InGaAs—APD门模单光子探测及其应用
InGaAs(P)InP近红外单光子探测器暗计数特性研究.doc
InGaAs(P)/InP近红外单光子探测器暗计数特性研究基于InGaAs(P)/InP 雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diodes,SPADs)的近红外单光子探测器具有功耗低、不需超低温制冷、可靠性高、使用简单、易集成、近红外探测效率高等优点,在光通讯波段(1310 nm、1550 nm)量子密钥分发(QKD)、激光测距(1064nm、1550nm)等前沿领域有着迫切的应用需求,但其暗计数特性对应用有诸多限制。
InGaAs(P)/InPSPAD基近红外单光子探测器主要包括InGaAs(P)/InP SPAD及其驱动电路,二者的性能均可影响探测器性能。
本论文主要针对InGaAs(P)/InP SPAD基近红外单光子探测器的暗计数特性及其影响因素、InGaAs(P)/InPSPAD暗电流特性及其影响因素进行深入研究,探索二者关联特性,为SPAD器件及单光子探测器的性能优化提供指导。
搭建SPAD 器件变温测试平台对SPAD暗电流特性进行了研究;搭建激光束诱导电流(LBIC)测试系统对SPAD器件的响应均匀性及其边缘击穿特性进行了研究;研制SPAD器件单光子探测性能测试装置对不同SPAD器件对应单光子探测器的暗计数特性进行了研究。
对SPAD器件暗电流特性及其对应单光子探测器的暗计数关联性进行探索,研究发现SPAD雪崩击穿偏压处的暗电流斜率与相应单光子探测器的暗计数相关,斜率较小时相应的暗计数较小;暗电流与暗计数存在抖动情况,此抖动均与温度呈负相关,与过偏压无关。
目前对暗计数特性的研究主要集中于影响机制,并未发现对上述结果的报导。
雪崩光敏二极管,单光子探测
单光子探测技术
SPAD
单光子检测中，通常以光电倍增管和雪崩光敏二极管作为代表性的单光子检测 器件。光电倍增管由于具有极高的灵敏度，较低的噪声和快速响应的特性，过 去一直是单光子探测的首选器件，而现在由于更多的实际应用，半导体类单光 子探测器件收到广泛的关注，其中最常见的是雪崩光电二极管。 实现单光子检测的基本要求： 一是对被探测的光子要有很高的响应灵敏度 二是背景噪声要尽可能少
Photomultiplier Tube
(a)输入光较强时PMT输出有涨落的直流量。
(b)输入光较弱时PMT输出光电流不再是 连续的。
(c)输入光极弱时PMT输出离散的脉冲。
雪崩光敏二极管简介
Avalanche Photodiodes
Avalanche Photodiodes
Operating Principle
Quenching Circuits
雪崩阶段
一个光子被处于就绪态的APD接收 到时,APD两端的电压在几个fs的时 间内降为比雪崩电压值低一些, 电 容Cg 开始通过电阻Rs 放电, Rs上产 生一个脉冲信号. 经过约RsCg 的时 间, Cg上的电压降到与APD两端的 电压一致, 流经APD的电流小于 APD的熄灭阈值, 雪崩停止.
Quenching Circuits
有源淬灭电路
Quenching Circuits
将无源抑制扩展为有源抑制, 获得了更短的死时 间、更小的暗计数和更高的计数率. 有源抑制方 式中APD产生电脉冲信号的过程与无源抑制相同, 所不同的是在有源抑制电路中通过外围电路迅速 抑制雪崩并将APD恢复到等待状态以使它能探测 下一个光子, 从而大大降低了死时间 主动淬火电路是指在雪崩发生时, 不是通过其 自身增长的电流产生压降来淬灭, 而是通过一个 能够感应雪崩的模块产生一个电平反馈, 主动切 断电路工作状态, 并在很短的时间之后重新启动 电路
单光子探测器及其发展
单光子探测器及其发展摘要：本文介绍了光电倍增管单光子探测器、雪崩光电二极管单光子探测器和真空单光子探测器以及它们的基本工作原理和特性，分析了它们各自的优缺点和未来的发展方向。
关键词：单光子探测；光电倍增管（PMT）；雪崩光电二极管（APD）；真空雪崩光电二极管（VAPD）中图分类号：TP21.14 文献标识码：A一、引言单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。
由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。
二、单光子探测器的原理及种类单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。
单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。
这种技术和模拟检测技术相比有如下优点[1]：（1）测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小；（2）消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比；（3）有比较宽的线性动态区；（4）可输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处理。
入射的光子信号打到光电倍增器件上产生光电子，然后经过倍增系统倍增产生电脉冲信号，称为单光子脉冲。
计数电路对这些脉冲的计数率随脉冲幅度大小的分布如图1所示。
脉冲幅度较小的脉冲是探测器噪声，其中主要是热噪声；脉冲幅度较大的是单光电子峰。
V h为鉴别电平，用它来把高于V h的脉冲鉴别输出，以实现单光子计数。
