雪崩光电二极管特性与测量

张逸斐

（山西应用科技学院 山西省太原市 030062）

随着世界范围内经济水平的快速发展和科学技术的进步，传感器相关技术在各行各业中占据着越来越重要的地位。雪崩光电二极管(APD)凭借其响应速度快、体积较小、灵敏度高等诸多优势，在空间光通信、光电检测等场景中应用广泛。通常，在激光通信链路中，雪崩光电二极管用作接收单元中的核心器件，实现了捕捉光信号并进行光电转化及输出等功能，在上下游系统发挥着不可替代的作用。

1 APD简介

1.1 APD实现原理

在光通信链路中，雪崩光电二极管（APD）通常作为光信号接收单元中的光电转化媒介，该元件中的核心元组为P-N 结，P-N 结需在适宜的偏压下工作，输入该元件的光在被其中的P-N 结吸收后生成电信号，随后电信号输入后续电路中。在一定范围内，随着对该器件输入偏压的增大，APD输入的电信号也会成倍激增，这一光放大过程类似于雪崩现象，因此该器件得名雪崩光电二极管。

APD 的具体性能主要由四大因素决定：雪崩增益系数、增益带宽积、过剩噪声因子和温度特性。雪崩增益系数也被称为倍增因子，该系数由材质、APD 结构及入射光信号频率共同决定，该系数通常在1 ～3 的范围内。增益带宽随着离化系数比缓慢变化，若需要较高的增益带宽，需选择较大的电子离化系数、较小的空穴离化系数，并使具有较高离化系数的载流子注入到雪崩区。过剩噪声因子与噪声直接相关，通过降低该系数可得到较高的系统灵敏度。温度特性对器件性能也有较大影响，温度直接对离化系数、倍增因子、击穿电压造成影响，离化系数与温度成反比，而其他两参数与温度成正比。

雪崩光电二极管进入工作状态后，环境温度会直接影响到APD 的偏压点，进而其光电增益效果。为了保证接收模块的正常运作，工程师们会采用温度控制法或温度补偿法来进行调节，在工业制品中温敏电阻和TEC 结合来实现的闭环温控方案最为常见。

1.2 APD制造工艺

工业场景及科研场景下的APD 多为硅基结构，其规格通常为1064nm，向APD 输入高压后，APD 内部会发生明显的边缘场效应，使得该器件有一定几率出现提前击穿现象，进而影响器件的光电转化效率和工作稳定性。工业界对此进行了深入研究，提出了多种方案及工艺进行降低边缘电场。工业设计者在原有的设计基础上，扩大了像元间间距，像元间的四周形成了多处较大的探测盲区，从而弱化了上述的边缘场效应。

在具体设计中，APD 被设计为四象限的结构，管芯结构采用正入光式平面型结构，而材料结构采用吸收区、倍增区渐变分离的APD 结构，在对响应时间、暗电流和响应度等参数进行计算与分析的基础上，优化了器件结构参数。根据专业评测，改进工艺后的APD 响应时间小于1.5 ns，响应度大于9.5 A/W，可靠性设计时使PN 结和倍增层均在器件表面以下，可有效抑制器件表面漏电流,提高器件的可靠性.。

1.3 APD结构

通常情况下，APD 器件结构是在PN 节的基本结构基础上，对P 区和N 区都进行了重掺杂，在邻近P 区或N 区引进n 型或p 型倍增区，以产生二次电子和空穴对，从而实现对输入光电流的放大作用。对于InP 系列材料来说，由于空穴碰撞电离系数大于电子碰撞电离系数，通常将N 型掺杂的增益区置于P 区的位置。在理想情况下，只有空穴注入到增益区，所以称这种结构为空穴注入型结构。

目前商品化的APD 器件大都采用InP/InGaAs 材料，InGaAs 作为吸收层，InP 在较高电场下而不被击穿，可以作为增益区材料。对于该材料，所以这种APD 的设计是雪崩过程由空穴碰撞而在n 型InP 中形成。考虑到InP 和InGaAs的带隙差别较大,价带上大约0.4eV 的能级差使得在InGaAs吸收层中产生的空穴，在达到InP 倍增层之前在异质结边缘受到阻碍而速度大大减少，从而这种 APD 的响应时间长，带宽很窄。这个问题可以在两种材料之间加InGaAsP 过渡层而得到解决。

在传统的器件结构中，吸收层的厚度和量子效率无法同时体现出优异指标，二者的效率往往互相影响。随着吸收层厚度降低，其器件内部光电渡越时间也会随之降低，带宽性能因此大大提升。但吸收层过薄会导致量子效率过低，因此吸收层厚度需要慎重设计。针对这一现象，工程师们提出了多种方案，经过验证在器件内部加入谐振腔结构最为有效，即在器件的底部和顶部设计DBR。目前这种结构的器件以GaAs/AlGaAs 材料居多，增益-带宽积300GHz 以上。这种DBR反射镜在结构上包括低折射率和高折射率的两种材料，二者交替生长，各层厚度在半导体中入射光波长的1/4。这种谐振腔结构的探测器在速率要求的前提下，吸收层厚度可以做得很薄，而且电子在经过多次反射后，量子效率大大增加。这种结构的器件可以获得小于10 nA 的低暗电流，在单位增益的条件下，可以获得70%的峰值量子效率。噪声测量表明该器件具有低的噪声特性,这一指标比基于InP 材料制备的APD 参数高很多，该材料在光电探测领域内的优势极为明显。

