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雪崩光电二极管和用于单光子检测的抑制电路
摘要：在盖革模式下向与雪崩抑制电路连接的光电二极管施加击穿电压以上的电压可用于检测单个光子，因此称为单光子雪崩二极管SPAD。我们对这种操作模式的电路配置进行了严格的分析，并评估了它们在光子计数和定时应用中的相对优点。用于SPAD器件测试和选择的简单被动抑制电路（PQC）具有非常有限的应用。而合理设计的主动抑制电路（AQC）可以发挥SPAD的最佳性能。在高电压（250-450 V）下工作的厚硅SPAD的光子检测效率高于540至850 nm波长时的50％，而1064 nm 时为～3％。在低电压（10-50V）下工作的薄硅SPAD在500nm处具有45％的效率，在830nm下降到10％，在1064nm下降至0.1％。光子定时时间分辨率为20 ps FWHM，薄SPAD;它的范围从350到150 ps FWHM与厚的SPAD。实现的最小计数死区时间和最大计数速率为40 ns，厚硅SPAD为10 Mc/s，薄SPAD为10 ns和40 Mc/s。锗和III-V化合物半导体SPAD将近红外区域的光子计数技术的范围扩展到至少1600nm的波长。
关键词：光子计数，光子定时，雪崩光电二极管，抑制电路
copy;1996美国光学学会
1.介绍：光子计数、单光子雪崩二极管和抑制电路
光子计数和时间相关光子计数技术经过多年研发并通过使用光电倍增管（PMT）显着提升性能。近年来，已经开发了称为单光子二极管（SPAD）的特殊半导体探测器来检测单个光子。在文献中，它们也被称为盖格型雪崩光电二极管或触发的雪崩检测器。这些技术已经在各个领域获得了显着的实验结果：基本量子力学、密码学、天文学、单分子检测、发光显微镜、物理、化学、生物学和材料科学中的荧光衰变和发光、二极管激光表征、通信和传感器应用中的光纤测试、激光在空间应用和遥测中的应用以及激光测速和动态光散射中的光子相关技术。PMT还有其他优点，它在光子检测效率方面也取得了显着的进展，特别是在红外和近红外范围。
硅SPAD已经经过广泛的调研，现在发展良好并在设计和制造技术方面取得了相当大的进展，可以通过贸易获得具有良好特性的装置。目前为止已知的器件可以根据PN结分为两类：薄型，通常为1mu;m；厚型，为20至150mu;m。其主要特点可概括如下。对于薄结SPADrsquo;s（i）击穿电压VB为10至50V;（ii）有效面积小，直径5〜150mu;m;（iii）光子检测效率在可见光范围内相当好，在500nm处为45％，在630nm处下降到32％，在730nm下降到15％，并且在近红外仍然有用，在830时为10％ nm，在1064nm处少至0.1％;（iv）光子定时分辨率非常高，明显优于100 ps FWHM。特别是具有小的有效面积（〜10-mu;m直径）的装置在室温下表现比30ps FWHM好，而当冷却至-65℃时甚至优于20ps。对于厚结硅SPAD#39;s（i）击穿电压，VB为200至500 V;（ii）有效面积相当宽，直径为100〜500mu;m;（iii）可见光区域的光子检测效率非常高，显着优于540-850 nm波长范围的50％，近红外光谱下降，但在1064 nm处仍为〜3％。（iv）在光子定时中的分辨率是相当好的，对于拉通型，高于350ps FWHM，对于具有更平滑的场分布的设备，大约为150ps FWHM。近年来，在检测器操作的基础上，物理现象得到了更深的解析，并且对于薄型和厚度检测器都已经了解到了光子定时性能的最终极限.
