重慶光電技術(shù)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(cè)器(SPAD)的響應(yīng)波段為短波950~1700nm，覆蓋量子通信使用的1550nm波長(zhǎng)和激光探測(cè)的1064nm波段，是主流短波紅外單光子探測(cè)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(jì)數(shù)率。然而，制冷裝置如半導(dǎo)體制冷器(TEC)、熱聲制冷機(jī)等，會(huì)明顯增加探測(cè)系統(tǒng)的體積和功耗，增加系統(tǒng)復(fù)雜度。因此，研究In0.53Ga0.47As SPAD的溫度特性，是實(shí)現(xiàn)暗計(jì)數(shù)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(dǎo)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(cè)器的溫度特性研究”的論文，針對(duì)溫度對(duì)In0.53Ga0.47As SPAD暗計(jì)數(shù)的影響，對(duì)暗計(jì)數(shù)的組成進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究了各結(jié)構(gòu)層中載流子在強(qiáng)電場(chǎng)下的溫度特性，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)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(cè)試。結(jié)果顯示，70μm In0.53Ga0.47As SPAD在室溫下的探測(cè)效率為14.2%，暗計(jì)數(shù)率為88.6kHz，噪聲等效功率為3.82×10?1?W·Hz-1/2，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的擬合曲線一致。

器件結(jié)構(gòu)與仿真分析

  器件結(jié)構(gòu)

  In0.53Ga0.47As SPAD采用SAGCM結(jié)構(gòu)，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(kuò)散層。

圖1 In0.53Ga0.47As SPAD器件結(jié)構(gòu)

  仿真計(jì)算

  基于半物理仿真模型(Quasi-Physical Model)進(jìn)行單光子探測(cè)效率(PDE)和暗計(jì)數(shù)率(DCR)的數(shù)值仿真計(jì)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(jié)果，如圖2所示。仿真參數(shù)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(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(guò)偏壓下，DCR主要由非平衡載流子復(fù)合(SRH)熱生載流子決定。隨著偏壓增大，內(nèi)部電場(chǎng)增大，隧穿過(guò)程占主導(dǎo)。

圖2 暗計(jì)數(shù)主要來(lái)源

  下面分別對(duì)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(jì)數(shù)情況，如圖3~5所示。

圖3 DCR_SRH InGaAs溫度特性仿真結(jié)果

圖4 DCR_TAT InP溫度特性仿真結(jié)果

圖5 DCR_BBT InP溫度特性仿真結(jié)果

  芯片制備

  根據(jù)InGaAs SPAD的溫度特性，對(duì)器件結(jié)構(gòu)和材料制備工藝進(jìn)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(guò)調(diào)節(jié)電荷層使吸收區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度低于20kV/cm，以此減小DCR_SRH暗計(jì)數(shù)率。利用化合物半導(dǎo)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(jié)構(gòu)。通過(guò)刻蝕隔離出光敏區(qū)，使得芯片的p，n電極在同一側(cè)。共電極設(shè)計(jì)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(shí)物圖如圖6所示。

圖6 In0.53Ga0.47As SPAD芯片實(shí)物照片

  性能測(cè)試

  分別測(cè)試了70μm In0.53Ga0.47As SPAD的直流參數(shù)和單光子響應(yīng)特性。

  圖7為不同溫度下70μm In0.53Ga0.47As SPAD的I-V曲線。測(cè)試采用平均功率為1μW的1550nm激光光源。從測(cè)試結(jié)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(shù)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(cè)試曲線

  搭建了門控模式單光子探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)，門控工作頻率為1.25GHz，激光器波長(zhǎng)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(hào)。測(cè)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(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

  從仿真值和測(cè)試結(jié)果可以看出，數(shù)據(jù)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(jù)測(cè)試結(jié)果，提取了不同工作偏壓下的激活能參數(shù)，如圖9所示?？芍?，在295~243K溫度范圍內(nèi)，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(jì)數(shù)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(jié)論

  本文通過(guò)仿真計(jì)算，分析了In0.53Ga0.47As SPAD器件中暗計(jì)數(shù)的主要來(lái)源，研究了SRH非平衡載流子復(fù)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(duì)暗計(jì)數(shù)的影響。仿真結(jié)果表明，在近室溫下，SRH暗計(jì)數(shù)受溫度的影響最大。在分析基礎(chǔ)上，對(duì)器件進(jìn)行了優(yōu)化，并研制了光敏面直徑達(dá)70μm的InGaAs SPAD器件。測(cè)試結(jié)果顯示, 70μm In0.53Ga0.47As SPAD在室溫下的探測(cè)效率PDE為14.2%，暗計(jì)數(shù)率DCR為88.6kHz，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的擬合曲線一致。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。