可用来作为单光子计数的光电器件有许多种，如光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）、增强型光电极管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）和真空光电二极管（VAPD）等。
InGaAs纳米线雪崩焦平面探测器发展研究
第４５卷 第１期２０２１年１月激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４５，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２０２１ 文章编号：１００１ ３８０６（２０２１）０１ ０１０５ ０４ＩｎＧａＡｓ纳米线雪崩焦平面探测器发展研究张 伟１，徐 强１，谢修敏１，邓 杰１，覃文治１，胡卫英１，陈 剑１，宋海智１，２（１．西南技术物理研究所，成都６１００４１；２．电子科技大学基础与前沿科学研究所，成都６１００５４）摘要：基于ＩｎＧａＡｓ纳米线的光电探测器，由于其优异的性能而受到广泛的关注和研究。
综述了ＩｎＧａＡｓ纳米线光电探测器的探测机理、材料结构、器件性能和当前的研究现状。
讨论了ＩｎＧａＡｓ纳米线雪崩焦平面探测器结构设计、纳米线材料精密生长、纳米线材料的界面与缺陷控制、纳米线雪崩焦平面器件制备工艺等关键技术。
对发展高光子探测效率、低噪声、高增益ＩｎＧａＡｓ纳米线雪崩焦平面探测器的前景进行了展望。
关键词：传感器技术；雪崩焦平面探测器；ＩｎＧａＡｓ纳米线阵列；光电二极管；探测器中图分类号：Ｏ４７５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０ ７５１０／ｊｇｊｓ ｉｓｓｎ １００１ ３８０６ ２０２１ ０１ ０１８ＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓＺＨＡＮＧＷｅｉ１，ＸＵＱｉａｎｇ１，ＸＩＥＸｉｕｍｉｎ１，ＤＥＮＧＪｉｅ１，ＱＩＮＷｅｎｚｈｉ１，ＨＵＷｅｉｙｉｎｇ１，ＣＨＥＮＪｉａｎ１，ＳＯＮＧＨａｉｚｈｉ１，２（１．ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌａｎｄＦｒｏｎｔｉｅｒＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｕｎｉ ｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓｂａｓｅｄｏｎＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｓｔｕｄｉｅｄｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｅｖｉｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｇｒｏｗｔｈｏｆｎａｎｏｗｉｒｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｄｅｆｅｃｔｃｏｎｔｒｏｌｏｆｎａｎｏｗｉｒｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｎａｎｏｗｉｒｅａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｖｉｃｅｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｈｉｇｈｐｈｏｔｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｗｎｏｉｓｅａｎｄｈｉｇｈｇａｉｎＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒｗａｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ａｖａｌａｎｃｈｅｆｏｃａｌｐｌａｎｅｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＩｎＧａＡｓｎａｎｏｗｉｒｅａｒｒａｙ；ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ；ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ 基金项目：四川省科技计划资助项目（２０１８ＴＺＤＺＸ０００１）；国家重点研发计划资助项目（２０１７ＹＦＢ０４０５３０２）作者简介：张 伟（１９８３ ），男，博士研究生，现主要从光电功能材料与器件的研究。
ingaas单光子探测器测试标准
ingaas单光子探测器测试标准题目：InGaAs单光子探测器测试标准及步骤解析引言：随着量子通信、光子计算和量子信息等领域的不断发展，单光子探测器作为光学实验中至关重要的组成部分，其性能的准确测试和有效评估变得尤为重要。
本文将详细介绍InGaAs单光子探测器测试的标准及相关步骤，以帮助读者了解其操作原理和测试过程。
一、InGaAs单光子探测器简介InGaAs单光子探测器是一种基于铟镓砷化物（InGaAs）材料制作的半导体器件，其在近红外区域有着高度敏感的光子探测能力。
其工作原理是当光子入射到探测器上时，通过光电效应产生载流子，最终转化为电信号输出。
二、InGaAs单光子探测器测试标准1. 探测效率测试：探测效率是评估探测器灵敏度的关键指标，可以用来描述InGaAs单光子探测器探测到输入信号的能力。
测试时，通过输入标准光源，分析输出信号来计算探测效率。
2. 暗计数率测试：暗计数率是指探测器在无光源情况下产生的误测率，即产生虚假信号的速率。
