應用研究簡介

這篇發表文獻發布於2024國際SPAD感測器研討會，介紹了一種針對1064 nm波長探測的平面型InGaAsP/InP單光子雪崩二極體（SPAD）系列。該器件採用10 µm直徑設計，並利用分離式吸收-電荷倍增（SACM）結構和雙鋅（Zn）擴散技術來形成倍增區和保護環（GR）區域。此設計允許從背面照射SPAD，並透過調整Zn擴散深度來實現低噪聲和均勻的光響應。 

研究團隊

研究團隊來自瑞士洛桑聯邦理工學院 (EPFL)，成員包括：Utku Karaca、Ekin Kizilkan、Claudio Bruschini和Edoardo Charbon。

設計重點

設計重點在於利用 TCAD 模擬優化結構參數，並採用 SACM 結構和背照式設計，以達到低噪聲、高光子偵測概率 (PDP) 和低時間抖動的目標。

• TCAD模擬確定鋅擴散深度：為了降低噪聲並獲得均勻的光響應，研究人員使用 TCAD 模擬來確定淺層和深層鋅擴散的最佳深度差。模擬結果顯示，0.5 µm 的深度差是較佳的方案，儘管這可能會稍微降低光響應的均勻性。
  圖 3 展示了相關的模擬結果。
  圖 4 的 SEM 影像也證實了製造出的元件其鋅擴散深度與設計值相符。
• 分離吸收電荷倍增 (SACM) 結構：SPAD 採用 SACM 結構，將吸收區和倍增區分開，可以更有效地控制電場分佈，提高器件性能。
• 雙鋅擴散技術：利用雙鋅擴散技術形成倍增區和保護環 (GR) 區域。保護環的設計可以有效降低邊緣崩潰的可能性，提高器件的可靠性。
• 背照式設計：n 型接觸層被設計在頂部表面，允許光從背面照射 SPAD。這種設計可以避免頂部金屬層對入射光的遮擋，提高光子偵測效率。
• 吸收層厚度和摻雜濃度：吸收層厚度設計為 1 µm，電荷層摻雜濃度大於 2×10¹⁷ cm^-3，以確保在達到崩潰電壓之前，吸收層中的載流子能被電場完全耗盡。
  圖 2 展示了電場模擬結果，顯示電場足以耗盡吸收層。
• 多種倍增區厚度：為了研究倍增區厚度對器件性能的影響，設計並製作了三種不同倍增區厚度 (1.5 µm、1.3 µm 和 0.75 µm) 的 10 µm 直徑 SPAD。研究結果顯示，較薄的倍增區可以提高 PDP 並降低時間抖動，但同時也會增加暗計數率 (DCR)。

電場分佈模擬

圖 2：TCAD 模擬的電場分佈圖，此圖展示了 300K 溫度下，SPAD 器件內部的電場分佈情況。從圖中可以看出，電場強度在倍增區最高，這是為了確保在倍增區內發生雪崩倍增。同時，電荷層的電場強度也足夠高，可以有效地將光生載流子從吸收區傳輸到倍增區。

器件結構與製備

為了優化器件性能，研究人員採用了TCAD模擬來確定Zn擴散深度，以確保低噪聲和均勻的光響應。模擬結果顯示，淺層和深層Zn擴散之間0.5 µm的深度差是較佳的解決方案。透過掃描式電子顯微鏡（SEM）圖像驗證，製備的器件Zn擴散深度與設計值相符。此外，研究人員還製備了具有不同倍增區厚度的SPAD（1.5 µm、1.3 µm和0.75 µm），並透過電流-電壓（I-V）特性曲線確定了每個器件的雪崩擊穿電壓和穿通電壓。

暗計數率量測結果

圖 7：不同倍增區厚度器件的 DCR 測量結果，圖 7(a)、(b) 和 (c) 分別展示了 1.5 µm、1.3 µm 和 0.75 µm 倍增區厚度的 SPAD 器件在不同溫度下的暗計數率 (DCR) 測量結果，測試條件為 10 kHz 閘控頻率和 100 ns 閘控時間。圖中數據顯示，隨著溫度的降低，所有器件的 DCR 都顯著下降。