1.4 APD研究现状

目前提高雪崩光电二极管性能的方式主要分为两种，一种是选择低碰撞电离系数比的半导体材料，另一种是实现雪崩光电二极管器件微型化、集成化发展。随着研究不断深入、技术进步，雪崩光电二极管将向着高性能、低噪音、低成本、高速等方向发展。在材料方面，雪崩光电二极管材料可分为硅、锗硅、碲镉汞、铟镓砷等，其中硅雪崩光电二极管技术相对成熟，是市场主流产品。但硅光谱响应有限，为实现更高的带宽和集成度，市场对雪崩光电二极管的碰撞电离系数、相应速度等提出了更高要求，在此背景下，锗硅雪崩光电二极管市场关注度提升。

2021年，经市场权威机构调查，全球范围内硅基APD市场规模达到惊人的8000 万美元，预计2026年市场规模将增长至1.0 亿美元以上。随着技术突破及工艺改善，APD 器件应用场景日益增多，随着智能家居、自动驾驶、光通信等产业发展，雪崩光电二极管市场需求将进一步释放。雪崩光电二极管制备难度大，国外企业占据市场主要份额，相比之下，我国光电企业在APD 方面产能产量均较弱，未来需进一步提高研发能力及产能。

2 仿真

2.1 仿真工具

在本工程中，我们的仿真工具选用Matlab，和其他仿真工具相比，Matlab 具备以下三大优势：快速的仿真过程、高效的团队协作及突破性的用户体验。该编译器内置了高级开发工具，向用户提供了调试、数据库及创新功能，用户体验极佳，采用该平台的用户可以快速创建设计电路并进行仿真。

我们采用该仿真工具的2018 版本，该版本和之前的版本相比，加入了可视化仿真器、针对电路设计的集成工具包等使用功能和许多工具包及解决方案的支持，此外该版本还对处理多种场景的仿真进行了功能性强化。值得注意的是，该版本编译器实现了在同一环境内创建多个面向不同框架版本的仿真应用。除此之外，该版本的编译器提供了Libsvm、Simulink、Pandas 等多种第三方工具包，为使用者带来更强的交互体验和更为高效的工作效率。在内置了诸多算法架构及常用模拟装置的基础上，设计人员能够十分便捷地基于设定逻辑完成多种复杂场景下的光电仿真、电路仿真、算法预测等多项任务。

2.2 仿真结果

在光通信中，通信速率与探测灵敏度息息相关，通信速率越高则单位时间内接收模块收到的信号越强，系统灵敏度也会越高，因此在一定范围内通信速率与系统灵敏度大致呈正相关关系。在此理论基础上，我们设定APD 基础电阻为1.38 欧、倍增因子为1.9、环境温度为270K 的条件下，通信速率与探测灵敏度的仿真曲线如图1所示。

图1：通信速率与探测灵敏度的仿真曲线

在雪崩光电二极管中，输入偏压直接影响倍增因子，进而对APD 灵敏度造成影响。在一定范围内，灵敏度随着偏压的增大而增大，而偏压超过临界值后，系统灵敏度会随着偏压的增大而减小。我们在上述设定条件下，针对通信速率分别为10 Mb/s、100 Mb/s、1000 Mb/s 三种条件下，在55-70 V 的范围内进行仿真流程，得到的仿真结果如图2所示。由该结果可知，系统的最佳偏压点低于55 V，因此在该输入偏压范围内，随着偏压增大，系统灵敏度随之降低。此外，相同偏压下，通信速率越高，系统的接收灵敏度越高，印证了我们的理论推导。

图2：不同通信速率下偏压与探测灵敏度的仿真曲线

3 实验

3.1 实验装置介绍

我们在不同的通信速率和偏压条件下进行灵敏度探测实验，搭建的实验平台如图3所示，最左测的光源为稳频激光器，输出波长为1550 nm，激光器后设有可调节的光衰减器，我们可根据输入端及接收端的具体情况进行适当的光功率衰减。光信号在经过衰减后进入准直器生成平行度较好的光束，准直器后还设有功率检测器，可即时查看当前光路中的光功率，避免功率过大对其他设备造成损坏。

图3：通信速率与探测灵敏度实测曲线

在上述实验步骤不变的情况下,改变 APD 的偏压值,分别测试不同通信速率下偏压与探测灵敏度的关系.实验中探测器选用德国Sowel 公司生产的SDW 型ADP 探测器，其接收面直径为85 微米，对波长范围在1545-1555 nm 的光谱响应度为1.72 A/W，探测器通过ASD 4324 模块来输入偏压，该模块针对环境温度变化具备自适应功能，可使得探测器处于最佳工作状态，该探测器光电转化效率较高，其倍增因子最高可达23。探测器中的APD 模块在完成光电转化后，光电流还会经过二次放大电路进行信号放大，方便后续的分析。该探测器内部还配备了恒温装置，通过温敏二极管、制冷器等器件完成闭环恒温调控，从而使得接收模块处于温度较为稳定的环境中。