暗计数率低表示探测器噪声小，对于低光强下信号的准确探测更为重要。
测试时，将探测器置于完全无光的环境中，记录单位时间内的误测事件数量。
3. 噪声等效温度测试：噪声等效温度是一个衡量探测器噪声性能的重要指标，其值越低表示探测器的噪声性能越好。
测试时，使用标准热源，通过测量输出电压等参数来计算噪声等效温度。
4. 相干串扰测试：相干串扰是表示探测器在工作状态下由于光子的干涉效应而产生的误差。
测试时，通过输入相干光源，记录准确的探测输出与期望输出之间的差异。
5. 出射波束测试：出射波束测试用于评估探测器的准直性能。
测试时，使用合适的设备和方法来测量和记录探测器产生的光束的发散角和波前质量。
三、InGaAs单光子探测器测试步骤1. 准备测试环境：确保测试环境的干净、稳定和无尘，以避免外界干扰对测试的影响。
调整室温和湿度，确保测试环境符合标准。
2. 清洗探测器：在操作探测器之前，首先使用合适的方法清洗探测器表面，确保其表面无污染物和杂质。
InGaAs_InPAPD探测器光电特性检测
将偏微分方程转化为可求解的线性代数方程组。
2.2 获得倍增因子M=1的 IP0 的方法 倍增因子定义为在完全相同的注入条件下，有
雪崩增益时通过器件的电流与无雪崩增益时通过器 件的电流之比。
在实际器件中，获得的最高直流倍增因子受串
联电阻的空间电荷效应限制，这些因素可以合并成
wi为权重，达到最小。使用Q→min为标准的拟合称 为最小二乘法。使用最小二乘原理处理非线性曲线
拟合，令权重wi=1，非线性曲线拟合的数学表达为： 已知一组数据{xi，yi}，i=1,2,…, n，满足已知方程形 式f(xi, bj)，j=1,2,…,m，求解{bj}，使其满足
n
∑ Q = [ yi − f (xi ,bj )]2 → min ，即求解 ∂Q / ∂bj = 0 。 i =1
=
I0 P0
+ ∆IP0
。
3 测量
本文研究了台面型InP/InGaAs APD静态光电特
性。该APD的光敏面直径为500 µm，光照下的电流
与电压关系曲线及无光照下的暗电流与电压关系曲
线如图1所示，将有光照与无光照时候相同偏压下的
电流值相减得到的电流即为光电流。图1还显示了倍
增因子与偏压的关系，其中，实线对应由实验测量
中图分类号 TN312+.7
文献标识码 A
Measurement of the Static Optoelectronic Characteristics of InGaAs/InP Avalanche Photodiode
XIAO Xue-fang1, YANG Guo-hua1, GUI qiang1, WANG Guo-hong1, MA Xiao-yu1, CHEN Chao2, and CHEN Liang-hui1
焦平面APD探测器的国内外技术现状和发展趋势
红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势一、焦平面APD探测器的背景及特点焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。
1、APD雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200倍，有很好的微弱信号探测能力。
2、APD阵列的分类按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-modeAPD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。
（1）Geiger-modeAPD阵列的特点优点：1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测；2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离分辨率，厘米量级；3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式；4）较低的功耗，体积小，集成度高；5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。
缺点：1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。
2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。
（2）线性模式APD阵列的特点优点：1）光子探测率高，可达90%以上；2）有较小的通道串扰效应；3）具有多目标探测能力；4）可获取回波信号的强度信息；5）相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。
缺点：1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作）。
（其信号测量包括强度和时间测量两部分）按照基底半导体材料APD可分为：SiAPD、GeAPD、InGaAsAPD、HgCdTeAPD。
基于InGaAs(P)InP APD的单光子探测器的研制和性能研究
基于InGaAs(P)/InP APD的单光子探测器的研制和性能研究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,设计了超低延迟的主动猝灭主动恢复(AQAR)电路,研制了高性能的自由运转单光子探测器。
设计了在APD的阳极或阴极进行雪崩提取和猝灭的多种不同AQAR电路组合,不同电路组合具有不同的猝灭延迟和不同的最大过偏压。
