应用研究简介

这篇发表文献发布于2024国际SPAD传感器研讨会，介绍了一种针对1064 nm波长探测的平面型InGaAsP/InP单光子雪崩二极管（SPAD）系列。该器件采用10 µm直径设计，并利用分离式吸收-电荷倍增（SACM）结构和双锌（Zn）扩散技术来形成倍增区和保护环（GR）区域。此设计允许从背面照射SPAD，并透过调整Zn扩散深度来实现低噪声和均匀的光响应。 

研究团队

研究团队来自瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL)，成员包括：Utku Karaca、Ekin Kizilkan、Claudio Bruschini和Edoardo Charbon。

设计重点

设计重点在于利用 TCAD 仿真优化结构参数，并采用 SACM 结构和背照式设计，以达到低噪声、高光子侦测概率 (PDP) 和低时间抖动的目标。

• TCAD模拟确定锌扩散深度：为了降低噪声并获得均匀的光响应，研究人员使用 TCAD 模拟来确定浅层和深层锌扩散的最佳深度差。仿真结果显示，0.5 µm 的深度差是较佳的方案，尽管这可能会稍微降低光响应的均匀性。
  图 3 展示了相关的模拟结果。
  图 4 的 SEM 影像也证实了制造出的组件其锌扩散深度与设计值相符。
• 分离吸收电荷倍增 (SACM) 结构：SPAD 采用 SACM 结构，将吸收区和倍增区分开，可以更有效地控制电场分布，提高器件性能。
• 双锌扩散技术：利用双锌扩散技术形成倍增区和保护环 (GR) 区域。保护环的设计可以有效降低边缘崩溃的可能性，提高器件的可靠性。
• 背照式设计：n 型接触层被设计在顶部表面，允许光从背面照射 SPAD。这种设计可以避免顶部金属层对入射光的遮挡，提高光子侦测效率。
• 吸收层厚度和掺杂浓度：吸收层厚度设计为 1 µm，电荷层掺杂浓度大于 2×10¹⁷ cm^-3，以确保在达到崩溃电压之前，吸收层中的载流子能被电场完全耗尽。
  图 2 展示了电场仿真结果，显示电场足以耗尽吸收层。
• 多种倍增区厚度：为了研究倍增区厚度对器件性能的影响，设计并制作了三种不同倍增区厚度 (1.5 µm、1.3 µm 和 0.75 µm) 的 10 µm 直径 SPAD。研究结果显示，较薄的倍增区可以提高 PDP 并降低时间抖动，但同时也会增加暗计数率 (DCR)。

电场分布仿真

图 2：TCAD 模拟的电场分布图，此图展示了 300K 温度下，SPAD 器件内部的电场分布情况。从图中可以看出，电场强度在倍增区最高，这是为了确保在倍增区内发生雪崩倍增。同时，电荷层的电场强度也足够高，可以有效地将光生载流子从吸收区传输到倍增区。

器件结构与制备

为了优化器件性能，研究人员采用了TCAD模拟来确定Zn扩散深度，以确保低噪声和均匀的光响应。仿真结果显示，浅层和深层Zn扩散之间0.5 µm的深度差是较佳的解决方案。透过扫描式电子显微镜（SEM）图像验证，制备的器件Zn扩散深度与设计值相符。此外，研究人员还制备了具有不同倍增区厚度的SPAD（1.5 µm、1.3 µm和0.75 µm），并透过电流-电压（I-V）特性曲线确定了每个器件的雪崩击穿电压和穿通电压。

暗计数率测量结果

图 7：不同倍增区厚度器件的 DCR 测量结果，图 7(a)、(b) 和 (c) 分别展示了 1.5 µm、1.3 µm 和 0.75 µm 倍增区厚度的 SPAD 器件在不同温度下的暗计数率 (DCR) 测量结果，测试条件为 10 kHz 闸控频率和 100 ns 闸控时间。图中数据显示，随着温度的降低，所有器件的 DCR 都显著下降。

