適用于單光子探測器的電流放大器的設計與仿真

耿 煜 ,賴 紅,李 欽,張運生,郭敏強，邱 婉,王金龍

(1.深圳信息職業(yè)技術學院 軟件學院；2.深圳市兆陽信息技術研究院，廣東 深圳 518000;3.濰坊工程職業(yè)學院，山東 濰坊 262500)

引言

單光子探測器在微信號探測尤其是微光探測領域有著極大的需求，尤其是在宇航，量子通信和生物光子學等領域中，經常會有探測單光子信號等極限要求[1-3]。單光子探測器是一種超低噪聲器件，增強的靈敏度使其能夠探測到光的最小能量量子——光子。單光子探測在生物光子學、醫(yī)學影像、非破壞性材料檢查、國土安全與監(jiān)視、軍事視覺與導航、量子成像以及加密系統(tǒng)等方面有重要的應用。

光電放大器是單光子探測器的核心器件，同時也是光纖通信等設備的核心器件[4]。目前廣泛使用的光電放大器主要是基于雪崩放大機制的雪崩光電二極管和利用二次電子發(fā)射機制的光電倍增管。

雖然上述兩種器件的輸出信號都有著有效的放大，但是它們都是將光信號探測和光電流放大限制在一個器件中，并不能使光探測和光電流放大分別獨立優(yōu)化，而且有著設計復雜或者工作環(huán)境要求高等難點。對于光纖通信中常用的雪崩光電二極管而言，吸收光信號和放大光電流信號嚴重受制于雪崩光電二極管所使用的材料。硅材料在集成電路大規(guī)模使用，有極大的電離系數(shù)差，制作的雪崩光電二極管放大倍數(shù)很高[5-8]。但是硅并不能吸收1.3微米和1.5微米波長范圍內通信波段的光信號。為了吸收此波段的光信號，人們不得不采用III-V族半導體。雖然III-V族半導體對通信波段的光有著很好的吸收效率，但是光電流放大倍數(shù)并不能令人滿意。因此，一種能夠結合硅和III-V族半導體光電放大器優(yōu)點的信號放大器件將會是適用于單光子探測器等領域的理想器件。

此工作研究的適用于單光子探測器的電流放大器可以與硅和III-V探測器等電流源集成。這樣，既可以放大探測器探測的光信號，也可以直接放大電流源的電信號，而且此放大器采用硅材料，既保證了高增益，又可以充分利用硅集成電路大規(guī)模制造的優(yōu)勢，并且可以采用級聯(lián)的形式進一步提高放大倍數(shù)。

1 器件原理與設計

本單光子探測器基本原理圖如圖 1所示，正電極與負電極之間由于高電壓，產生了大電場。擁有更大電子碰撞電離系數(shù)和空穴碰撞電離系數(shù)差別的材料(例如硅)可以產生更少的噪聲。對于硅來說，電子比空穴容易電離50到1000倍[9]。器件反偏工作時，正負電極之間建立起較強的電場。由于硅的電子電離系數(shù)遠大于空穴，再加上我們通過地電極吸收電離放大的空穴，可以阻止空穴和電子的復合，從而有效地降低噪聲，提高增益。地電極在這里起到了空穴吸收器的作用。從圖 1可知，器件要求電子在垂直于電極的方向運動，空穴需要有較大的水平移動使其從電子的路徑上清除。這就要求器件工作期間電場在垂直于電極方向足夠大從而使電子發(fā)生雪崩效應，橫向的電場大小足夠將空穴拖走并且不發(fā)生雪崩效應[9-12]。

圖1 單光子探測器工作示意圖

根據(jù)圖 1的原理圖同時為了簡化后期器件制造，課題組設計了如圖 2所示的器件結構。陰陽極之間的距離為 d，空穴吸收器與陽極的距離為 w，中間填充二氧化硅作為絕緣材料。

圖2 器件設計頂視圖

2 器件仿真與優(yōu)化

課題組使用 Silvaco 光電仿真軟件對器件進行了仿真。仿真器件參數(shù)為w = 5 μm,d = 10 μm，器件電極采用鋁電極，施加反向偏壓 60 V，襯底為本征濃度為1×1015cm-3的p- 型硅沉底。初始器件采用pin結構，陽極為摻雜濃度1×1019cm-3的p型硅，陰極為摻雜濃度-1×1019cm-3的n型硅。但是由仿真結果發(fā)現(xiàn)，此結構無法起到放大電流的作用。此器件結構的電子電流密度分布為圖 3(a)，空穴電流密度為圖 3(b)。從仿真結果可見，電流密度很小，器件沒有達到放大電流的作用。經過分析發(fā)現(xiàn)，由于兩個電極之間無法形成足夠的電勢差，導致電場無法增大到足以導致雪崩效應的程度[12]。

圖3 pin結構的電流密度

為了增大此電勢差，H W Lee等人采用了肖特基接觸的方法增大電勢差[9-12]，但是這種實現(xiàn)方法導致器件接觸電阻增大，并且影響器件的相應速度。為了避免肖特基接觸的這個問題，本課題組采用nin結構增大電極之間的電勢差，即陽極和陰極摻雜濃度均為 -1×1019cm-3的n型硅，其電子和空穴電流密度如圖 4所示。由仿真結果圖 5可見，電子和空穴電流密度有了極大提高，達到了104A/cm2量級，而且二者最大位置重合。根據(jù)陽極和陰極電流比例，放大倍數(shù)達到160，說明雪崩效應發(fā)生，而且空穴被空穴吸收器吸收，阻止了電子與空穴的復合，產生放大效應。

圖 4 nin結構的電流密度

課題組比較了不同 d 情況下器件的放大倍數(shù)，如圖5所示，放大倍數(shù)在 d 較小的時候隨著 d 的增大而增大，當 d 大于 10 μm之后，放大倍數(shù)穩(wěn)定在 160 附近。

圖5 60V 反向偏壓下不同 d 對應的放大倍數(shù)

此放大器的放大倍數(shù)與d的關系可以寫作：

M∝exp(ad)

(1)

其中M為放大倍數(shù)，α是電子電離系數(shù)。此公式說明，電極之間距離越大，放大倍數(shù)也會越大。同時 也會隨著電場強度的減小而減小:

(2)

這里,Ei是閾值電廠強度，E是電場強度。此公式說明，電場強度減小，會導致碰撞電離系數(shù)α減小。

根據(jù)公式 (1) 和 (2)可以發(fā)現(xiàn),由于d的增大致電場強度的減小，導致α變小，最終導致放大倍數(shù)處于一個平穩(wěn)的值?？紤]此器件的放大倍數(shù)的同時盡量減小器件面積，所以我們選擇 d = 10 μm 的器件結構為最優(yōu)的結構。

本工作對適用于單光子探測器的電流放大器做了理論研究與仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)采用 nin 結構的放大器可以有效地提高器件電極之間的電勢差，同時不增大電極的接觸電阻。課題組進一步對器件的結構進行了理論分析和仿真優(yōu)化，確定了工程實踐中的最優(yōu)結構，此結構的器件在 60V 反向偏壓情況下仿真計算的放大倍數(shù)可達到 160。