雪崩光電二極管（APD）專利發(fā)展綜述

廉海峰

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，蘇州 215000）

APD 是一種利用內(nèi)光電效應(yīng)和雪崩倍增效應(yīng)實現(xiàn)光信號的探測和信號放大的器件，它的核心結(jié)構(gòu)是 PN 結(jié)[1]。其工作的基本原理：在設(shè)定的工作偏壓下，APD倍增區(qū)存在很強的電場，當(dāng)光子在 APD 吸收區(qū)被吸收后產(chǎn)生光生電子-空穴對，并在強電場的作用下與勢壘區(qū)的晶格原子發(fā)生碰撞離化，產(chǎn)生新的電子-空穴對，新產(chǎn)生的電子-空穴對繼續(xù)發(fā)生碰撞電離，在一系列的碰撞離化后，形成雪崩倍增，達到對光信號的探測和放大的效果。

1 國外專利分析

國外專利申請量和時間的關(guān)系大致可以分為四個時期：

（1）萌芽期（1975年之前）：1957年德國西門子公司申請的一項專利中首次出現(xiàn)了典型的雪崩模式的I-V曲線，標志著雪崩增益器件的出現(xiàn)；1967年美國的貝爾實驗室申請了第一個APD器件的專利；在這之后，其它國家也出現(xiàn)了一些申請，但是數(shù)量都有限，該時期處于APD的萌芽期。

（2）快速增長期（1976～1989年）：隨著對硅、鍺、GaAs材料生長工藝的完善以及對于微弱光探測的需求的增長，APD器件的專利申請進入到了快速發(fā)展期，尤其是日本的申請量急劇增加。

（3）低谷期（1990～1999年）：在基于硅、鍺、GaAs材料的APD器件的研究日趨完善以及新材料發(fā)展緩慢的情況下，專利申請的數(shù)量不可避免的陷入的低谷。

（4）成熟期（2000年至今）：隨著材料生長工藝的進步，尤其是通過MOCVD外延技術(shù)的成熟，GaN[2]、SiC[3]等第三代半導(dǎo)體的生長工藝已經(jīng)能夠生長符合器件制備的材料，在此基礎(chǔ)上APD器件的專利申請再次步入增長并到達成熟期，在此期間的專利申請趨于平穩(wěn)。

2 中國專利申請狀況

國內(nèi)的發(fā)展非常滯后，當(dāng)國外已經(jīng)進入到成熟期時國內(nèi)才開始出現(xiàn)萌芽，直到2004年才由中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所申請了中國的第一個APD器件的專利。中國的申請中國外的申請人占了多數(shù)，排名前10中有6個國外申請人，這與我國進入該領(lǐng)域時間較晚的現(xiàn)實相符合，排名前10中的國內(nèi)申請人其中4個是高校或研究所。另外對國內(nèi)申請人已經(jīng)結(jié)案的申請的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)國內(nèi)公司的授權(quán)比例只有50%，而國內(nèi)高校研究所的授權(quán)比例達到80%。

3 雪崩光電二極管（APD）專利技術(shù)發(fā)展路線

雪崩光電二極管（APD）的發(fā)展主要圍繞材料與結(jié)構(gòu)，1957年德國西門子公司申請的一項專利中首次出現(xiàn)了典型的雪崩模式的I-V曲線，這標志著雪崩擊穿模式的出現(xiàn)。

1967年美國的貝爾實驗室申請了第一個APD器件的專利，制備該APD器件的材料是硅，其結(jié)構(gòu)是最簡單的一個PN結(jié)。同年，貝爾實驗室又申請了第一個臺面結(jié)構(gòu)的APD器件的專利，制備該器件的材料為砷化銦。1968年美國德州儀器公司申請了第一個平面結(jié)構(gòu)的APD器件的專利，制備該器件的材料可以是硅、鍺或砷化鎵。

1971年德國TELEFUNKEN PATENT申請了第一個SAM型 APD器件的專利。這種結(jié)構(gòu)的 APD 具備吸收區(qū)與雪崩區(qū)分離的特點，它可以實現(xiàn)單種載流子（電子或空穴）觸發(fā)雪崩，使載流子倍增時引入的碰撞電離隨機性減少，從而雪崩過噪聲也減小[4]。進入80年代后基于InGaAS/InP異質(zhì)結(jié)的APD器件蓬勃發(fā)展，其中日本公司是絕對主力。

隨著材料生長工藝的進步基于三族氮化物等半導(dǎo)體的紫外波段的APD器件陸續(xù)出現(xiàn)，例如1997年申請的基于InyAlxGa1-x-yN材料的APD器件；1999年申請的基于AlGaN的日盲型紫外APD；2002年申請的基于SiC材料的APD器件。

4 結(jié)束語

通過上述分析可以看出，從全球來看日本在該領(lǐng)域的專利最多，其次是美國，體現(xiàn)了這兩個國家技術(shù)實力的雄厚；中國進入該領(lǐng)域的時間比較晚，當(dāng)全球?qū)＠幱诔墒炱跁r中國才開始萌芽，并且中國的申請人主要是高校研究所，國內(nèi)公司不僅申請量少，授權(quán)比率也要大大低于高校研究所，這表明了我國在APD領(lǐng)域的研究還主要停留在理論實驗階段，國內(nèi)還鮮有公司能夠生產(chǎn)APD器件。APD器件在通訊、醫(yī)療、特別是軍事領(lǐng)域有著重要的作用，因此我國的APD研究還任重道遠。

[1] P.P.Webb，R.J.Mclntyre，and J.Conradi，RCA REV.，vol.35，pp.234-278，1974.

[2] Carrano J C，Lambert D J H，Eiting C J，et al.Applied Physics Letters，2000，76（7）：924-926.

[3] Yan F，Luo Y，Zhao J H，et al.Electronics Letters，1999，35（11）：929-930.

[4] C.Bayram，J.L.Pau，R.McClintock，and M.Razeghi，Appl.Phys.Lett.，92，241103（2008）.