对不同电路组合的雪崩猝灭性能进行了比较研究,并以此为指导对电路结构进行改进。
利用商用SiGe集成电路比较器、高速E-pHEMT射频晶体管和电容平衡噪声抑制电路设计了超低延迟的AQAR电路,其中巧妙地利用了比较器自身的锁存功能实现雪崩后猝灭状态的锁存,降低了反馈环路延迟;引入了电容平衡法,较好地消除了微分噪声。
改进的AQAR电路使雪崩持续时间短至约1ns,显著提高了自由运转探测器的性能。
超导纳米线单光子探测器原理及应用-v4
目
录
摘要.............................................................................................................1 1 简介.......................................................................................................3 1.1 1.2 2 超导光辐射检测技术 .................................................................3 单光子检测：基本原理和评判依据 .........................................4
4
总结.....................................................................................................23
1 简介
1.1 超导光辐射检测技术
100 年前，荷兰人 Onnes 发现了神奇的超导现象【1】 ，超导应用发展进 程也从此拉开序幕。超导态对光波段的辐射较为敏感【2】 ，1994 年人类首次 成功实现了超导辐射探测器和超导测辐射热仪【3】 ，这得益于超导薄膜、微 加工技术和激光光源等学科的发展。在天文等领域的需求牵引下，出现了一 系列具有单光子灵敏度能量分辨率的超导探测器，它们工作温度通常在 1 开 尔文以下。 这类探测器包括： 超导隧道结 （STJ: superconducting tunnel junction） 【4】 ，电阻转变沿探测器（TES: transition edge sensor） 【5】和动态电感探测 器（KID: kinetic inductance detector） 【6】 。 十年前，Gol’tsman 等人利用氮化铌（NbN）纳米线首次验证了一类新 概念的超导探测器【7】 。这类探测器在可见光和近红外波段具有单光子灵敏 度，且其恢复时间和定时精度比现有的基于超导材料的单光子探测器具有数 量级的提升， 被称为超导单光子探测器 （SSPD： superconducting single-photon detector ）或超导纳米线单光子探测器（ SNSPD ： superconducting nanowire single-photon detector）*。此外，这类探测器可以工作在液氦温区（4.2K） ， 是较为成熟的闭合循环（机械）制冷技术可以实现的温度区间【8】 。SNSPD 在红外波段时间关联单光子计数（ TCSPC ： time correlated single-photon counting） 【9】方面具有很大的应用潜力，该领域已开始出现很多新的重要 应 用。 SNSPD 的主要竞争对手是固态单光子雪崩光电二极管（ SPAD: single-photon avalanche photodiode ） 。 而 大 尺 寸 的 光 电 倍 增 管 （ PMT: photomultipliers） 【10】目前已经被 SPAD 所取代。SNSPD 的波长响应范围 远高于硅 SPAD【11】 ；和 InGaAs SPAD【12】相比，SNSPD 在性噪比方面 具有明显的优势。SNSPD 在过去十年内已经成为一个研究的热点领域。目 前世界上很多研究小组都在开展相关的研究工作，并不断推动这个领域的发 展。本综述文章将概要介绍器件的工作原理、器件结构设计、制冷、器件材 料以及应用研究进展。
高速InGaAs单光子探测器设计
在８００．９００ｎｍ波段，硅雪崩光电二极管凭借其优越性能、高可靠性以及廉价获得了广泛的应用。
根据硅在８００—９００ｎｍ波段的光吸收系数值，为获得高的量子效率，ＡＰＤ需要具有３０—５０ｎｍ长的耗尽区。
在单边突变的ｐ－ｎ结中，为得到长的耗尽区并降低ＡＰＤ的工作电压，硅ＡＰＤ采用了一种有ｎ＋．Ｐ．舻ｐ＋构成的拉通型结构，如图２．２所示。
图２－２拉通型ＡＰＤ内部结构及电场分布其中７ｃ层为受主杂志，掺杂浓度很低，接近Ｐ型本征层。
图中右方表示了电场强度的分布示意图。
近年来，随着半导体工艺技术的发展，人们开展了硅单光子探测器的集成化和阵列化的研究。
由于拉通型结构耗尽层厚，所需功率大且需热电冷却，不易集成化。
因此一种新的薄型结构被开发，如图２．３所示。
该结构所需偏置电压仅为１５．４０Ｖ，同时因为耗散功率小，不需冷却。
虽然利用薄型ＡＰＤ制成的硅单光子探测器的探测效率在８３０ｎｍ时只有１０％。
但由于集成化和阵列化可以发挥更大、更广的作用，因此还是有越来越多的人投入到薄型硅ＡＰＤ的研究当中。
图２－３薄型ＡＰＤ内部结构２．３．２锗（Ｇｅ）ＡＰＤｌｌ２Ｉ对锗ＡＰＤ单光子探测器的研究很早就开展了。
实验表明，当温度高于１００Ｋ时，只要锗ＡＰＤ的偏置电压大于其雪崩电压就会产生雪崩效应，这是由于锗ＡＰＤ的热激发非常严重。
在实际应用中，必须将其冷却至１００Ｋ以下。
