[发明专利]一种自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管

说明书

本发明公开了一种自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管，包括外延结构，所述外延结构包括InP衬底，InGaAs吸收层，InGaAsP缓冲层，倍增区，势垒区以及外延集成在器件表面的淬灭薄膜电阻。本发明的外延结构无需使用外部淬灭电路在保证器件性能的同时，加入内部势垒区对雪崩电流进行淬灭，同时在外部外延集成的淬灭薄膜电阻进行二次淬灭，两次淬灭既保证了雪崩电流淬灭完全又抑制了增益的波动性，同时也简化了器件的外部电路，可用于自由运行模式。

技术领域

发明涉及光电探测器领域，具体涉及一种自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管。

背景技术

单光子探测器是目前量子保密通信应用中的关键器件。具有高性价比的InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Photodiodes:SPAD)是应用广泛的主流单光子探测器。基于其工作模式的不同，可以基本划分为门控模式和自由运行模式两类。其中，门控模式的SPAD需要门脉冲淬灭电路来防止热失控导致的雪崩击穿，使器件的偏置电压只有在单光子到来时处于雪崩电压之上，该模式要求光子到达时间已知。而应用广泛的自由运行模式中光子到达时间是未知的，需要SPAD时刻处于准“准备探测状态”。引入负反馈机制，可以在无外部淬灭电路的情况下实现器件的自淬灭和自恢复，具有驱动电路简单、响应时间快，能应用于自由运行模式等优点。

目前InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管主要采用(Separate absorption,grading,charge and multiplication，简写为SAGCM：分离吸收、渐变、电荷、倍增型)SAGCM结构。在此结构中可以进行自淬灭或自恢复的结构有，以及在器件内部引入异质结势垒进行器件的自淬灭和自恢复两种。NFAD结构的器件过剩噪声低无需外部淬灭电路，但存在持续电流、恢复时间的问题；而自淬灭自恢复器件增益稳定并降低了过剩噪声，但器件异质结的势垒区的层厚度和势垒高度设计是关键，它们决定了自淬灭时间和器件增益，势垒阻挡层越高，雪崩淬灭越快，但增益越低，反之亦然，两者之间存在矛盾。因此新型负反馈雪崩二极管，通过一个小的异质结势垒高度，完成第一次淬灭，使器件处于较高且稳定的雪崩增益状态下；再在器件表面集成中等阻值的薄膜电阻完成第二次淬灭，采用两次淬灭的方式实现器件的彻底自淬灭。通过将异质结势垒和外部集成淬灭电阻相结合，合理分配两次淬灭在总淬灭中的比例，可以降低器件自淬灭对异质结势垒高度的需求，既维持了高稳定增益还改善了持续电流，进而提高器件的探测效率。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种无需外部淬灭电路，增益可控的自由运行模式的雪崩光电二极管。

为实现上述目的，本发明提供了一种自由运行模式下的负反馈雪崩光电二极管，包括外延结构；所述外延结构包括InP衬底，InGaAs吸收层，InGaAsP缓冲层，倍增区，势垒区以及外延集成在器件表面的淬灭薄膜电阻。

所述势垒区有三层，分别为InGaAlAs材料层、InAlAs材料层和InP材料层。所述的势垒区每层厚度在0.1～0.5μm范围。

所述倍增区为InP材料，从下到上依次为n-InP,i-InP和P-InP共三层。所述倍增区每层厚度在0.1～3.5μm范围。

所述的器件表面外延集成的淬灭薄膜电阻为外延集成的NiCr的合金薄膜电阻，厚度为40nm～1μm。

本发明具有的有益效果：

(1)相比现有的传统的SPAD器件，本发明无需外部复杂的淬灭电路，可以简化SPAD电路系统、有效控制增益降低器件过剩噪声，且可以用于自由运行模式；

(2)本发明的外延结构具有直流偏置、增益稳定、低噪声的特性，重新优化了各层的厚度与掺杂，使器件特性达到自由运行模式的工作要求；