基于APD参数建模的单光子探测研究

作者:艾青;万钧力 刊名:量子电子学报 上传者:祝建华

【摘要】针对单光子雪崩光电二极管(SPADs)的单光子量子效率(SPQE),提出了一种严格的数学模型。模型适用于工作波长为1.3μm和1.5μm的In_(0.52)Al_(0.48)As、InP倍增层和In_(0.52)Al_(0.48)As-InP异质结倍增层的SPADs。模型作为器件结构、工作电压、倍增层材料的函数,可用来优化SPQE,进而评估和优化盖革模式下APDs的性能。

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1引言单光子雪崩光电二极管(SPADs),也称为盖革模式雪崩光电二极管(GM一APDs)[‘],是一种在可见光和近红外光等众多要求高单光子探测效率应用领域中的重要器件冈,工作波长为通信波长时,盖革模式下与常规模式下APDS的性能存在着较大差异。出现这种情况很大程度上是因为缺乏对APD盖革模式下相应性能参数和器件优化策略的认识[s]。本文提出一种数学处理的220量子电子学报30卷方法来评估和优化盖革模式下APDS的性能,使APDS在盖革模式的装置中也能够获得常规模式下所呈现的优良性能。2SPADS器件参数模拟及性能分析评估盖革模式下APDs的雪崩特性应引入载流子的雪崩概率。通常,反向偏置电压超过某闭值(雪崩电压诈R)时,雪崩概率从O跳变至1。而雪崩概率从。到1的跳变越陡峭,器件雪崩特性就越好叫。然而,雪崩特性的提升并不意味着主要由单光子量子效率(sPQE)表征的盖革模式下APD性能的提升[sl。除了雪崩特性,还有一些其它的重要因素可以像倍增层厚度和结构的变化一样影响SPQE,例如倍增层与吸收层中电场的大小和暗载流子的产生[0].而暗计数率凡是包含在SPQE中的一个关键因素,它由暗载流子触发,会导致错误计数。至今,由于倍增层厚度和结构的变化而导致SPQE与凡变化的这一领域并没有得到系统的研究。我们提出一种理论模型用来评估SPQE对SPAD倍增层结构和厚度的依赖程度,为工作于纳秒门控模式SPADs的单光子探测和计数,以及探索和优化新型APD结构,提供一种有效分析方法。假设带到带遂穿载流子是倍增层暗电流的主要来源,通过研究工作电压和结构(倍增层厚度)与SPQE和几的关系来优化SpADs。3雪崩概率和暗电流模型研究载流子雪崩概率必须区分光子触发雪崩概率Pa与暗载流子雪崩概率Q。。因为载流子所对应的雪崩概率依赖于载流子在倍增层产生或注入倍增层的位置Iv]。在分离一吸收一倍增(SAM)sPAD中,光生载流子是假定注入倍增层的,暗载流子可以在倍增层任意位置随机产生。而在吸收层产生的暗载流子应理解为同对应的光生载流子具有相同的雪崩概率。根据载流子触发雪崩的位置可定义两种不同类型的雪崩概率:注入式载流子雪崩概率Pa反映了注入倍增层载流子所致的雪崩概率。另一方面,分布式载流子雪崩概率Q。表示倍增层中随机产生的暗载流子所致的雪崩概率。假定暗载流子产生依据倍增层中某种特定的空间分布,又因为所有的载流子所致的雪崩概率都依赖于载流子的产生位置,则Q。为倍增层中暗载流子随机产生位置的所有可能情况的平均雪崩概率。这种分布式情况曾在Hakim等的关于线型工作模式下过噪声特性的文中提及[s1。现在引入一种称为循环死空间倍增理论(DSMT)I0]的方法来计算Pa和Q。。3.1死空间倍增理论模型设APD倍增层(可能由多层组成)从x=0到x二、区间的电场分布为E(x)。初始电子穿过梯度电场,并从x二O处注入倍增层的初始能量为E0。根据基本碰撞电离原理,如果材料的电子电离阐值能量为Eie,注入电子必须漂移初始死空间距离de。才能碰撞电离,其获得的能量为_一、rrte。(E‘一场)一j0“E(y)d“,(1)而且,根据严格闭值死空间倍增模型,初代载流子初始碰撞电离距离石的概率密度函数(PDF)给出如下(,,、产,、,1“一(“,一}口气“’e‘pl一户一口L“’Q““’石全de。(2)石<deo其中a()为不依赖于位置的电子电离系数,可以用材料参数模型所模拟的电场来计算。初次电离后,具有零初始动能的两个电子和一个空穴便产生了。而且,对于一个x点处产生具有零初始动能的后代电子,其初始碰撞电离距离

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