通常使用液氮将８山东大学硕士学位论文第三章正弦门控单光子探测器设计３．１正弦门控工作模式１１４ｉ在单光子探测中，由于ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＡＰＤ探测的是极其微弱的单光子信号，要想使光生载流子转换为可测量的宏观电流，需要非常大的倍增增益。
ＩｎＧａＡｓＡＰＤ工作在盖革模式下，即偏置电压略高于雪崩击穿电压，此时，ＡＰＤ会发生自持雪崩增益，理论上增益为无穷大。
当雪崩发生后，所产生的电流非常大，此时需要及时抑制雪崩，否则雪崩次数增多会损坏ＡＰＤ。
另外，在雪崩效应的发生过程中，ＡＰＤ无法对后续入射的光子再次做出响应，为使ＡＰＤ能够准确探测到下一个单光子，要求必须能够及时快速抑制雪崩电流。
广东工业大学-InGaAs-APD特性研究及1310nm单光子探测
ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ｂ ｕ ｔ ｔ ｏ ｏ ｌ ｏ ｗ ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｓ ｎ ｏ ｔ ｇ ｏ ｏ ｄ ｆ ｏ ｒ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｄ ｏ ｗ ｎ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ． Ｗｅ ａ ｌ ｓ ｏ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｍ ｐ ｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｆ ｒ ｏ ｍ
越来越低。 一种能够彻底防范第三者窃听的技术，己经越来越成为军事、 外交、商贸等领域的迫切需要。量子保密通信是密码学和量子力学相结 合的产物，它的安全性由量子力学基本原理一一测不准原理和单量子态 不可克隆定理所保证 ，因而越来越受到人们的重视。量子通信的关键技
术之一就是红外 （ １ ３ １ ０ ｎ ｍ． １ ５ ５ ０ ｎ ｍ）单光子探测， 这是因为光量子密钥
ｃ ｒ ｙ ｐ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ｔ ｏ ｅ ｎ ｓ ｕ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｃ ｕ ｒ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍ ｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｏ ｄ ａ ｙ ＇ ｓ
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雪崩光电二极管apd的特性和单光子探测的分析
第三章雪崩光电二极管特性研究于。
‘６０Ｄ－，：ｅ０００００｛兰一图３．１６单光子计数器计数结果（ａ）单光子计数结果（ｂ）不同光强下的计数值和输入光功率的函数曲线Ｆｉｇ．３－１６Ｃｏｕｎｔｒｅｓｕｌｔｆｒｏｍｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｅｒ（ａ）Ｒｅｓｕｌｔｏｆｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇ（ｂ）Ｃｏｕｎｔｖａｌｕｅｖｅｒｓｕｓｉｎｐｕｔｌｉｇｈｔｐｏｗｅｒａｔｖａｒｉｅｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙ光子探测效率可以表示为玎。
：Ⅳ＾×１００％－，＿．２Ｌｓｒ３—２６）％２巴／＾ｙ。
ｌ式中地为有光时由光子产生的计数率，它是光子计数器上的计数值和计数时间（２０ｓ）的比值。
Ｐ。
为输入光功率，是矿为单光子能量。
这样平均光子数为／．ｔ＝Ｏ．１和ｕ＝Ｏ，０３时的光子探测效率分别可计算为ｌ，２９％和２．０９％。
在实验中暗计数率为３．１３Ｘ１０～／ｎｓ。
在以上的单光子计数实验中，我们利用ＥｐｉｔａｘｙＡＰＤ进行光探测，由光子数的泊松分布可知，在平均光子数Ⅳ＝０．１时，单光子概率已经大于９０％；在平均光子数／．ｔ＝Ｏ．０３时，单光子概率大于９７％，实验数据显示了单光子计数测量。
在今后的工作中，通过选用噪声性能好的管子，并采取一定的滤噪措施，使ＡＰＤ工作在最佳温度和最佳电压条件下，高性能的单光子探测是可以实现的。
实现单光子探测的基本要求是，一方面是对被探测的光子要有很高的响应灵敏度，另一方面是背景噪声要尽可能少。
提高响应灵敏度和降低噪声是两个可：相制约的因素。
在常规通信系统中，最佳信噪比是个好的选择。
响应灵敏度和暗电流都随工作电压增加而增加，但暗电流和背景噪声随工作电压上升更快。
所以，最佳信噪比的工作电压不是响应灵敏度最高的电压。
对于单光予探测，响应灵敏度是主要追求目标，是在获得最大可能的探测灵敏度的条件下设法降低暗电流和背景噪声。
四象限InGaAs APD探测器的研究
四象限InGaAs APD探测器的研究
王致远;李发明;刘方楠
【期刊名称】《光通信研究》
【年(卷),期】2007(000)006
【摘要】文章中设计的四象限InGaAs雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)的管芯结构采用正入光式平面型结构,而材料结构采用吸收区、倍增区渐变分离的APD结构,在对响应时间、暗电流和响应度等参数进行计算与分析的基础上,优化了器件结构参数.试验结果表明,其响应时间≤1.5 ns,响应度≥9.5 A/W,暗电流≤40 nA,可靠性设计时使PN结和倍增层均在器件表面以下,可有效抑制器件表面漏电流,提高器件的可靠性.
