雪崩光電二極管特性與測(cè)量

張逸斐

（山西應(yīng)用科技學(xué)院 山西省太原市 030062）

隨著世界范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳感器相關(guān)技術(shù)在各行各業(yè)中占據(jù)著越來越重要的地位。雪崩光電二極管(APD)憑借其響應(yīng)速度快、體積較小、靈敏度高等諸多優(yōu)勢(shì)，在空間光通信、光電檢測(cè)等場(chǎng)景中應(yīng)用廣泛。通常，在激光通信鏈路中，雪崩光電二極管用作接收單元中的核心器件，實(shí)現(xiàn)了捕捉光信號(hào)并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化及輸出等功能，在上下游系統(tǒng)發(fā)揮著不可替代的作用。

1 APD簡(jiǎn)介

1.1 APD實(shí)現(xiàn)原理

在光通信鏈路中，雪崩光電二極管（APD）通常作為光信號(hào)接收單元中的光電轉(zhuǎn)化媒介，該元件中的核心元組為P-N 結(jié)，P-N 結(jié)需在適宜的偏壓下工作，輸入該元件的光在被其中的P-N 結(jié)吸收后生成電信號(hào)，隨后電信號(hào)輸入后續(xù)電路中。在一定范圍內(nèi)，隨著對(duì)該器件輸入偏壓的增大，APD輸入的電信號(hào)也會(huì)成倍激增，這一光放大過程類似于雪崩現(xiàn)象，因此該器件得名雪崩光電二極管。

APD 的具體性能主要由四大因素決定：雪崩增益系數(shù)、增益帶寬積、過剩噪聲因子和溫度特性。雪崩增益系數(shù)也被稱為倍增因子，該系數(shù)由材質(zhì)、APD 結(jié)構(gòu)及入射光信號(hào)頻率共同決定，該系數(shù)通常在1 ～3 的范圍內(nèi)。增益帶寬隨著離化系數(shù)比緩慢變化，若需要較高的增益帶寬，需選擇較大的電子離化系數(shù)、較小的空穴離化系數(shù)，并使具有較高離化系數(shù)的載流子注入到雪崩區(qū)。過剩噪聲因子與噪聲直接相關(guān)，通過降低該系數(shù)可得到較高的系統(tǒng)靈敏度。溫度特性對(duì)器件性能也有較大影響，溫度直接對(duì)離化系數(shù)、倍增因子、擊穿電壓造成影響，離化系數(shù)與溫度成反比，而其他兩參數(shù)與溫度成正比。

雪崩光電二極管進(jìn)入工作狀態(tài)后，環(huán)境溫度會(huì)直接影響到APD 的偏壓點(diǎn)，進(jìn)而其光電增益效果。為了保證接收模塊的正常運(yùn)作，工程師們會(huì)采用溫度控制法或溫度補(bǔ)償法來進(jìn)行調(diào)節(jié)，在工業(yè)制品中溫敏電阻和TEC 結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)溫控方案最為常見。

1.2 APD制造工藝

工業(yè)場(chǎng)景及科研場(chǎng)景下的APD 多為硅基結(jié)構(gòu)，其規(guī)格通常為1064nm，向APD 輸入高壓后，APD 內(nèi)部會(huì)發(fā)生明顯的邊緣場(chǎng)效應(yīng)，使得該器件有一定幾率出現(xiàn)提前擊穿現(xiàn)象，進(jìn)而影響器件的光電轉(zhuǎn)化效率和工作穩(wěn)定性。工業(yè)界對(duì)此進(jìn)行了深入研究，提出了多種方案及工藝進(jìn)行降低邊緣電場(chǎng)。工業(yè)設(shè)計(jì)者在原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，擴(kuò)大了像元間間距，像元間的四周形成了多處較大的探測(cè)盲區(qū)，從而弱化了上述的邊緣場(chǎng)效應(yīng)。

