CN111682086A - 一种自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管，包括外延结构，所述外延结构包括InP衬底，InGaAs吸收层，InGaAsP缓冲层，倍增区，势垒区以及外延集成在器件表面的淬灭薄膜电阻。本发明的外延结构无需使用外部淬灭电路在保证器件性能的同时，加入内部势垒区对雪崩电流进行淬灭，同时在外部外延集成的淬灭薄膜电阻进行二次淬灭，两次淬灭既保证了雪崩电流淬灭完全又抑制了增益的波动性，同时也简化了器件的外部电路，可用于自由运行模式。

Description

一种自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管
技术领域
发明涉及光电探测器领域，具体涉及一种自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管。
背景技术
单光子探测器是目前量子保密通信应用中的关键器件。具有高性价比的InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Photodiodes:SPAD)是应用广泛的主流单光子探测器。基于其工作模式的不同，可以基本划分为门控模式和自由运行模式两类。其中，门控模式的SPAD需要门脉冲淬灭电路来防止热失控导致的雪崩击穿，使器件的偏置电压只有在单光子到来时处于雪崩电压之上，该模式要求光子到达时间已知。而应用广泛的自由运行模式中光子到达时间是未知的，需要SPAD时刻处于准“准备探测状态”。引入负反馈机制，可以在无外部淬灭电路的情况下实现器件的自淬灭和自恢复，具有驱动电路简单、响应时间快，能应用于自由运行模式等优点。
目前InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管主要采用(Separate absorption,grading,charge and multiplication，简写为SAGCM：分离吸收、渐变、电荷、倍增型)SAGCM结构。在此结构中可以进行自淬灭或自恢复的结构有，以及在器件内部引入异质结势垒进行器件的自淬灭和自恢复两种。NFAD结构的器件过剩噪声低无需外部淬灭电路，但存在持续电流、恢复时间的问题；而自淬灭自恢复器件增益稳定并降低了过剩噪声，但器件异质结的势垒区的层厚度和势垒高度设计是关键，它们决定了自淬灭时间和器件增益，势垒阻挡层越高，雪崩淬灭越快，但增益越低，反之亦然，两者之间存在矛盾。因此新型负反馈雪崩二极管，通过一个小的异质结势垒高度，完成第一次淬灭，使器件处于较高且稳定的雪崩增益状态下；再在器件表面集成中等阻值的薄膜电阻完成第二次淬灭，采用两次淬灭的方式实现器件的彻底自淬灭。通过将异质结势垒和外部集成淬灭电阻相结合，合理分配两次淬灭在总淬灭中的比例，可以降低器件自淬灭对异质结势垒高度的需求，既维持了高稳定增益还改善了持续电流，进而提高器件的探测效率。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种无需外部淬灭电路，增益可控的自由运行模式的雪崩光电二极管。
为实现上述目的，本发明提供了一种自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管，包括外延结构；所述外延结构包括InP衬底，InGaAs吸收层，InGaAsP缓冲层，倍增区，势垒区以及外延集成在器件表面的淬灭薄膜电阻。
所述势垒区有三层，分别为InGaAlAs材料层、InAlAs材料层和InP材料层。所述的势垒区每层厚度在0.1～0.5μm范围。
所述倍增区为InP材料，从下到上依次为n-InP,i-InP和P-InP共三层。所述倍增区每层厚度在0.1～3.5μm范围。
所述的器件表面外延集成的淬灭薄膜电阻为外延集成的NiCr的合金薄膜电阻，厚度为40nm～1μm。
本发明具有的有益效果：
(1)相比现有的传统的SPAD器件，本发明无需外部复杂的淬灭电路，可以简化SPAD电路***、有效控制增益降低器件过剩噪声，且可以用于自由运行模式；
(2)本发明的外延结构具有直流偏置、增益稳定、低噪声的特性，重新优化了各层的厚度与掺杂，使器件特性达到自由运行模式的工作要求；
(3)本发明的外延结构优化了倍增区的设计，在保证器件工作特性的同时，加入势垒区，使得雪崩后的载流子在价带偏移造成的势垒处迅速堆积空穴以形成电场屏蔽，导致倍增区中的电场减小以达到自淬灭；在雪崩脉冲信号被自淬灭之后，InAlAs和InP界面处的累积空穴通过热激发和隧道效应逃离能垒，并最终离开器件，实现自恢复；
(4)本发明的外延结构还在器件表面外延集成了淬灭薄膜电阻，在加入势垒区实现控制器件雪崩增益的基础上，加入淬灭薄膜电阻使得淬灭雪崩电流更快速、更彻底，从而减小后脉冲效应，达到更好的自淬灭自恢复效果。
附图说明
图1为本发明的器件结构简图；
图2为实施例的器件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明的基本构思，提供一种自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管。
