专利名称：光子计数应用的崩溃光二极管及其方法
技术领域：
本发明有关关崩溃光二极管及光子计数的技术。
背景技术：
崩溃光二极管(APD)是将光信号转换成电子信号的已有感光元件。APD的作用类似标准光二极管，因为APD和光二极管均将光能转变成电子信号。然而，APD额外纳入存在于其内部的增益机制而使感光性更高。换言之，在已有的p-i-n光二极管中，单一光子被转换成一个电子-空穴对；在APD中，单一光子能被吸收而形成多个电子-空穴对。然而此倍增现象会使APD的输出产生不需要的杂讯。因此，APD的研发人员及制造者持续致力于开发一种具高感性并能降低杂讯的APD。
图1描绘一种经过简化的崩溃光二极管(APD)100。虽然图1所示APD 100为蚀刻高台型(etched mesa-form)，但在此讨论的整体内容同样适用于体型平面。APD 100包含一p-InP基材110；一p-InP缓冲层120及一n-InP层130，其形成宽能带间隙倍增区；一中间能带的n-InGaAsP阶段层或能带间隙转变层140；以及一n-InGaAs窄能带间隙吸收层150。中间能带间隙转变层140是为降低倍增区130与吸收区150的界面上的电荷累积。层105和115为接点，其可由AuInZn或AuSn制成。在此例中，光子hv是在基材侧边被收集。
图1所示APD 100为分隔吸收倍增型(SAM)崩溃光二极管。亦即利用窄能带间隙InGaAs材料150来建构APD吸收区，以便能获得对红外光具更高的感光性。若采用能带间隙较宽的材料(例如InP)来建构吸收区，将无法获得对红外光具相当感光性的APD。同样地，为了在APD倍增区130获得足够的增益性质，利用宽能带间隙半导体当作倍增材料最为理想；以InP为例，其能通过电场辅助方法(穿隧效应)来支援达到电荷倍增效果所需要的强电场，而不会产生过多不需要的载子。在上述情况中，载子的光形成过程发生在吸收区的最佳材料内，且不会在倍增区发生。最后，由于SAM APD含有两种不同的半导体材料，一或多个中间能带间隙材料阶段层140可用来避免电荷载子陷入现象，否则会在不同区域130与150间的异质界面上发生电荷陷入现象。
APD的倍增杂讯为APD倍增介质内的空穴离子化常数与电子离子化常数比率k的函数(k＝β/α)。然而应注意的是，在某些出版刊物中，k为电子离子化常数与空穴离子化常数的比率k，即k＝α/β。无论如何，除非另有明确指示，否则在此揭示内容中的k＝β/α。在一系列论文中，McIntyre等人证明若要改善APD的性能，必须尽可能降低k值。例如，McIntyre等人证明k值接近1的APD会有较小的增益能带宽度，而k值较低(远小于1)的APD则会有较大的增益能带宽度。
McIntyre，R.J.，「均向崩溃光二极管的倍增杂讯(Multiplication Noise inUniform Avalanche Diodes)」，IEEE Transaction on Electron Devices，ED 13，164-168(1966)；McIntyre R.J.，「冲击离子化新观-第一部增益、杂讯、崩溃机率与频率响应的理论(A New Look at Impact ionization-Part IA Theory ofGain，Noise，Breakdown Probability，and Frequency Response)」，IEEE Transactionon Electron Devices，46，1623-1631(1999)；Yuan，P.，Anselm，K.A.，Hu，C.，Nie，H.，Lenox，C.，Holms，A.L.，Streetman，B.G.，Campbell，J.C.，and McIntyre，R.J.，「冲击离子化新观-第二部短崩溃光二极管的增益及杂讯(A New Look atImpact Ionization-Part IIGain and Noise in Short Avalanche Photodiodes)」，IEEE Transactions on Electron Devices，46，1632-1639(1999)。
以上著作引导研究人员寻求能运用在APD倍增区的低k值材料及结构。例如，Campbell等人已证明利用非常薄的倍增区可大幅提高杂讯及增益能带宽的效能。Campbell等人强调InP的空穴与电子离子化比率约等于1(即k≌1)；因此，InP APD具有高倍增杂讯。Campbell等人提出一种具有In0.52Al0.48As薄(200nm-400nm)倍增区的APD；结果呈现k＝0.18。然而Campbell等人同时强调使倍增区变薄时，必须附带增加倍增区内的载子浓度。否则，窄能带间隙吸收层内的电场可能会过高而产生穿隧效应，并导致过多的暗电流。
Campbell，J.C.，Nie H.，Lenox，C.，Kinsey，g.，Yuan，P.，Holmes，A.L.，Jr.andStreetman，B.G.，「高速共振腔InGaAs/InAlAs崩溃光二极管(High SpeedResonant-Cavity InGaAs/InAlAs Avalanche Photodiodes)」，IEEE Journal of HighSpeed Electronics and Systems 10，327-337(2000)；Campbell，J.C.，Chandrasekhar，S.，Tsang，W.T.，Qua，G.J.，and Johnson，B.C.，「宽能带InP/InGaAsP/InGaAs崩溃光二极管的倍增杂讯(Multiplication Noise of Wide-BandwidthInP/InGaAsP/InGaAs Avalanche Photodiodes)」，Journal of Lightwave technology7，473-477，(1989)；Kinsey，G.S.