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基于InGaAs/InP单光子雪崩二极管的红外单光子探测研究

周鹏  
【摘要】:单光子探测是一种重要的技术,被广泛应用在量子保密通信、量子计算和测量灵敏度需要达到单光子水平的其他领域。对于1310nm和1550nm的通信波段,具有吸收、渐变、电荷、倍增分区结构(SAGCM)的In0.53Ga0.47As/InP雪崩光电二极管(APD)被广泛地研究,并认为是最具实用性的单光子探测器。因为APD工作在反偏压高于雪崩击穿电压条件下,即处于所谓的盖革模式下,所以它也被叫作盖革模式雪崩光电二极管或者单光子雪崩二极管(SPAD)。 本论文通过理论和实验研究了SAGCM In0.53Ga0.47As/InP SPAD的雪崩击穿特性,观察并解释了相对电流增益饱和的现象。据此提出了一种能够简单准确地测量SPAD的贯穿电压和雪崩击穿电压的方法。该方法不依赖于温度,具有很好的实用性。 采用了历史相关的碰撞电离模型,通过数值分析的方法,研究了具有SAGCM结构的In0.53Ga0.47As/InP SPAD击穿电压的影响因素。计算结果表明击穿电压会随着温度的升高,电荷层电荷密度的增大而升高。同时存在某一特征倍增区厚度,当SPAD倍增区厚度小于这一特征值时,雪崩击穿电压会随倍增区厚度增大而降低;而当倍增区厚度大于这一特征值时,击穿电压会随之缓慢升高。提高单光子探测性能有两种有效的途径,首先是设计单光子探测专用的SPAD,然后是改进器件的驱动和控制技术。本文给出了一种In0.53Ga0.47As/InP SPAD的结构和参数设计,通过控制倍增区、吸收区及电荷层的厚度和掺杂浓度,使其更适用于单光子探测。 为了尽可能地减少暗计数,提高单光子量子效率,优化器件的结构和驱动电路,有必要弄清产生暗计数的物理机制,以及单光子量子效率和暗计数概率对器件结构和工作条件的依赖关系。本文提出了一个比较严格的模型来计算SPAD的单光子量子效率和暗计数概率,在此模型中考虑了电荷层和吸收区的碰撞电离对倍增区雪崩击穿的贡献,假设雪崩击穿只能发生在倍增区。计算雪崩击穿概率与电场的关系时,采用了历史相关的碰撞电离模型。在较宽的温度范围内,计算了不同结构、不同偏置电压下的SPAD的单光子量子效率和暗计数概率。结果表明,如果忽略了电荷层和吸收区的碰撞电离,将会导致对暗计数的低估,低估率随着温度的升高而升高。增大倍增区会提高SPAD的峰值单光子量子效率,但是如果倍增区厚度超过1μm,峰值单光子量子效率随着Wm的升高会变得非常缓慢,并最终达到饱和而接近器件的内量子效率。决定SPAD暗计数的物理机制取决于器件的结构和工作条件。当SPAD倍增区较薄时,暗计数的最主要来源是倍增区的隧穿;当SPAD倍增区较厚时,暗计数的决定性机制为吸收区的产生-复合效应。对于倍增区为1μm左右的SPAD,当温度较低时,倍增区的隧穿是暗计数的最主要来源,随着温度的升高,吸收区的产生-复合作用变得重要起来,当温度达到某一特定值时,吸收区的产生-复合成为暗计数的最主要来源。 改进了SPAD的驱动和控制技术,提出了积分门控模式单光子探测器方案,并给出了实验验证。与通常门控模式不同,在这个方案中,通过检测雪崩脉冲的电荷量,使电尖峰问题得到了很好的解决,进而有效地提高了单光子探测器的性能。对于1550nm波长,单光子量子效率达到了29.9%,同时每门暗计数降到了5.57×10~(-6),即达到1.11×10~(-7)/ns。


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