InGaAs/InP基单光子雪崩二极管（SPAD）外延片 *S

        对于近红外中的单光子探测，主要的候选者是具有单独吸收、分级、电荷和倍增结构的III-V族异质结构器件，如InGaAs/InP和InGaAs/InAlAs。在单光子雪崩二极管（SPAD）中，使用室温带隙Eg为0.75eV、截止波长约为1670nm的InGaAs（In0.53Ga0.47As）层作为吸收材料，而晶格匹配的InP层或InAlAs层用作倍增材料。倍增层中的电场足够高以提供所需的雪崩概率，而吸收层中的磁场足够低以最小化场致漏电流。电荷层被设计为在倍增层中提供高电场，在吸收层中提供低电场，而分级层避免了异质结界面中的载流子积聚。可供InGaAs/InP基单光子雪崩二极管外延片，具体结构如下仅供参考：

1. 单光子雪崩二极管外延结构

2. 单光子雪崩二极管工作原理

        单光子雪崩二极管由偏置在击穿电压（VB）以上的p-n结组成，其特征是固有的正反馈，这是其单光子灵敏度背后的基本机制。当电场因p-n结两端施加的反向偏压而达到临界值（>3.105 V/cm）时，就会发生这种情况，通过称为过量偏压（VEX）的过电压克服击穿电压。事实上，SPAD在双稳态条件下工作，在这种情况下，设备要么处于静止状态，要么触发雪崩。当偏置高于击穿电压时，SPAD必须能够保持静止足够长的时间（例如，长于ms），等待雪崩电流注入。因此，必须尽可能降低自发产生复合现象，这将独立于光信号触发雪崩倍增过程。一旦产生电子-空穴对，就会产生雪崩电流，通常随着低于1ns的上升时间而增加，直到mA范围内的稳定电流水平。由于耗尽区中产生的自由载流子的抵消效应，电流收敛到自我维持的水平，能够减轻电场。

        由于单光子检测而产生的SPAD输出脉冲具有足够的幅度，可以很容易地被读出电子设备检测到；因此，SPAD被视为SPD。SPAD中雪崩电流的高值可能会对结造成应力和损坏。因此，为了阻止这种电流并避免损坏设备，必须将电场充分降低到临界值（≈3.105 V/cm）以下，有效地熄灭雪崩。因此，前端电子设备的任务是检测雪崩的前沿，产生与触发同步的输出脉冲，迅速将SPAD偏压降低到击穿电压，并最终恢复初始工作电平。该电路通常被称为感测、淬火和再充电电路或简称为淬火电路。在图1所示的电流-电压（I-V）特性中，导通支路表示雪崩触发后SPAD被淬灭后的扫描，而断开支路则表示充电阶段的扫描。

图1 单光子雪崩二极管 I-V特性: 电压VBIAS是施加到SPAD的反向偏压，Id是SPAD电流

        淬火电路是必要的，通过将反向电压降低到VB以下来迅速中断雪崩电流，从而避免SPAD损坏。各种淬火解决方案都是无源或有源元件，或两者的混合，以满足不同的设计要求。

3. 单光子雪崩二极管应用

        单光子雪崩二极管阵列可用于高灵敏度成像，在需要高帧率、门控和光子定时功能时，它可以取代电荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 有源像素传感器 (APS)。事实上，CCD 电荷转移读出会导致帧率有限，而 CMOS APS 虽然速度很快，但由于不使用内部放大，因此无法检测到微弱信号。更昂贵的增强型 CCD (I-CCD) 和电子倍增 CCD (EMCCD) 具有内部增益，可用于增强信号；然而，它们不能提供高于几kframe /s 的帧率，不能用于精确的时间分辨测量。因而，可以使用单光子雪崩二极管阵列和硅光电倍增器来克服这种权衡。

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