在具體設(shè)計(jì)中，APD 被設(shè)計(jì)為四象限的結(jié)構(gòu)，管芯結(jié)構(gòu)采用正入光式平面型結(jié)構(gòu)，而材料結(jié)構(gòu)采用吸收區(qū)、倍增區(qū)漸變分離的APD 結(jié)構(gòu)，在對(duì)響應(yīng)時(shí)間、暗電流和響應(yīng)度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)專業(yè)評(píng)測(cè)，改進(jìn)工藝后的APD 響應(yīng)時(shí)間小于1.5 ns，響應(yīng)度大于9.5 A/W，可靠性設(shè)計(jì)時(shí)使PN 結(jié)和倍增層均在器件表面以下，可有效抑制器件表面漏電流,提高器件的可靠性.。

1.3 APD結(jié)構(gòu)

通常情況下，APD 器件結(jié)構(gòu)是在PN 節(jié)的基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)P 區(qū)和N 區(qū)都進(jìn)行了重?fù)诫s，在鄰近P 區(qū)或N 區(qū)引進(jìn)n 型或p 型倍增區(qū)，以產(chǎn)生二次電子和空穴對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光電流的放大作用。對(duì)于InP 系列材料來說，由于空穴碰撞電離系數(shù)大于電子碰撞電離系數(shù)，通常將N 型摻雜的增益區(qū)置于P 區(qū)的位置。在理想情況下，只有空穴注入到增益區(qū)，所以稱這種結(jié)構(gòu)為空穴注入型結(jié)構(gòu)。

目前商品化的APD 器件大都采用InP/InGaAs 材料，InGaAs 作為吸收層，InP 在較高電場(chǎng)下而不被擊穿，可以作為增益區(qū)材料。對(duì)于該材料，所以這種APD 的設(shè)計(jì)是雪崩過程由空穴碰撞而在n 型InP 中形成?？紤]到InP 和InGaAs的帶隙差別較大,價(jià)帶上大約0.4eV 的能級(jí)差使得在InGaAs吸收層中產(chǎn)生的空穴，在達(dá)到InP 倍增層之前在異質(zhì)結(jié)邊緣受到阻礙而速度大大減少，從而這種 APD 的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，帶寬很窄。這個(gè)問題可以在兩種材料之間加InGaAsP 過渡層而得到解決。

在傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)中，吸收層的厚度和量子效率無法同時(shí)體現(xiàn)出優(yōu)異指標(biāo)，二者的效率往往互相影響。隨著吸收層厚度降低，其器件內(nèi)部光電渡越時(shí)間也會(huì)隨之降低，帶寬性能因此大大提升。但吸收層過薄會(huì)導(dǎo)致量子效率過低，因此吸收層厚度需要慎重設(shè)計(jì)。針對(duì)這一現(xiàn)象，工程師們提出了多種方案，經(jīng)過驗(yàn)證在器件內(nèi)部加入諧振腔結(jié)構(gòu)最為有效，即在器件的底部和頂部設(shè)計(jì)DBR。目前這種結(jié)構(gòu)的器件以GaAs/AlGaAs 材料居多，增益-帶寬積300GHz 以上。這種DBR反射鏡在結(jié)構(gòu)上包括低折射率和高折射率的兩種材料，二者交替生長(zhǎng)，各層厚度在半導(dǎo)體中入射光波長(zhǎng)的1/4。這種諧振腔結(jié)構(gòu)的探測(cè)器在速率要求的前提下，吸收層厚度可以做得很薄，而且電子在經(jīng)過多次反射后，量子效率大大增加。這種結(jié)構(gòu)的器件可以獲得小于10 nA 的低暗電流，在單位增益的條件下，可以獲得70%的峰值量子效率。噪聲測(cè)量表明該器件具有低的噪聲特性,這一指標(biāo)比基于InP 材料制備的APD 參數(shù)高很多，該材料在光電探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)勢(shì)極為明顯。

1.4 APD研究現(xiàn)狀

目前提高雪崩光電二極管性能的方式主要分為兩種，一種是選擇低碰撞電離系數(shù)比的半導(dǎo)體材料，另一種是實(shí)現(xiàn)雪崩光電二極管器件微型化、集成化發(fā)展。隨著研究不斷深入、技術(shù)進(jìn)步，雪崩光電二極管將向著高性能、低噪音、低成本、高速等方向發(fā)展。在材料方面，雪崩光電二極管材料可分為硅、鍺硅、碲鎘汞、銦鎵砷等，其中硅雪崩光電二極管技術(shù)相對(duì)成熟，是市場(chǎng)主流產(chǎn)品。但硅光譜響應(yīng)有限，為實(shí)現(xiàn)更高的帶寬和集成度，市場(chǎng)對(duì)雪崩光電二極管的碰撞電離系數(shù)、相應(yīng)速度等提出了更高要求，在此背景下，鍺硅雪崩光電二極管市場(chǎng)關(guān)注度提升。