【总页数】4页(P43-46)
【作者】王致远;李发明;刘方楠
【作者单位】重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065
【正文语种】中文
【中图分类】TN3
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外文翻译---用于量子密钥的单光子APD探测器设计
Design and Characterization of Single Photon APD Detector forQKD ApplicationAbstractModeling and design of a single photon detector and its various characteristics are presented. It is a type of avalanche photo diode (APD) designed to suit the requirements of a Quantum Key Distribution (QKD) detection system. The device is modeled to operate in a gated mode at liquid nitrogen temperature for minimum noise and maximum gain. Different types of APDs are compared for best performance. The APD is part of an optical communication link, which is a private channel to transmit the key signal. The encrypted message is sent via a public channel. The optical link operates at a wavelength of 1.55μm. The design is based on InGaAs with a quantum efficiency of more than 75% and a multiplication factor of 1000. The calculated dark current is below 10-12A with an overall signal to noise ratio better than 18dB. The device sensitivity is better than -40dBm, which is more than an order of magnitude higher than the dark current, corresponding to a detection sensitivity of two photons in pico-second pulses.I. INTRODUCTIONPhoton detectors sensitive to extremely low light levels are needed in a variety of applications. It was not possible to introduce these devices commercially several years ago because of the stringent requirements of QKD. Research efforts however resulted in photon detectors with reasonably good performance characteristics. The objective here is to model a single photon detector of high sensitivity, suitable for a QKD system. The detector is basically an APD, which needs cooling to very low temperature (77K) for the dark current to be low. The wavelength of interest is 1.55μm. Different applications may impose different requirements, and hence the dependence of the various parameters on wavelength, temperature, responsivity, dark current, noise etc, are modeled. Comparison of the results from calculations based on a suitable model provides amenable grounds to determine the suitability of each type of APD for a specific application.Attacks on communication systems in recent years have become a main concern accompanying the technological advances. The measures and counter measures against attacks have driven research effort towards security techniques that aim at absolute infallibility. Quantum Mechanics is considered one of the answers, due to inherent physical phenomena. QKD systems which depend on entangled pairs orpolarization states will inevitably require the usage of APDs in photon detection systems. How suitable these detectors may be, depends on their ability to detect low light level signals, in other words “photon counting”. It is therefore anticipated that the application of high security systems will be in high demand in a variety of fields such as banking sector, military, medical care, e-commerce, e-government etc.Ⅱ. AV ALANCHE PHOTO DIODEA. Structure of the APDFig. 1 shows a schematic diagram of the structure of an APD. The APD is a photodiode with a built-in amplification mechanism. The applied reverse potential difference causes accelerates photo-generated carriers to very high speeds so that a transfer of momentum occurs upon collisions, which liberates other electrons. Secondary electrons are accelerated in turn and the result is an avalanche process. The photo generated carriers traverse the high electric field region causing further ionization by releasing bound electrons in the valence band upon collision. This carrier generation mechanism is known as impact ionization. When carriers collide with the crystal lattice, they lose some energy to the crystal. If the kinetic energy of a carrier is greater than the band-gap, the collision will free a bound electron. The free electrons and holes so created also acquire enough energy to cause further impact ionization. The result is an avalanche, where the number of free carriers grows exponentially as the process continues.The number of ionization collisions per unit length for holes and electrons is designated ionization coefficients αn and αp, respectively. The type of materials and their band structures are responsible for the variation in αn and αp. Ionization coefficients also depend on the applied