适用于单光子探测器的电流放大器的设计与仿真

耿 煜 ,赖 红,李 钦,张运生,郭敏强，邱 婉,王金龙

(1.深圳信息职业技术学院 软件学院；2.深圳市兆阳信息技术研究院，广东 深圳 518000;3.潍坊工程职业学院，山东 潍坊 262500)

引言

单光子探测器在微信号探测尤其是微光探测领域有着极大的需求，尤其是在宇航，量子通信和生物光子学等领域中，经常会有探测单光子信号等极限要求[1-3]。单光子探测器是一种超低噪声器件，增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测在生物光子学、医学影像、非破坏性材料检查、国土安全与监视、军事视觉与导航、量子成像以及加密系统等方面有重要的应用。

光电放大器是单光子探测器的核心器件，同时也是光纤通信等设备的核心器件[4]。目前广泛使用的光电放大器主要是基于雪崩放大机制的雪崩光电二极管和利用二次电子发射机制的光电倍增管。

虽然上述两种器件的输出信号都有着有效的放大，但是它们都是将光信号探测和光电流放大限制在一个器件中，并不能使光探测和光电流放大分别独立优化，而且有着设计复杂或者工作环境要求高等难点。对于光纤通信中常用的雪崩光电二极管而言，吸收光信号和放大光电流信号严重受制于雪崩光电二极管所使用的材料。硅材料在集成电路大规模使用，有极大的电离系数差，制作的雪崩光电二极管放大倍数很高[5-8]。但是硅并不能吸收1.3微米和1.5微米波长范围内通信波段的光信号。为了吸收此波段的光信号，人们不得不采用III-V族半导体。虽然III-V族半导体对通信波段的光有着很好的吸收效率，但是光电流放大倍数并不能令人满意。因此，一种能够结合硅和III-V族半导体光电放大器优点的信号放大器件将会是适用于单光子探测器等领域的理想器件。

此工作研究的适用于单光子探测器的电流放大器可以与硅和III-V探测器等电流源集成。这样，既可以放大探测器探测的光信号，也可以直接放大电流源的电信号，而且此放大器采用硅材料，既保证了高增益，又可以充分利用硅集成电路大规模制造的优势，并且可以采用级联的形式进一步提高放大倍数。

1 器件原理与设计

本单光子探测器基本原理图如图 1所示，正电极与负电极之间由于高电压，产生了大电场。拥有更大电子碰撞电离系数和空穴碰撞电离系数差别的材料(例如硅)可以产生更少的噪声。对于硅来说，电子比空穴容易电离50到1000倍[9]。器件反偏工作时，正负电极之间建立起较强的电场。由于硅的电子电离系数远大于空穴，再加上我们通过地电极吸收电离放大的空穴，可以阻止空穴和电子的复合，从而有效地降低噪声，提高增益。地电极在这里起到了空穴吸收器的作用。从图 1可知，器件要求电子在垂直于电极的方向运动，空穴需要有较大的水平移动使其从电子的路径上清除。这就要求器件工作期间电场在垂直于电极方向足够大从而使电子发生雪崩效应，横向的电场大小足够将空穴拖走并且不发生雪崩效应[9-12]。

图1 单光子探测器工作示意图

根据图 1的原理图同时为了简化后期器件制造，课题组设计了如图 2所示的器件结构。阴阳极之间的距离为 d，空穴吸收器与阳极的距离为 w，中间填充二氧化硅作为绝缘材料。

图2 器件设计顶视图

2 器件仿真与优化

课题组使用 Silvaco 光电仿真软件对器件进行了仿真。仿真器件参数为w = 5 μm,d = 10 μm，器件电极采用铝电极，施加反向偏压 60 V，衬底为本征浓度为1×1015cm-3的p- 型硅沉底。初始器件采用pin结构，阳极为掺杂浓度1×1019cm-3的p型硅，阴极为掺杂浓度-1×1019cm-3的n型硅。但是由仿真结果发现，此结构无法起到放大电流的作用。此器件结构的电子电流密度分布为图 3(a)，空穴电流密度为图 3(b)。从仿真结果可见，电流密度很小，器件没有达到放大电流的作用。经过分析发现，由于两个电极之间无法形成足够的电势差，导致电场无法增大到足以导致雪崩效应的程度[12]。

图3 pin结构的电流密度

为了增大此电势差，H W Lee等人采用了肖特基接触的方法增大电势差[9-12]，但是这种实现方法导致器件接触电阻增大，并且影响器件的相应速度。为了避免肖特基接触的这个问题，本课题组采用nin结构增大电极之间的电势差，即阳极和阴极掺杂浓度均为 -1×1019cm-3的n型硅，其电子和空穴电流密度如图 4所示。由仿真结果图 5可见，电子和空穴电流密度有了极大提高，达到了104A/cm2量级，而且二者最大位置重合。根据阳极和阴极电流比例，放大倍数达到160，说明雪崩效应发生，而且空穴被空穴吸收器吸收，阻止了电子与空穴的复合，产生放大效应。

图 4 nin结构的电流密度

课题组比较了不同 d 情况下器件的放大倍数，如图5所示，放大倍数在 d 较小的时候随着 d 的增大而增大，当 d 大于 10 μm之后，放大倍数稳定在 160 附近。

图5 60V 反向偏压下不同 d 对应的放大倍数

此放大器的放大倍数与d的关系可以写作：

M∝exp(ad)

(1)

其中M为放大倍数，α是电子电离系数。此公式说明，电极之间距离越大，放大倍数也会越大。同时 也会随着电场强度的减小而减小:

(2)

这里,Ei是阈值电厂强度，E是电场强度。此公式说明，电场强度减小，会导致碰撞电离系数α减小。

根据公式 (1) 和 (2)可以发现,由于d的增大致电场强度的减小，导致α变小，最终导致放大倍数处于一个平稳的值。考虑此器件的放大倍数的同时尽量减小器件面积，所以我们选择 d = 10 μm 的器件结构为最优的结构。

本工作对适用于单光子探测器的电流放大器做了理论研究与仿真分析，研究发现采用 nin 结构的放大器可以有效地提高器件电极之间的电势差，同时不增大电极的接触电阻。课题组进一步对器件的结构进行了理论分析和仿真优化，确定了工程实践中的最优结构，此结构的器件在 60V 反向偏压情况下仿真计算的放大倍数可达到 160。