2021年，經(jīng)市場(chǎng)權(quán)威機(jī)構(gòu)調(diào)查，全球范圍內(nèi)硅基APD市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到驚人的8000 萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)2026年市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至1.0 億美元以上。隨著技術(shù)突破及工藝改善，APD 器件應(yīng)用場(chǎng)景日益增多，隨著智能家居、自動(dòng)駕駛、光通信等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，雪崩光電二極管市場(chǎng)需求將進(jìn)一步釋放。雪崩光電二極管制備難度大，國(guó)外企業(yè)占據(jù)市場(chǎng)主要份額，相比之下，我國(guó)光電企業(yè)在APD 方面產(chǎn)能產(chǎn)量均較弱，未來需進(jìn)一步提高研發(fā)能力及產(chǎn)能。

2 仿真

2.1 仿真工具

在本工程中，我們的仿真工具選用Matlab，和其他仿真工具相比，Matlab 具備以下三大優(yōu)勢(shì)：快速的仿真過程、高效的團(tuán)隊(duì)協(xié)作及突破性的用戶體驗(yàn)。該編譯器內(nèi)置了高級(jí)開發(fā)工具，向用戶提供了調(diào)試、數(shù)據(jù)庫(kù)及創(chuàng)新功能，用戶體驗(yàn)極佳，采用該平臺(tái)的用戶可以快速創(chuàng)建設(shè)計(jì)電路并進(jìn)行仿真。

我們采用該仿真工具的2018 版本，該版本和之前的版本相比，加入了可視化仿真器、針對(duì)電路設(shè)計(jì)的集成工具包等使用功能和許多工具包及解決方案的支持，此外該版本還對(duì)處理多種場(chǎng)景的仿真進(jìn)行了功能性強(qiáng)化。值得注意的是，該版本編譯器實(shí)現(xiàn)了在同一環(huán)境內(nèi)創(chuàng)建多個(gè)面向不同框架版本的仿真應(yīng)用。除此之外，該版本的編譯器提供了Libsvm、Simulink、Pandas 等多種第三方工具包，為使用者帶來更強(qiáng)的交互體驗(yàn)和更為高效的工作效率。在內(nèi)置了諸多算法架構(gòu)及常用模擬裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員能夠十分便捷地基于設(shè)定邏輯完成多種復(fù)雜場(chǎng)景下的光電仿真、電路仿真、算法預(yù)測(cè)等多項(xiàng)任務(wù)。

2.2 仿真結(jié)果

在光通信中，通信速率與探測(cè)靈敏度息息相關(guān)，通信速率越高則單位時(shí)間內(nèi)接收模塊收到的信號(hào)越強(qiáng)，系統(tǒng)靈敏度也會(huì)越高，因此在一定范圍內(nèi)通信速率與系統(tǒng)靈敏度大致呈正相關(guān)關(guān)系。在此理論基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)定APD 基礎(chǔ)電阻為1.38 歐、倍增因子為1.9、環(huán)境溫度為270K 的條件下，通信速率與探測(cè)靈敏度的仿真曲線如圖1所示。

圖1：通信速率與探測(cè)靈敏度的仿真曲線

在雪崩光電二極管中，輸入偏壓直接影響倍增因子，進(jìn)而對(duì)APD 靈敏度造成影響。在一定范圍內(nèi)，靈敏度隨著偏壓的增大而增大，而偏壓超過臨界值后，系統(tǒng)靈敏度會(huì)隨著偏壓的增大而減小。我們?cè)谏鲜鲈O(shè)定條件下，針對(duì)通信速率分別為10 Mb/s、100 Mb/s、1000 Mb/s 三種條件下，在55-70 V 的范圍內(nèi)進(jìn)行仿真流程，得到的仿真結(jié)果如圖2所示。由該結(jié)果可知，系統(tǒng)的最佳偏壓點(diǎn)低于55 V，因此在該輸入偏壓范圍內(nèi)，隨著偏壓增大，系統(tǒng)靈敏度隨之降低。此外，相同偏壓下，通信速率越高，系統(tǒng)的接收靈敏度越高，印證了我們的理論推導(dǎo)。