electric field according tothe following relationship:,exp[]n p b a Eαα=- (1) For αn = αp = α, the multiplication factor, M takes the form11aW M -= (2)W is the width of the depletion region. It can be observed that M tends to ∞ when αW →1, whichsignifies the condition for junction breakdown. Therefore, the high values of M can be obtained whenthe APD is biased close to the breakdown region.The thickness of the multiplication region for M = 1000, has been calculated and compared withthose found by other workers and the results are shown in Table 1. The layer thickness for undoped InPis 10μm, for a substrate thickness of 100μm .The photon-generated electron-hole pairs in the absorption layer are accelerated under theinfluence of an electric field of 3.105V/cm. The acceleration process is constantly interrupted by randomcollisions with the lattice. The two competing processes will continue until eventually an averagesaturation velocity is reached. Secondary electron-hole pairs are generated at any time during theprocess, when they acquire energy larger than the band gap Eg. The electrons are then accelerated andmay cause further impact ionization.Impact ionization of holes due to bound electrons is not as effective as that due to free electrons.Hence, most of the ionization is achieved by free electrons. The avalanche process then proceedsprincipally from the p to the n side of the device. It terminates after a certain time, when the electronsarrive at the n side of the depletion layer. Holes moving to the left create electrons that move to the right,which in turn generate further holes moving to the left in a possibly unending circulation. Although this feedback process increases the gain of the device, it is nevertheless undesirable for several reasons. First, it is time consuming and reduces the device bandwidth. Second, it is a random process and therefore increases the noise in the device. Third, it is unstable, which may cause avalanche breakdown.It may be desirable to fabricate APDs from materials that permit impact ionization by only one type of carriers either electrons or holes. Photo detector materials generally exhibit different ionization rates for electrons and holes. The ratio ofthe two ionization rates k = βi/αi is a measure of the photodiode performance. If for example, electrons have higher ionization coefficient, optimal behavior is achieved by injecting electrons of photo-carrier pairs at the p-type edge of the depletion layer and by using a material with k value as small as possible. If holes are injected, they should be injected at the n-type edge of the depletion layer and k should be as large as possible. Single-carrier multiplication is achieved ideally, when k = 0 with electrons or with k = ∞for holes.B.Geiger ModeGeiger mode (GM) operation means that the diode is operated slightly above the breakdown threshold voltage, where a single electron–hole pair can trigger a strong avalanche. In the case of such an event, the electronics reduce the diode voltage to below the threshold value for a short time called “dead time”, during which the avalanche is stopped and the detector is made ready to detect the next batch of photons. GM operation is one of the basic of Quantum Counting techniques when utilizing an avalanche process (APD) that increases the detector efficiency significantly.There are a number of parameters related to Geiger mode. The general idea however is to temporarily disturb the equilibrium inside the APD.The Geiger mode is placing the APD in a gated regime and the bias is raised above the breakdownvoltage for a short period of time. Fig. 2 shows the parameters characterizing the Geiger operation. The rise and fall times of the edges are neglected because they are made fast. Detection of single photons occurs during the gate window.作者：Khalid A. S. Al-Khateeb, Nazmus Shaker Nafi, Khalid Hasan国籍：美国出处：Computer and Communication Engineering (ICCCE), 2010 International Conference on 11-12 May 2010用于量子密钥的单光子APD探测器设计摘要本文提出的是单光子探测器及其各种特性的建模与设计。
p-i-n InPInGaAs光电探测器的电流及电容特性研究
文章编号:1672-8785(2021)01-0001-05p-i-n In&InGaAs光电探测器的电流及电容特性研究夏少杰陈俊"(苏州大学电子信息学院，江苏苏州215006)摘要：为了实现高灵敏度探测，红外探测器需要得到优化&利用Silvaco 器件仿真工具研究了 p-i-n 型InP/Ino. 53Ga 0.47As/In 0. 53Ga °. 47A s 光电探测器的结构, 并模拟了该结构中吸收层浓度和台阶宽度对暗电流以及结电容的影响&结果表 明，随着吸收层掺杂浓度的逐渐增大，器件的暗电流逐渐减小，结电容逐渐增 大。
当台阶宽度变窄时，器件的暗电流随之减小，结电容也随之变小。