性能表徵與分析

• 暗計數率（DCR）：暗計數率（DCR）是SPAD的一個重要性能指標，它代表在沒有光照射的情況下，器件產生的噪聲訊號數量。文獻中使用時控閘模式對SPAD進行了測試，並在不同溫度下測量了DCR。結果顯示，倍增區厚度為1.5 µm的SPAD在300K、5 Vex條件下，DCR中位數為53 kcps，而在225K時則降至2.75 kcps。降低溫度可以有效降低DCR，這是因為熱激發載流子是造成DCR的主要原因之一。
• 光子探測效率（PDP）：光子探測效率（PDP）是衡量SPAD靈敏度的關鍵指標，表示器件探測到入射光子的概率。
  圖 9(a)、(b) 和 (c) 分別展示了 1.5 µm、1.3 µm 和 0.75 µm 倍增區厚度的 SPAD 器件在 300K 溫度、10 kHz 閘控頻率和 100 ns 閘控時間條件下，使用單色儀和廣譜燈在 1060 nm 波長下測量的光子探測效率 (PDP)。結果顯示，較薄的倍增區可以獲得更高的 PDP。在300K、5 Vex條件下，倍增區厚度為1.5 µm的SPAD的PDP為19.5%，而厚度為0.75 µm的SPAD則達到了21.5%。此外，在9 Vex條件下，1.5 µm厚度的SPAD實現了36%的高PDP。
• 時間抖動：時間抖動是指SPAD響應時間的波動，是影響時間分辨率的重要因素。文獻中採用時間相關單光子計數（TCSPC）技術測量了不同倍增區厚度SPAD的時間抖動。結果顯示，在300K條件下，倍增區厚度為1.5 µm、1.3 µm和0.75 µm的SPAD的時間抖動（FWHM）分別為118.4 ps、110 ps和84 ps。較薄的倍增區可以縮短響應時間，從而降低時間抖動。
• 後脈衝概率（APP）：後脈衝是指在雪崩事件之後，由於陷阱釋放載流子而產生的額外脈衝，會影響SPAD的計數準確性。
  圖 10 展示了不同溫度和閘控頻率下，SPAD 器件的雪崩脈衝間隔直方圖，閘控時間為 100 ns。通過分析這些直方圖，可以評估不同工作條件下 SPAD 的後脈衝概率 (APP)。文獻中通過分析雪崩脈衝間隔直方圖，評估了不同溫度和閘控頻率下SPAD的後脈衝概率。結果顯示，在300K、500 kHz閘控頻率下，後脈衝概率僅為11.1%，而在200 kHz時則降至5.8%。這些結果表明，所開發的SPAD在高頻操作下仍能保持較低的後脈衝概率。

與現有技術的比較與應用領域

文獻將所開發的SPAD與現有的InGaAsP SPAD進行了比較，結果顯示，這些SPAD具有最小的尺寸、高PDP和低時間抖動。此研究的 InGaAsP/InP SPAD 裝置主要應用於以下幾個領域：

• 長距離光探測和測距 (LiDAR)：1064 nm 波長在長距離傳輸中具有較低的散射和吸收特性，因此適用於 LiDAR 系統，例如自動駕駛、地圖測繪和環境監測。
• 自由空間光通信：1064 nm 波長的光束不易受大氣影響，適用於自由空間光通信，例如衛星通訊和地面光學通訊。
• 醫療應用：例如時間門控漫射相關光譜法 (TG-DCS)，可利用 1064 nm 波長進行血液流速測量。
• 高功率雷射實驗：高功率 1064 nm Nd:YAG 雷射相關實驗，此類雷射具有多種用途，InGaAsP/InP SPAD 可作為探測器，應用於相關實驗研究。

研究結論

本研究成功開發了一系列高性能的InGaAsP/InP SPAD，並透過多種表徵手段對其性能進行了全面評估。研究結果表明，該器件在暗計數率、光子探測效率、時間抖動和後脈衝概率等方面均表現出色，並在與現有技術的比較中展現出顯著優勢。由於 CMOS 型 SPAD 的光子偵測機率 (PDP) 在近紅外線 (NIR) 範圍內會降低，因此在 1064 奈米波長下運作的單光子相機需要使用其他替代方案，例如超導奈米線單光子偵測器 (SNSPD) 和 InGaAsP/InP 單光子雪崩二極體 (SPAD)。然而，InGaAsP/InP SPAD 在比 SNSPD 高得多的溫度下表現良好，甚至在室溫下也能運作，因此可以實現可擴展、緊湊且具有成本效益的解決方案。