[发明专利]一种近红外单光子雪崩光电二级管的参数优化方法及平台

说明书

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，尤其涉及一种近红外单光子雪崩光电二级管的参数优化方法及平台。

背景技术

单光子探测器是灵敏度最高的微弱光探测工具，在许多领域比如量子通信、光子雷达、激光成像、荧光探测等都有广泛而重要的应用。

在近红外波段，目前主要的单光子探测种类包括光电倍增管、单光子雪崩光电二极管、超导纳米线单光子探测器、频率上转换探测器等。各种探测器都有其相应的优缺点，比如，光电倍增管的探测效率低、噪声高，超导纳米线单光子探测器在探测效率、暗计数、时间分辨等几个性能指标上都具备优势，但需要超低温制冷的工作环境、成本高、体积大。而单光子雪崩光电二极管因其不需要超低温制冷、成本低、体积小、易于系统集成、性能稳定可靠等一系列优势，在诸如实用化量子通信领域中已经得到广泛的应用。

为了能够实现近红外单光子的探测，单光子雪崩光电二级管(Single-Photon Avalanche Diode，以下简称SPAD)需要工作在盖革模式。在这种模式下SPAD两端的反偏电压大于其雪崩电压，SPAD的PN结内的电场强度达到1E5V/cm量级。当单个光子入射到这个PN结内会产生一对电子空穴对，电子空穴对在强电场的作用下加速往SPAD的两极运动，在这个过程中会与晶格发生碰撞电离并产生越来越多的电子空穴对，从而形成雪崩效应，当雪崩电流超过读出电路的阈值后即被检测到。

当前，用于近红外波段单光子探测的雪崩二极管通常采用分离吸收—渐变—电荷—倍增(SAGCM)异质结结构的III-V材料体系包括InGaAs/InP、InGaAs/InAlAs等。然而，很多实际中采用的雪崩二极管器件原本用于传统光通信，在器件设计时未对单光子探测进行优化导致单光子探测性能差且一致性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种近红外单光子雪崩光电二级管的参数优化方法及平台，适合于所有采用分离吸收—渐变—电荷—倍增(SAGCM)异质结结构的III-V材料体系，实现了单光子雪崩光电二极管结构参数和工作条件的全局优化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种近红外单光子雪崩光电二级管的参数优化方法，包括：

获取输入的近红外单光子雪崩光电二级管的在预定工作温度下的结构参数；

根据结构参数并结合高斯方程计算近红外单光子雪崩光电二级管的电场分布，进而得到近红外单光子雪崩光电二级管倍增层各位置的雪崩概率；

根据得到的雪崩概率与电场分布计算近红外单光子雪崩光电二级管的本征参数。

所述根据结构参数并结合高斯方程计算近红外单光子雪崩光电二级管的电场分布的表达式为：

上式在一维条件下变为：

其中，▽为散度，E为电场强度，ρ为电荷密度，ε_i为近红外单光子雪崩光电二级管第i层材料的介电常数，E_i为前述高斯方程计算出的最大电场强度，q为基本电荷单位，E(x)为位置x处的电场强度，d为位置x所在层的厚度。

计算近红外单光子雪崩光电二级管倍增层各位置的雪崩概率的公式包括：

上式中，P_e与P_h分别为电子与空穴在近红外单光子雪崩光电二级管倍增层内x'位置触发雪崩的概率，α_e与α_h分别为电子与空穴在近红外单光子雪崩光电二级管倍增层内x'位置处的电离系数；

则电子与空穴对在近红外单光子雪崩光电二级管倍增层内x位置触发雪崩的概率P_b(x')为：

P_b(x')＝1-(1-p_e(x'))(1-p_h(x'))；

上述电离系数α_e与α_h根据电场强度进行计算：

其中，F为近红外单光子雪崩光电二级管倍增层的电场强度，k为玻尔兹曼常数，T为预定工作温度；E_{th_h}＝1.45eV，E_{th_e}＝1.60eV，

所述近红外单光子雪崩光电二级管的本征参数包括：雪崩电压、探测效率及暗记数。

所述雪崩电压为P_e(0)＝0或P_h(W)＝0时的电压；其中，W为近红外单光子雪崩光电二级管所有层的总厚度。