重庆光电技术研究所研制70μm光敏面直径InGaAs SPAD
In0.53Ga0.47As雪崩光电二极管单光子探测器（SPAD）的响应波段为短波950~1700nm，覆盖量子通信使用的1550nm波长和激光探测的1064nm波段，是主流短波红外单光子探测器技术方案。为了获得更好性能，通常采用制冷(-30~-100℃)方式来降低暗计数率。然而，制冷装置如半导体制冷器（TEC）、热声制冷机等，会明显增加探测系统的体积和功耗，增加系统复杂度。因此，研究In0.53Ga0.47As SPAD的温度特性，是实现暗计数抑制的重要途径。
近期，重庆光电技术研究所的研究人员在《半导体光电》期刊上发表了题为“In0.53Ga0.47As雪崩光电二极管单光子探测器的温度特性研究”的论文，针对温度对In0.53Ga0.47As SPAD暗计数的影响，对暗计数的组成进行了详细分析，研究了各结构层中载流子在强电场下的温度特性，并进行了结构优化。最后，研制了光敏面直径为70μm的In0.53Ga0.47As SPAD芯片，并进行了性能测试。结果显示，70μm In0.53Ga0.47As SPAD在室温下的探测效率为14.2%，暗计数率为88.6kHz，噪声等效功率为3.82×10?1?W·Hz-1/2，仿真结果与测试结果的拟合曲线一致。
器件结构与仿真分析
器件结构
In0.53Ga0.47As SPAD采用SAGCM结构，即分离的吸收层、渐变层、电荷层和倍增层，如图1所示。从下往上依次为n?-InP缓冲层、i-InGaAs吸收层、n-InGaAsP渐变层、n-InP电荷层、i-InP倍增层和p?-InP扩散层。
图1 In0.53Ga0.47As SPAD器件结构
仿真计算
基于半物理仿真模型（Quasi-Physical Model）进行单光子探测效率（PDE）和暗计数率（DCR）的数值仿真计算。得到273K时不同过偏压工作过偏压（Vob）工作条件下单位面积DCR的仿真结果，如图2所示。仿真参数中，吸收层掺杂浓度为1×10?cm?3，吸收层厚度为1.5μm，倍增层掺杂浓度为2×101?cm?3，倍增层厚度为1.2μm。从图中可以看出，In0.53Ga0.47As SPAD的DCR主要来源于InP倍增区的缺陷辅助隧穿（TAT）载流子、带间隧穿（BBT）载流子和InGaAs吸收层的SRH热生载流子。在低过偏压下，DCR主要由非平衡载流子复合（SRH）热生载流子决定。随着偏压增大，内部电场增大，隧穿过程占主导。
图2 暗计数主要来源
下面分别对DCR的三个主要来源的温度特性进行分析。仿真了不同温度下（295，273，263K）的暗计数情况，如图3~5所示。
图3 DCR_SRH InGaAs温度特性仿真结果
图4 DCR_TAT InP温度特性仿真结果
图5 DCR_BBT InP温度特性仿真结果
芯片制备
根据InGaAs SPAD的温度特性，对器件结构和材料制备工艺进行了优化，将本征吸收区的掺杂浓度控制在1×10?cm?3以下，并通过调节电荷层使吸收区的电场强度低于20kV/cm，以此减小DCR_SRH暗计数率。利用化合物半导体工艺线制备出光敏面直径为70μm的In0.53Ga0.47As SPAD芯片，芯片为背照结构。通过刻蚀隔离出光敏区，使得芯片的p，n电极在同一侧。共电极设计使得后续封装更加方便，器件采用TO封装、光纤耦合方式。芯片实物图如图6所示。
图6 In0.53Ga0.47As SPAD芯片实物照片
性能测试
分别测试了70μm In0.53Ga0.47As SPAD的直流参数和单光子响应特性。
图7为不同温度下70μm In0.53Ga0.47As SPAD的I-V曲线。测试采用平均功率为1μW的1550nm激光光源。从测试结果可以看出，随着温度从295K下降到273K，In0.53Ga0.47As SPAD的击穿电压从66.4V下降到64.1V，温度系数为0.105V/K。同时，反偏电压为20V时的暗电流从5.8×10?11下降到1.9×10?11，说明室温下热激发载流子是暗电流的主要来源。
图7 I-V 测试曲线
搭建了门控模式单光子探测器测试系统，门控工作频率为1.25GHz，激光器波长为1550nm，通过衰减器获得平均能量约为0.1个光子的单脉冲信号。测试了不同温度下光敏面直径为70μm的In0.53Ga0.47As SPAD的PDE和DCR，如图8所示。
图8 70μm光敏面直径In0.53Ga0.47As SPAD测试结果与仿真结果对比
从仿真值和测试结果可以看出，数据拟合得很好。增加器件两端过偏压，PDE增大，DCR也随之增大。室温下PDE为14.2%，DCR为88.6kHz，NEP值为3.82×10?1?W·Hz-1/2。根据测试结果，提取了不同工作偏压下的激活能参数，如图9所示。可知，在295~243K温度范围内，70μm In0.53Ga0.47As SPAD的激活能拟合值为0.167~0.175eV。激活能越大，说明SPAD暗计数受温度的影响越大。
图9 70μm光敏面直径In0.53Ga0.47As SPAD的激活能
结论
本文通过仿真计算，分析了In0.53Ga0.47As?SPAD器件中暗计数的主要来源，研究了SRH非平衡载流子复合过程、BBT带间隧穿过程和TAT缺陷辅助隧穿过程中温度对暗计数的影响。仿真结果表明，在近室温下，SRH暗计数受温度的影响最大。在分析基础上，对器件进行了优化，并研制了光敏面直径达70μm的InGaAs SPAD器件。测试结果显示, 70μm?In0.53Ga0.47As?SPAD在室温下的探测效率PDE为14.2%，暗计数率DCR为88.6kHz，仿真结果与测试结果的拟合曲线一致。同时，估算了NEP值为3.82×10?1?W·Hz-1/2，激活能拟合值为0.167~0.175eV。