使用锗SPAD，在1300nm波长下的光子检测效率大于15％，具有85ps FWHM分辨率的光子时序已经被实验验证。关于III-V器件，在1550nm处的光子检测效率高于10％ 并且已经验证了InGaAsP SPAD#39;的250 ps FWHM分辨率的波长和光子时序。在这两种情况下，专门设计用于Geiger模式的器件尚无记录，商用光电二极管的行为受到强烈的后脉冲效应的载流子捕获问题（见第2节）的影响。 这种情况与25年前的硅器件有一些相似之处，表示材料技术还有很大的改进空间。
基本上，SPAD是在击穿电压VB以上的电压VA下工作的p-n结。在这种偏压下，电场非常高，注入到耗尽层中的单个电荷载流子可能引发自维持雪崩。当前上涨幅度（纳秒或亚纳秒上升时间）到毫安范围内的宏观水平稳定。如果主载波是光生的，则雪崩脉冲的前沿标记着检测到的光子的到达时间。电流继续流动直到雪崩可以通过将偏置电压降至VB或更低来抑制。然后恢复偏置电压，以便能够检测另一个光子。该操作需要一个合适的电路，其必须（i）能感测雪崩电流的前沿，（ii）能产生与雪崩上升良好同步的标准输出脉冲，（iii）通过将偏压降低到击穿来抑制雪崩电压，（iv）将光电二极管电压恢复到工作电平。该电路通常被称为抑制电路。如下所述，抑制电路的特征显着影响检测器的工作条件，因此影响其实际性能。本文的目的是讨论不同的抑制策略，比较简单的被动抑制装置和更精细的主动抑制电路。我们还讨论了使用同轴电缆连接的远程SPAD进行操作的各种抑制电路的适用性，参考了安装在设备或低温恒温器内的插座中的检测器，在这种环境下除非与检测器集成，否则电路不能安装。
在第2节中对在抑制电路设计或选择中必须考虑的SPAD的主要特征进行了简要回顾。第3节分析了SPAD在被动抑制电路中的运行。并且第4节讨论了主动抑制电路的基本特征和工作原理。第5节分析了无源和有源电路的门控检测器操作。 具有混合被动活动特征的电路在第6节中讨论。总之，SPAD检测器提供的主要优点以及主动和被动电路在其应用和开发中的作用将在第7节中着重讲解。我们实验室已获得所有报的实验数据除了另有具体引用的。
2.单光子雪崩二极管的工作条件和性能
偏置电源电压VA超过接点的击穿电压VB的部分称为过压偏置电压VE =（VA-VB），它对检测器性能有决定性影响。值得强调的是，重要的是VE / VB比值而不是VE，因为性能与击穿电压时的超电场有关。由于VB在不同的可用SPAD中的范围是10到500 V，因此要考虑的VE值是从1到50 V以上。
A.光子检测效率
对于要检测的光子，不仅必须在检测器有效体积中被吸收并产生初级载流子（更确切地说是电子 - 空穴对），而且主载流子成功地触发雪崩也是必要的。 因此，较高的电场增加了触发概率，并且光子检测的效率也随着偏置电压VE而增加。使用薄结和厚结SPAD获得的典型数据如图1所示。
B.时间分辨率
在单光子定时中的分辨率也在较高的电场和VE下得到提升，如图2所示。
C.暗计数率
正如在PMT中发生的那样，即使在没有照明的情况下，热产生效应也产生电流脉冲，并且这些暗计数的泊松波动代表检测器的内部噪声源。 如图3所示，SPAD暗计数率随着偏置电压的增加而增加。
图1. SPAD的光子检测效率对过电压VE的依赖性：（a）在实验室研制的薄SPAD在830nm波长处的光子检测效率与VE的比值，(1-mu;m结宽度，击穿电压VB = 16V时，10-mu;m有效面积直径);（b）在厚SPAD上不同VE下检测效率和波长的比值，EG＆G Slik（25-mu;m结宽度，击穿电压VB = 420V，250-mu;m有效面积直径）实验数据来自我们的实验室。
图2. 光子定时中的FWHM分辨率对过电压VE的依赖性：（a）图1(a)的薄结SPAD在室温（实心圆）并冷却至-65℃（填充正方形），（b）图1(b)的厚结SPAD在室温下。实验数据来自我们的实验室。
暗计数率包括主脉冲和次脉冲。主脉冲是由于在SPAD结中热产生了载流子，因此计数速率随着普通光电二极管中的暗电流而升高。由于两种影响，即场辅助增强发电中心的排放速率和雪崩触发概率的增加，VE也随之增加。
由于脉冲后效应，二次暗脉冲可能会强烈增大暗计数率。在雪崩期间，一些载流子被接合耗尽层中的深层捕获，随后以统计上波动的延迟释放，其平均值取决于实际涉及的深度级别。释放的载流子可重新触发雪崩，产生与先前的雪崩脉冲相关的后脉冲。在雪崩脉冲期间捕获的载体的数量随着穿过结点的载波总数而增加，即雪崩脉冲的总电荷。因此，随着雪崩抑制的延迟以及与过电压VE成比例的电流强度，后脉冲增加。VE的值通常由光子检测效率或时间分辨率要求或两者决定，因此必须通过最小化抑制延迟来最小化每个脉冲的俘获电荷。如果捕获的电荷不能降低到足够低的水平，则可以利用抑制电路的特征来将后脉冲速率降低至可忽略或至少可接受的水平。通过故意维持抑制水平的电压（见第3节），在抑制后的耐压时间内，防止释放的载体重新触发雪崩。如图3（a）所示，对于室温下的硅SPAD，几百纳秒的耐压可以在更高的过压偏置电压下降低总暗数计数的数量级，因为它覆盖了大部分释放瞬态，并且实际上消除了后脉冲的功能。对于在低温下工作的SPAD，该方法效果较差，因为释放瞬变变得慢得多，覆盖它所需的停留时间可能会更长，因此严重限制了光子计数测量中的动态范围。