最后研 究了光强和频率对器件结电容的影响&在低光强下，器件的结电容基本不变； 当光强增大到1 W /m 2时，器件的结电容迅速增大&器件的结电容随频率的升 高而减小，其 &关键词：近红外光电探测器；InP/InGaAs ；暗电流；结电容中图分类号：TN362文献标志码：A DOI ： 10.3969/j.issn.1672-8785.2021.01.001Research on Current and Capacitance Characteristicsof p-i-n In&InGaAs PhotodetectorXIA Shao-jie ，CHEN Jun **收稿日期：2020-08-28基金项目：国家自然科学基金项目(61774108)作者简介：夏少杰(1995-)，男，江苏苏州人，硕士生，主要从事红外光电器件研究。
*通讯作者:E-mail ： ****************.cn(.School of Electronic and Information Engineering ，Soocho2 University ，Suzhou 215006，China )Abstract : In order to achieve high sensitivity detection ，infrared detectors need to be optimized. Based on the Silvaco device simulation tool, the photoelectric characteristics of p-i-n InP/IriQ,53GaQ,47As/In 0.53GaQ,47As photode tector is analyzed. The effects of absorption concentration and mesa width on dark current and junction capaci tance in the structure are simulated. The results show that as the doping concentration of the absorption layergradua <yincreases ，thedarkcu r entofthedevicegradua <ydecreases ，andthejunctioncapacitancegradua <y increases. When the mesa width becomes narrower ，the dark current of the device decreases ，and the junctioncapacitance becomes smaller. Finally ，the effect of light intensity and frequency on the device junction capaci tance is studied. At low light intensity ，the device junction capacitance is basically unchanged. When the light intensityincreasesto1 W /cm 2!thedevicejunctioncapacitanceincreasesrapidly2Thedevicejunctioncapaci-tance increases with frequency decreasing. The peak is caused by defect levels.Key words:near-infrared photodetector；InP/InGaAs；dark current；junction capacitance0引言随着红外探测技术的不断发展，红外探测器作为该技术中最核心的部分也发展极为迅猛&红外探测器可将人类肉眼不可见的红外辐射能转换为可测量的能量！其研究最重要的是材料和器件结构的选择。
上转换单光子探测器的研究及技术进展
上转换单光子探测器的研究及技术进展单光子探测器（Single photon detector）是一种能够探测到单个光子的器件，具有广泛的应用前景。
在过去的几十年中，对于单光子探测器的研究和技术进展有了重大突破，尤其在材料、结构和探测原理等方面取得了显著进展。
首先，材料方面。
过去，铠甲重计数器（APD）是最常用的单光子探测器。
然而，砷化镓（GaAs）和铟镓砷化物（InGaAs）等材料的发展使得人们有了更好的选择。
这些半导体材料都可以用来制造高性能的单光子探测器。
而且，随着纳米技术的进步，人们已经可以制造出非常小尺寸的探测器，从而提高了探测器的空间分辨率。
其次，结构方面。
近年来，人们对于单光子探测器的结构进行了改进，以提高其灵敏度和效率。
例如，超导单光子探测器（SSPD）是一种基于超导电子材料的探测器。
与传统的光电倍增管（PMT）和APD相比，SSPD具有更高的量子效率和更低的暗计数率。
此外，人们还研究了微腔单光子探测器（Microcavity Single Photon Detector，MCSPD）。
该探测器利用了光与微腔模式的相互作用，从而实现了更高的灵敏度和探测效率。
最后，探测原理方面。
目前常见的单光子探测原理有直接探测、光电倍增管、电子单光子探测器以及光子计数。
其中，直接探测原理是利用半导体材料的光电效应，将光子转化为电子，然后测量电子的信号来进行光子探测。
光电倍增管则是通过将光子转化为电子，并通过多级倍增过程放大电子信号，从而实现对单光子的探测。
电子单光子探测器是一种新型的探测器，它利用了电子束缚态的能级结构，通过测量电子的能级跃迁来进行光子探测。
光子计数是一种基于光子与其中一种介质的相互作用的原理。
它通过测量光子与特定介质反应产生的光子来进行光子计数。
总之，随着材料、结构和探测原理的不断改进和突破，单光子探测器的性能不断提高，应用领域也越来越广泛。
目前，单光子探测器已经在量子通信、量子计算、量子密钥发电等方面得到了广泛应用。
InGaAs探测器的光电性能仿真与结构优化研究
InGaAs探测器的光电性能仿真与结构优化研究短波红外In GaAs探测器在近室温下具有良好的性能,在航天遥感领域有着重要的应用价值。
为进一步提升短波红外InGaAs探测器的性能,本论文重点研究了InAlAs帽层的晶格匹配和延伸波长探测器的关键结构参数对暗电流的影响,并进行了实验验证,研究了器件暗电流机制;仿真了吸收层内含有电子阻挡层器件的暗电流特性,与无电子阻挡层结构器件特性进行对比分析,并对电子阻挡层的位置和周期进行了仿真优化,获得了抑制暗电流的优化结构参数。
概述了建立仿真建模的过程,包括模块的选择、结构定义、物理模型设定、数值方法选择、器件特性获取以及结果分析等。
另外,还有实时输出窗口可以用来直接查看结果并调试模型的参数等,概述了Atlas软件仿真的基本流程。
采用Atlas器件仿真软件,研究了与InP衬底晶格匹配的InAlAs帽层器件的暗电流机制,分析了吸收层厚度和掺杂浓度对器件暗电流的影响。
研究发现,吸收层厚度在0.25μm以内时,暗电流会随着厚度增大而减小,进一步增大厚度时,暗电流的变化较小;吸收层浓度增大,暗电流会减小,但是浓度增大到一定程度将会影响到光的吸收效率。
通过实验验证,分析器件的暗电流机制,发现室温下器件的暗电流主要由扩散电流主导。
采用标准替代的方法,研究了光栅光谱仪和傅里叶光谱仪校准器件的响应光谱,结果表明,利用已知的标准器件及其标准光谱,两者都可以用来校准待测器件的响应光谱。
傅里叶光谱仪由于具有便携操作性,信号较强,稳定性高等优点,一般得到的结果相对优于光栅光谱仪。
采用Atlas器件仿真软件研究了InAlAs帽层延伸波长器件的暗电流机制,分析了吸收层厚度和掺杂浓度对器件暗电流的影响,同时研制了基于界面数字超晶格结构的In GaAs探测器,并测试了器件的暗电流和响应光谱。
器件响应光谱与仿真拟合结果基本一致。
在暗电流特性方面,在-0.01V下,300K和200K时的暗电流大小为6.47×10-9A和1.05×10-12A。
焦平面APD探测器的国内外技术现状和发展趋势.
红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势一、焦平面APD探测器的背景及特点焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。
1、APD雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200 倍，有很好的微弱信号探测能力。
2、APD阵列的分类按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-mode APD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。
（1）Geiger-mode APD阵列的特点优点：1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测；2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离分辨率，厘米量级；3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式；4）较低的功耗，体积小，集成度高；5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。
缺点：1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。
2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。
（2）线性模式APD阵列的特点优点：1）光子探测率高，可达90%以上；2）有较小的通道串扰效应；3）具有多目标探测能力；4）可获取回波信号的强度信息；5）相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。
缺点：1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作）。
（其信号测量包括强度和时间测量两部分）按照基底半导体材料APD可分为： Si APD、Ge APD、InGaAs APD、HgCdTe APD。