3.2 系统电路设计

APD 系统中的滤波电路主要用于滤除多阶谐波，来获得成为更为纯净的电流。根据是否包含谐波补偿装置，滤波电路可分为有源滤波电路和无源滤波电路，本文设计的滤波电路中的CM1457 是一种基于电感器的（L-C）EMI 滤波器阵列，带有ESD 保护，以CSP 形式集成四个、六个或八个过滤器系数为0.40 mm 节距。CM1457 的每个EMI 滤波器通道组件值为6 pF 时执行− 35 nH–4.7 pF −35 nH–1.8 pF。截止频率为−3 dB 衰减为300 MHz，在真实情境中的数据速率为高达160 Mbps，同时提供−35 dB 衰减。在800 MHz 至2.7 GHz 的频率范围内。部件包括ESD 每个输入/输出引脚上的二极管，并提供高级别的保护静电放电（ESD）。ESD保护二极管已连接外部过滤器端口的设计和特点是安全消除超过最大值±15 kV 的ESD，同时也符合冲击IEC61000 的要求（A4-2 国际标准）。

系统中的稳压电路用于将输入的交流电成分处理为直流电成分并进行稳定输出，因此该电路在整体系统中发挥着至关重要的作用。本文采用桥式整流电路方案来完成这一设计预期，该电路由由变压器和主整流桥以及负载组成。整流电路之后往往会与一个较大容量的电容进行并联，目的即是电容滤波，由于电容的充放电作用以及电容两端电压的存在，使得整流电路输出电压UL 的脉动程度大为减弱，波形近于平滑，起到了滤波的作用。在这种电容滤波电路中，电容的容量越大或负载电阻越大，电容放电就越慢，输出电压也就越平滑。该电路符合切换行为基准，且具备无反向恢复/无正向恢复特性和高浪涌电流能力，符合RoHS、JEDEC1 标准，击穿电压最高可达360V，能够在多种场景下完成整流作用，因此可在系统中稳定发挥相应作用。本文设计出的整流电路转化效率高，输出成分中谐波比例低，各电子器件承受的最大反向电压也较低，在装置的正、负半周内都有电流供给负载，各个元件都得到充分利用，整体效率较高。

3.3 电路设计规范

在实际的电路设计中，也有诸多通用的设计规范需要遵循，应当严格遵照相应的规则来组织和进行，明确了通用的电路设计规范，我们才能够制备出合格且美观的原理图，本文结合相关资料整理的原理图制图规范如表1所示。

表1：电路设计通用要求表

在APD 器件的具体设计与制造中，与或门等逻辑器件应用广泛，这些逻辑单元的加入与排布也需遵循既定的设计规范，本文结合相关资料整理的原理图制图规范如表2所示。

表2：逻辑器件应用设计规范表

3.4 不同通信速率下APD灵敏度测量

我们的实验都是在实验室中进行，因此实验结果不会受到背景光等外界影响。在完成光路搭建后，我们开启各个模块，此时APD 的偏压初始值为75 V，我们在0-2000 的通信速率范围内，以100 为步距逐步改变通信速率，同时记录各个实验节点下的ADP 灵敏度。实验结果如图3所示，整体曲线呈现为上升状态，但在通信速率范围的末端却出现了与仿真相反的结果，经过逐节点排查我们得知，光源模块在通信速率处于该范围的情况下散热量大大增加，恒温器功率有限无法及时将热量排出，散发的热量对APD 灵敏度产生了不良影响，进而导致了实验结果和仿真结果出现偏差。

3.5 不同通信速率下偏压与APD灵敏度探究

随后，我们在同一光路下研究了不同通信速率下偏压和APD 灵敏度的影响，设定的通信速率为10 Mb/s、100 Mb/s、1000 Mb/s 三种，在各个通信速率下我们在55-70 V 的偏压范围内以2.5 V 为步距进行改变，得到的实验结果如图4所示：在同一偏压条件下，通信速率越高对应的系统灵敏度越高；在同一通信速率的条件下，偏压越高对应的系统灵敏度越低。实验结果与仿真结果十分接近，由实验结果我们还可得知针对该APD 模块，当偏压超过65 V 后，灵敏度曲线变化更为剧烈，因此需避免工作偏压过大导致的不良影响。

图4：不同通信速率下偏压与探测灵敏度的实测曲线

4 结论

本文对雪崩光电二极管的底层运行机理进行了推导，并在此基础上进行了关于通信速率和输入偏压对APD 灵敏度的仿真分析，随后搭建实验台针对通信速率和输入偏压对APD 灵敏度进行探究，实验结果表明：在相同的偏压条件下，一定范围内通信速率越高对应的系统灵敏度越高；在相同通信速率的条件下，一定范围内偏压越高对应的系统灵敏度越低。该探究对光通信领域中的APD 具有重大科研指导意义和实践价值。