雪崩焦平面阵列的研制[J]. 张秀川,蒋利群,高新江,陈伟,奚水清,姚科明,兰逸君,卢杰. 半导体光电. 2015(03)
[2]基于FPGA的全数字化峰值时刻检测技术[J]. 王飞. 电子测量与仪器学报. 2015(06)
[3]Afterpulsing characteristics of InGaAs/InP single photon avalanche diodes[J]. 马海强,杨建会,韦克金,李瑞雪,朱武. Chinese Physics B. 2014(12)
[4]InGaAs单光子探测器传感检测与淬灭方式[J]. 郑丽霞,吴金,张秀川,涂君虹,孙伟锋,高新江. 物理学报. 2014(10)
[5]Active quenching circuit for a InGaAs single-photon avalanche diode[J]. 郑丽霞,吴金,时龙兴,奚水清,刘斯扬,孙伟锋. Journal of Semiconductors. 2014(04)
[6]基于1.5GHz多次谐波超短脉冲门控InGaAs/InP雪崩光电二极管的近红外单光子探测技术研究[J]. 黄建华,吴光,曾和平. 光学学报. 2014(02)
[7]米散射激光雷达重叠因子及全程回波信号标定技术研究[J]. 狄慧鸽,华灯鑫,王玉峰,闫庆. 物理学报. 2013(09)
[8]基于高速伪随机码调制和光子计数激光测距技术[J]. 杨芳,张鑫,贺岩,陈卫标. 中国激光. 2013(02)
[9]用于高速量子密码系统的1.25 GHz InGaAs/InP单光子探测器的研制[J]. 梁晓磊,蒋文浩,刘建宏,张军,陈增兵,金革. 中国激光. 2012(08)
[10]盖革模式雪崩光电二极管激光雷达累积探测性能的研究[J]. 徐璐,张宇,张勇,赵远. 中国激光. 2012(04)
博士论文
[1]1.5μm单光子探测器在激光遥感中的应用[D]. 上官明佳.中国科学技术大学 2017
[2]InGaAs/InP单光子雪崩光电二级管的制备及研究[D]. 曾巧玉.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
本文编号：3226725
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