[發明專利]一種自由運行模式下的負反饋雪崩光電二極管

在審

• 申請號: 202010728040.3
• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN111682086A
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 史衍麗;楊雪艷;朱泓遐;劉辰
• 申請（專利權）人: 云南大學
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/0304
• 代理公司: 成都方圓聿聯專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 茍銘

本發明公開了一種自由運行模式下的負反饋雪崩光電二極管，包括外延結構，所述外延結構包括InP襯底，InGaAs吸收層，InGaAsP緩沖層，倍增區，勢壘區以及外延集成在器件表面的淬滅薄膜電阻。本發明的外延結構無需使用外部淬滅電路在保證器件性能的同時，加入內部勢壘區對雪崩電流進行淬滅，同時在外部外延集成的淬滅薄膜電阻進行二次淬滅，兩次淬滅既保證了雪崩電流淬滅完全又抑制了增益的波動性，同時也簡化了器件的外部電路，可用于自由運行模式。

技術領域

發明涉及光電探測器領域，具體涉及一種自由運行模式下的負反饋雪崩光電二極管。

背景技術

單光子探測器是目前量子保密通信應用中的關鍵器件。具有高性價比的InGaAs/InP單光子雪崩光電二極管(Single Photon Avalanche Photodiodes:SPAD)是應用廣泛的主流單光子探測器。基于其工作模式的不同，可以基本劃分為門控模式和自由運行模式兩類。其中，門控模式的SPAD需要門脈沖淬滅電路來防止熱失控導致的雪崩擊穿，使器件的偏置電壓只有在單光子到來時處于雪崩電壓之上，該模式要求光子到達時間已知。而應用廣泛的自由運行模式中光子到達時間是未知的，需要SPAD時刻處于準“準備探測狀態”。引入負反饋機制，可以在無外部淬滅電路的情況下實現器件的自淬滅和自恢復，具有驅動電路簡單、響應時間快，能應用于自由運行模式等優點。

目前InGaAs/InP單光子雪崩光電二極管主要采用(Separate absorption,grading,charge and multiplication，簡寫為SAGCM：分離吸收、漸變、電荷、倍增型)SAGCM結構。在此結構中可以進行自淬滅或自恢復的結構有，以及在器件內部引入異質結勢壘進行器件的自淬滅和自恢復兩種。NFAD結構的器件過剩噪聲低無需外部淬滅電路，但存在持續電流、恢復時間的問題；而自淬滅自恢復器件增益穩定并降低了過剩噪聲，但器件異質結的勢壘區的層厚度和勢壘高度設計是關鍵，它們決定了自淬滅時間和器件增益，勢壘阻擋層越高，雪崩淬滅越快，但增益越低，反之亦然，兩者之間存在矛盾。因此新型負反饋雪崩二極管，通過一個小的異質結勢壘高度，完成第一次淬滅，使器件處于較高且穩定的雪崩增益狀態下；再在器件表面集成中等阻值的薄膜電阻完成第二次淬滅，采用兩次淬滅的方式實現器件的徹底自淬滅。通過將異質結勢壘和外部集成淬滅電阻相結合，合理分配兩次淬滅在總淬滅中的比例，可以降低器件自淬滅對異質結勢壘高度的需求，既維持了高穩定增益還改善了持續電流，進而提高器件的探測效率。

發明內容

針對上述技術問題，本發明的目的在于提供一種無需外部淬滅電路，增益可控的自由運行模式的雪崩光電二極管。

為實現上述目的，本發明提供了一種自由運行模式下的負反饋雪崩光電二極管，包括外延結構；所述外延結構包括InP襯底，InGaAs吸收層，InGaAsP緩沖層，倍增區，勢壘區以及外延集成在器件表面的淬滅薄膜電阻。

所述勢壘區有三層，分別為InGaAlAs材料層、InAlAs材料層和InP材料層。所述的勢壘區每層厚度在0.1～0.5μm范圍。

所述倍增區為InP材料，從下到上依次為n-InP,i-InP和P-InP共三層。所述倍增區每層厚度在0.1～3.5μm范圍。

所述的器件表面外延集成的淬滅薄膜電阻為外延集成的NiCr的合金薄膜電阻，厚度為40nm～1μm。

本發明具有的有益效果：

(1)相比現有的傳統的SPAD器件，本發明無需外部復雜的淬滅電路，可以簡化SPAD電路系統、有效控制增益降低器件過剩噪聲，且可以用于自由運行模式；

(2)本發明的外延結構具有直流偏置、增益穩定、低噪聲的特性，重新優化了各層的厚度與摻雜，使器件特性達到自由運行模式的工作要求；