性能表征与分析

• 暗计数率（DCR）：暗计数率（DCR）是SPAD的一个重要性能指标，它代表在没有光照射的情况下，器件产生的噪声信号数量。文献中使用时控闸模式对SPAD进行了测试，并在不同温度下测量了DCR。结果显示，倍增区厚度为1.5 µm的SPAD在300K、5 Vex条件下，DCR中位数为53 kcps，而在225K时则降至2.75 kcps。降低温度可以有效降低DCR，这是因为热激发载流子是造成DCR的主要原因之一。
• 光子探测效率（PDP）：光子探测效率（PDP）是衡量SPAD灵敏度的关键指标，表示器件探测到入射光子的概率。
  图 9(a)、(b) 和 (c) 分别展示了 1.5 µm、1.3 µm 和 0.75 µm 倍增区厚度的 SPAD 器件在 300K 温度、10 kHz 闸控频率和 100 ns 闸控时间条件下，使用单色仪和广谱灯在 1060 nm 波长下测量的光子探测效率 (PDP)。结果显示，较薄的倍增区可以获得更高的 PDP。在300K、5 Vex条件下，倍增区厚度为1.5 µm的SPAD的PDP为19.5%，而厚度为0.75 µm的SPAD则达到了21.5%。此外，在9 Vex条件下，1.5 µm厚度的SPAD实现了36%的高PDP。
• 时间抖动：时间抖动是指SPAD响应时间的波动，是影响时间分辨率的重要因素。文献中采用时间相关单光子计数（TCSPC）技术测量了不同倍增区厚度SPAD的时间抖动。结果显示，在300K条件下，倍增区厚度为1.5 µm、1.3 µm和0.75 µm的SPAD的时间抖动（FWHM）分别为118.4 ps、110 ps和84 ps。较薄的倍增区可以缩短响应时间，从而降低时间抖动。
• 后脉冲概率（APP）：后脉冲是指在雪崩事件之后，由于陷阱释放载流子而产生的额外脉冲，会影响SPAD的计数准确性。
  图 10 展示了不同温度和闸控频率下，SPAD 器件的雪崩脉冲间隔直方图，闸控时间为 100 ns。通过分析这些直方图，可以评估不同工作条件下 SPAD 的后脉冲概率 (APP)。文献中通过分析雪崩脉冲间隔直方图，评估了不同温度和闸控频率下SPAD的后脉冲概率。结果显示，在300K、500 kHz闸控频率下，后脉冲概率仅为11.1%，而在200 kHz时则降至5.8%。这些结果表明，所开发的SPAD在高频操作下仍能保持较低的后脉冲概率。

与现有技术的比较与应用领域

文献将所开发的SPAD与现有的InGaAsP SPAD进行了比较，结果显示，这些SPAD具有最小的尺寸、高PDP和低时间抖动。此研究的 InGaAsP/InP SPAD 装置主要应用于以下几个领域：

• 长距离光探测和测距 (LiDAR)：1064 nm 波长在长距离传输中具有较低的散射和吸收特性，因此适用于 LiDAR 系统，例如自动驾驶、地图测绘和环境监测。
• 自由空间通讯：1064 nm 波长的光束不易受大气影响，适用于自由空间通讯，例如卫星通讯和地面光学通讯。
• 医疗应用：例如时间门控漫射相关光谱法 (TG-DCS)，可利用 1064 nm 波长进行血液流速测量。
• 高功率激光实验：高功率 1064 nm Nd:YAG 激光相关实验，此类激光具有多种用途，InGaAsP/InP SPAD 可作为探测器，应用于相关实验研究。

研究结论

本研究成功开发了一系列高性能的InGaAsP/InP SPAD，并通过多种表征手段对其性能进行了全面评估。研究结果表明，该器件在暗计数率、光子探测效率、时间抖动和后脉冲概率等方面均表现出色，并在与现有技术的比较中展现出显著优势。由于 CMOS 型 SPAD 的光子侦测概率 (PDP) 在近红外线 (NIR) 范围内会降低，因此在 1064 纳米波长下运作的单光子相机需要使用其他替代方案，例如超导纳米线单光子探测器 (SNSPD) 和 InGaAsP/InP 单光子雪崩二极管 (SPAD)。然而，InGaAsP/InP SPAD 在比 SNSPD 高得多的温度下表现良好，甚至在室温下也能运作，因此可以实现可扩展、紧凑且具有成本效益的解决方案。

此文章发表于2024 International SPAD Sensor Workshop
图片与原文来源:
https://www.imagesensors.org/Past%20Workshops/2024%20ISSW/Papers/R02.2.pdf