图3. 暗计数率对过电压VE的依赖性：（a）图1(a)的薄SPAD在室温下; 引用的参数是每次雪崩脉冲后的耐压时间（见文字）;（b）图1(b)的厚SPAD在室温下运行，耐压时间为40ns; 在较长的耐压时间内获得基本相等的结果，表明在该装置中捕获效应几乎可以忽略不计。实验数据来自我们的实验室。
获得低暗计数率的关键因素是检测器制造技术。在硅技术中，有效的吸杂过程将最小化负责主要暗电流脉冲的发电中心的浓度和雪崩载流子陷阱的深度级别。如图3（b）所示，硅SPAD最近生产的黑暗计数非常低，并具有极低的发生率和几乎可忽略的捕获（非常弱的捕获，非常短的释放，在室温下约10ns）。
D.热效应
击穿电压VB强烈依赖于结温。热系数值取决于SPAD器件结构，通常相当高，约为0.3％/ K。在恒定电源电压VA下，VB的增加导致过载偏置电压VE的减小，按VB / VE因子计算，其百分比大于VB。在VE水平较低的情况下，VE的百分比变化非常大，约30％/ K，VE水平也高达〜3％/ K。对设备性能的影响是显着的。雪崩电流本身在器件中消耗相当大的能量：瞬时脉冲可以达到数瓦的功率。从二极管结到散热片的热阻很大程度上取决于安装类型（封装器件，载体上的芯片等），可以在小于0.1至1℃/ mW的范围内。在高计数率下，平均功耗会导致显着的温度升高，特别是在具有高VB的SPAD中（见第3和4节）。在检测器性能方面可观察到明显的效果，特别是在光电二极管芯片未安装在有效散热片上并且雪崩脉冲的平均计数率变化的情况下.因此，在工作条件下准确得稳定结温度是非常重要的。也可以通过在结温升高时增加电源电压VA来直接稳定VE。然而，这引入了具有中等环路增益的正反馈，因为它稍微增加了功耗（参见第3和第4节）。对于具有高VB的SPAD，温度的上限或粗略稳定必须与偏置电压反馈相关联。
3.被动抑制电路
在早期关于结点雪崩击穿研究中的实验中，雪崩电流通过在高阻抗负载下形成电压降来自我抑制。这些简单的电路，如图4所示，目前仍在使用，被称为被动抑制电路（PQC）。SPAD通过100kOmega;或更高的高镇流电阻RL反向偏置，Cd是结电容（通常约为1 pF），Cs是杂散电容（连接到RL的二极管端的接地电容，通常为几个皮法）。二极管电阻Rd由雪崩结的空间充电电阻和通过电流交叉的中性半导体的欧姆电阻等得出。 Rd值取决于半导体器件结构：对于具有广泛面积和较厚耗尽层的类型，其值低于500Omega; [图1（b），2（b）和3（b）]，而对于具有小面积和薄结的器件，从几百欧姆到几千欧 [图1（a），2（a）和3（a）]。
闭合二极管等效电路中的开关时发生雪崩触发。图5显示了二极管电流Id和二极管电压Vd或瞬态过载电压Vex = Vd -VB：
图4. 基本PQC：（a）配置电压模式输出，（b）配置电流模式输出，（c）电流模式输出配置的等效电路。雪崩信号由产生脉冲计数和定时基准信号的比较器感测。
图5. 在图4（b）的PQC中操作的图1中的SPAD的脉冲波形显示在数字示波器上：a，雪崩电流Id; b，二极管电压Vd。
抑制过渡
雪崩电流使电容放电，使得Vd和Id下降到Vf和If的渐近稳态值：
近似值是合理的，因为它必须是RL gt;gt; Rd，如下所示。抑制时间常数Tq由总电容Cd Cs和Rd与RL的并联决定，即实际上简单地由Rd设定，
如果If非常小，则Vf非常接近VB。当下降电压Vd（t）接近VB时，Id（t）的幅度降低，并且穿过雪崩区域的载流子数量减少。由于雪崩过程是符合统计学的，所以没有穿过高场区域的载流子可能会影响电离。当二极管电流Id低于asymp;100mu;A时，这种波动为0倍的载波的概率变得重要，并且随着Id进一步减小而迅速增加。雪崩自身维持在高于闩锁电流Iq lt;100mu;A的范围，并处于自我抑制状态。Iq值没有明确定义，如相对于雪崩起始的抑制时间的抖动以及发生淬火的二极管电压Vq的相应抖动所证明的。在大多数计算中，Vq可以假设实际上等于VB，尽管它略高：
因此可以评估雪崩脉冲中的总电荷Qpc，它是用于评估捕获效应的重要参数（见第1节），将其与渐近电流If和特征时间常数Tr的关系进行评估
负载电阻的最小值
如果渐近电流If被设置为远低于锁存电流电平Iq的值，则PQC的行为是正确的：下降的雪崩电流以较高的斜率跨越Iq电平，使得雪崩在一个明确的时间，抖动相当小。然而，如果If值提高到Iq，则会发生逐渐延长的延迟和更长的时间抖动的抑制.如果非常接近Iq，则仍然发生抑制，但是具有非常长且极度抖动的延迟。最后，当If高于Iq时，在类似于目前用作电子电路中的电压基准的二极管的情况下，雪崩不再被抑制并且产生稳定的电流流动。在这种情况下，如果功耗IfVf≌IfVB
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