如图1所示，自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管，包括外延结构；所述外延结构包括InP衬底，InGaAs吸收层4和InGaAsP缓冲层，倍增区3，势垒区2以及外延集成在器件表面的淬灭薄膜电阻1。
针对自由运行模式SPAD的高探测效率的要求，在外延结构设计中加入异质结势垒和集成淬灭薄膜电阻片负反馈结构，通过异质结势垒和淬灭电阻同时进行雪崩电荷流淬灭，使得器件在合适的势垒高度和薄膜电阻值下雪崩淬灭更快，达到高稳定增益，从而实现器件的高探测效率。
本实施例的具体结构，如图2所示，自下到上依次包括InP衬底5，InGaAs吸收层4和InGaAsP缓冲层，倍增区3，势垒区2，淬灭薄膜电阻1。
在一些实施实例中，通过调节异质结势垒高度，控制异质结对雪崩后的载流子进行合适的阻挡；势垒的实现可以通过倍增区和势垒区之间形成适当的导带或价带偏移，以形成电子或空穴的能量屏障。沿着倍增载流子输运的方向，当势垒区位于倍增区之后，势垒区主要是阻挡雪崩载流子；当势垒区位于吸收层和倍增区之前，势垒区主要阻挡的是不期望参加雪崩倍增的载流子。例如：用InP做倍增区材料时，利用的是空穴倍增，当势垒区处于InGaAs吸收层和倍增区时，势垒区形成电子势垒阻挡电子；而势垒区位于倍增区之上，则形成空穴势垒阻挡空穴。
在一些实施实例中，倍增区3材料为n-InP,i-InP和P-InP，势垒区2位于倍增区之上，势垒区2材料为InGaAlAs和InAlAs两层，且InGaAlAs和InAlAs材料均为本征掺杂，势垒区用于阻挡空穴。
在一些实施实例中，势垒区2也可以放在吸收层4与倍增区3之间；如，器件从InGaAs吸收层往上开始为，过渡层InGaAsP，势垒区InAlAs，过渡层InGaAsP，倍增区InP，势垒区用于阻挡电子。
在一些实施实例中，倍增区3材料也可采用InAlAs作为电子倍增。倍增区3材料为n-InAlAs,i-InAlAs和P-InAlAs。势垒区2材料为InGaAsP,InAlAs,InGaAs，均采用本征掺杂。
在一些实施实例中，采用InAlAs作为倍增区3材料的电子倍增器件中，势垒区2材料还可采用均为本征掺杂的InGaAsP,InAlAs,InGaAsP。
在一些实施实例中，采用InAlAs作为倍增区3材料的电子倍增器件中，势垒区2材料还可采用i-InP,i-InAlAs,i-InP。
在一些实施实例中，不仅需要设计合适的势垒高度，还需选择合适的淬灭电阻阻值。淬灭薄膜电阻1将选择Ni-Cr薄膜合金材料，薄膜电阻阻值大小为50～500KΩ。
以下通过实施例对本发明进行实例说明，但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
(1)器件层结构构建：InP衬底5为衬底n-InP，掺杂浓度为2×1018cm-3，层厚0.4μm。
(2)吸收层，材料为本征掺杂的InGaAs材料，层厚度为2.0μm。
(3)缓冲层，材料为n-InGaAsP，掺杂浓度为1×1016cm-3，层厚为0.09μm，共三层。
(4)倍增区3，材料为n-InP,i-InP和P-InP，共三层，层厚分别为为0.2μm、0.6μm、1μm，n-InP和P-InP掺杂浓度分别为1.2×1017cm-3和1×1018cm-3。
(5)势垒区2共两层，材料分别为本征掺杂的InGaAlAs、InAlAs和InP，层厚分别为0.2μm,0.3μm,0.2μm。
(6)淬灭薄膜电阻1，电阻片材料采用Ni-Cr薄膜，阻值大小为50KΩ。
以上内容仅为本发明的较佳具体模拟实施例，不能以此来限定本发明的权利范围，因此依本发明权利要求所做的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管，包括外延结构，其特征在于，所述外延结构包括InP衬底，InGaAs吸收层，InGaAsP缓冲层，倍增区，势垒区以及外延集成在器件表面的淬灭薄膜电阻。
2.根据权利要求1所述的自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管，其特征在于，所述倍增区为InP材料，从衬底开始从下到上依次为n-InP，i-InP和P-InP共三层。
3.根据权利要求2所述的自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管，其特征在于，所述倍增区每层厚度在0.1～3.5μm范围。
4.根据权利要求1所述的自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管，其特征在于，所述的势垒区有两层，分别为InGaAlAs材料层、InAlAs材料层和InP材料层。
5.根据权利要求4所述的自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管，其特征在于，所述的势垒区每层厚度在0.1～0.5μm范围。
6.根据权利要求1所述的自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管，其特征在于，所述的器件表面外延集成的淬灭薄膜电阻外延集成的NiCr的合金薄膜电阻，厚度为40nm～1μm。
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