圖2：不同通信速率下偏壓與探測(cè)靈敏度的仿真曲線

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

我們?cè)诓煌耐ㄐ潘俾屎推珘簵l件下進(jìn)行靈敏度探測(cè)實(shí)驗(yàn)，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示，最左測(cè)的光源為穩(wěn)頻激光器，輸出波長(zhǎng)為1550 nm，激光器后設(shè)有可調(diào)節(jié)的光衰減器，我們可根據(jù)輸入端及接收端的具體情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓夤β仕p。光信號(hào)在經(jīng)過衰減后進(jìn)入準(zhǔn)直器生成平行度較好的光束，準(zhǔn)直器后還設(shè)有功率檢測(cè)器，可即時(shí)查看當(dāng)前光路中的光功率，避免功率過大對(duì)其他設(shè)備造成損壞。

圖3：通信速率與探測(cè)靈敏度實(shí)測(cè)曲線

在上述實(shí)驗(yàn)步驟不變的情況下,改變 APD 的偏壓值,分別測(cè)試不同通信速率下偏壓與探測(cè)靈敏度的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器選用德國(guó)Sowel 公司生產(chǎn)的SDW 型ADP 探測(cè)器，其接收面直徑為85 微米，對(duì)波長(zhǎng)范圍在1545-1555 nm 的光譜響應(yīng)度為1.72 A/W，探測(cè)器通過ASD 4324 模塊來輸入偏壓，該模塊針對(duì)環(huán)境溫度變化具備自適應(yīng)功能，可使得探測(cè)器處于最佳工作狀態(tài)，該探測(cè)器光電轉(zhuǎn)化效率較高，其倍增因子最高可達(dá)23。探測(cè)器中的APD 模塊在完成光電轉(zhuǎn)化后，光電流還會(huì)經(jīng)過二次放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，方便后續(xù)的分析。該探測(cè)器內(nèi)部還配備了恒溫裝置，通過溫敏二極管、制冷器等器件完成閉環(huán)恒溫調(diào)控，從而使得接收模塊處于溫度較為穩(wěn)定的環(huán)境中。

3.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

APD 系統(tǒng)中的濾波電路主要用于濾除多階諧波，來獲得成為更為純凈的電流。根據(jù)是否包含諧波補(bǔ)償裝置，濾波電路可分為有源濾波電路和無源濾波電路，本文設(shè)計(jì)的濾波電路中的CM1457 是一種基于電感器的（L-C）EMI 濾波器陣列，帶有ESD 保護(hù)，以CSP 形式集成四個(gè)、六個(gè)或八個(gè)過濾器系數(shù)為0.40 mm 節(jié)距。CM1457 的每個(gè)EMI 濾波器通道組件值為6 pF 時(shí)執(zhí)行? 35 nH–4.7 pF ?35 nH–1.8 pF。截止頻率為?3 dB 衰減為300 MHz，在真實(shí)情境中的數(shù)據(jù)速率為高達(dá)160 Mbps，同時(shí)提供?35 dB 衰減。在800 MHz 至2.7 GHz 的頻率范圍內(nèi)。部件包括ESD 每個(gè)輸入/輸出引腳上的二極管，并提供高級(jí)別的保護(hù)靜電放電（ESD）。ESD保護(hù)二極管已連接外部過濾器端口的設(shè)計(jì)和特點(diǎn)是安全消除超過最大值±15 kV 的ESD，同時(shí)也符合沖擊IEC61000 的要求（A4-2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）。

系統(tǒng)中的穩(wěn)壓電路用于將輸入的交流電成分處理為直流電成分并進(jìn)行穩(wěn)定輸出，因此該電路在整體系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文采用橋式整流電路方案來完成這一設(shè)計(jì)預(yù)期，該電路由由變壓器和主整流橋以及負(fù)載組成。整流電路之后往往會(huì)與一個(gè)較大容量的電容進(jìn)行并聯(lián)，目的即是電容濾波，由于電容的充放電作用以及電容兩端電壓的存在，使得整流電路輸出電壓UL 的脈動(dòng)程度大為減弱，波形近于平滑，起到了濾波的作用。在這種電容濾波電路中，電容的容量越大或負(fù)載電阻越大，電容放電就越慢，輸出電壓也就越平滑。該電路符合切換行為基準(zhǔn)，且具備無反向恢復(fù)/無正向恢復(fù)特性和高浪涌電流能力，符合RoHS、JEDEC1 標(biāo)準(zhǔn)，擊穿電壓最高可達(dá)360V，能夠在多種場(chǎng)景下完成整流作用，因此可在系統(tǒng)中穩(wěn)定發(fā)揮相應(yīng)作用。本文設(shè)計(jì)出的整流電路轉(zhuǎn)化效率高，輸出成分中諧波比例低，各電子器件承受的最大反向電壓也較低，在裝置的正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，各個(gè)元件都得到充分利用，整體效率較高。

3.3 電路設(shè)計(jì)規(guī)范

在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，也有諸多通用的設(shè)計(jì)規(guī)范需要遵循，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵照相應(yīng)的規(guī)則來組織和進(jìn)行，明確了通用的電路設(shè)計(jì)規(guī)范，我們才能夠制備出合格且美觀的原理圖，本文結(jié)合相關(guān)資料整理的原理圖制圖規(guī)范如表1所示。

表1：電路設(shè)計(jì)通用要求表

在APD 器件的具體設(shè)計(jì)與制造中，與或門等邏輯器件應(yīng)用廣泛，這些邏輯單元的加入與排布也需遵循既定的設(shè)計(jì)規(guī)范，本文結(jié)合相關(guān)資料整理的原理圖制圖規(guī)范如表2所示。

表2：邏輯器件應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)范表

3.4 不同通信速率下APD靈敏度測(cè)量

我們的實(shí)驗(yàn)都是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)受到背景光等外界影響。在完成光路搭建后，我們開啟各個(gè)模塊，此時(shí)APD 的偏壓初始值為75 V，我們?cè)?-2000 的通信速率范圍內(nèi)，以100 為步距逐步改變通信速率，同時(shí)記錄各個(gè)實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)下的ADP 靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，整體曲線呈現(xiàn)為上升狀態(tài)，但在通信速率范圍的末端卻出現(xiàn)了與仿真相反的結(jié)果，經(jīng)過逐節(jié)點(diǎn)排查我們得知，光源模塊在通信速率處于該范圍的情況下散熱量大大增加，恒溫器功率有限無法及時(shí)將熱量排出，散發(fā)的熱量對(duì)APD 靈敏度產(chǎn)生了不良影響，進(jìn)而導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果出現(xiàn)偏差。

3.5 不同通信速率下偏壓與APD靈敏度探究

隨后，我們?cè)谕还饴废卵芯苛瞬煌ㄐ潘俾氏缕珘汉虯PD 靈敏度的影響，設(shè)定的通信速率為10 Mb/s、100 Mb/s、1000 Mb/s 三種，在各個(gè)通信速率下我們?cè)?5-70 V 的偏壓范圍內(nèi)以2.5 V 為步距進(jìn)行改變，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示：在同一偏壓條件下，通信速率越高對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)靈敏度越高；在同一通信速率的條件下，偏壓越高對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)靈敏度越低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果十分接近，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們還可得知針對(duì)該APD 模塊，當(dāng)偏壓超過65 V 后，靈敏度曲線變化更為劇烈，因此需避免工作偏壓過大導(dǎo)致的不良影響。

圖4：不同通信速率下偏壓與探測(cè)靈敏度的實(shí)測(cè)曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)雪崩光電二極管的底層運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行了推導(dǎo)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了關(guān)于通信速率和輸入偏壓對(duì)APD 靈敏度的仿真分析，隨后搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)針對(duì)通信速率和輸入偏壓對(duì)APD 靈敏度進(jìn)行探究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同的偏壓條件下，一定范圍內(nèi)通信速率越高對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)靈敏度越高；在相同通信速率的條件下，一定范圍內(nèi)偏壓越高對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)靈敏度越低。該探究對(duì)光通信領(lǐng)域中的APD 具有重大科研指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值。