，Hansing，C.C.，Holmes，A.L.Jr.，Streetman，B.G.，Campbell，J.C.，and Dentai，A.G.，「波导In0.53Ga0.47As-In0.52Al0.48As崩溃光二极管(Waveguide In0.53Ga0.47As-In0.52Al0.48As Avalanche Photodiode)」，IEEEPhotonics Technology Letters 12，416-418(2000)；Kinsey，G.S.，Campbell，J.C.，and Dentai，A.G.，「在1.55m操作具增益频宽320GHz的波导崩溃光二极管(Waveguide Avalanche Photodiode Operating at 1.55m with a gain-BandwidthProduct of 320GHz)」，IEEE Photonics Tachnology Letters 13，842-844(2001)。
APD有两种操作模式线性模式及崩溃模式，后者常被称为盖革(Geiger)模式。在线性模式中，APD的偏压低于其崩溃电压；APD的输出光电流正比于冲击吸收区150的光强度，而且正比于倍增区130内的APD增益。在盖革操作模式中，APD的偏压高于其崩溃电压。在此种操作模式中，单一光子能够导致崩溃而产生流过元件的可检测电流，而后仍处于传导状态。因此，在盖革模式中的输出信号振幅为常数，而且与吸收到的光子数目不成正比。无论如何，盖革模式让APD能作为单一光子检测之用。
在各种用途当中，APD是用于检测单一光子。各式应用均需要准确检测单一光子。检测切换半导体元件所产生的光子放射是其中一种应用。特别是在集成电路(IC)当中，此种放射的检测可用来测试、侦错及测定此类元件的特性。一种能检测此类放射的系统已描述于美国专利申请案第09/995,548号中，该申请案与本案具共同受让人，在此以引用方式并入前揭案的完整内容。其它系统已描述于如美国专利第4,680,635号、第4,811,090号、第5,475,316号、第5,940,545号、第5,208,648号、第5,220,403号；以及Khurana等人的「门控放射显微镜所引发的热电子问题分析(Analysis of Product Hot ElectronProblem by Gated Emission Microscope)」，IEEE/IRPS(1986)；在此以引用方式并入上述参考资料的完整内容。
由上述参考资料可知，大量人力物力已投入寻求改善APD，期能提升APD在各种应用场合(包括单一光子检测)的效能。

发明内容
本发明提供一种改进的崩溃光二极管(APD)及改进的APD操作方式，以助益于单一光子检测。本发明的基本原理是基于下述事实的了解虽然已有技术教示尽可能降低k值来减少APD所产生的杂讯以增加其操作能带宽度，但k值约等于1的APD事实上对单一光子检测应用有所助益。因此，本发明的一技术形态提供一种单一光子检测用的APD，其中该APD的建构方式能获得高k值-例如约等于1。
在一实施例中，一种APD包含一吸收区及一分隔的倍增区，其中该倍增区的空穴与电子离子化常数比率-即k值-约等于1。在一具体实施例中，上述倍增区包含一掺杂InP层。在其它实施例中，倍增区是由k值接近1的材料所制成，例如k值为0.82的Ga0.18In0.82As0.39P0.61。
在本发明的一技术形态中，一种APD包含一吸收区；一中间能带间隙转变层；一电场控制层；以及一k值约等于1的倍增区。上述电场控制层的设计能在其内产生一电场缩减量，使得该吸收区的电场约为0-10V/μm，同时使该倍增区的电场维持在大于其崩溃电场的程度。
在本发明的另一技术形态中，一种APD包含一吸收区；一倍增区；一中间能带间隙转变层；以及一电场控制层。上述电场控制层的设计能产生一电场缩减量，该电场缩减量等于该倍增区的崩溃电场加上或减去该吸收区的穿隧诱发电场(tunneling onset field)的一半。在此，穿隧诱发电场定义为造成过度穿隧效应的场值，其会导致多至无法接受程度的暗电流。穿隧诱发电场为吸收区内的能带间隙强作用。Campbell等人在In0.53Ga0.47As吸收层使用20V/μm。在本发明的各式实施例中，本案发明人发现InGaAs吸收层的穿隧诱发电场约为10V/μm。
将上述电场控制层设计成能产生一电场缩减量，且该电场缩减量等于该倍增区的崩溃电场加上或减去该吸收区的穿隧诱发电场的一半，其理由有二第一，在制造元件时，通常电场控制层的掺杂量不准确，而此为制作工序的容限。第二，当APD以盖革模式进行操作时，倍增区内的电场会提升到超过崩溃场的程度，以便能产生崩溃效应。此时，吸收区内的电场-增加量与倍增区内相同-必须保持为正电场以维持感光性，且绝对不能超过崩溃电压，以避免产生过多的穿隧暗杂讯。
在本发明的另一技术形态中，一种APD包含一吸收区；一倍增区；一中间能带间隙转变层；以及一电场控制层。上述电场控制层掺杂有一掺杂物，并被设计成能在超过该电场控制层的厚度上产生一电场缩减量，且该电场缩减量等于该倍增区的崩溃电场加上或减去5V/μm。
在本发明的另一技术形态中，一种APD包含一吸收区；一倍增区；一中间能带间隙转变层；以及一电场控制层。上述电场控制层的设计是使其掺杂物浓度与其厚度的乘积能产生一电场缩减量，且该电场缩减量等于该倍增区的崩溃电场加上或减去约5V/μm。
在本发明的另一技术形态中，其提供一种APD包含一吸收区；一倍增区；一中间能带间隙转变层；以及一电场控制层。上述电场控制层的设计能产生一电场缩减量，该电场缩减量连同该倍增区的电场缩减量，能使总场缩减量等于该倍增区的崩溃电场加上或减去该吸收区的穿隧诱发电场。
在本发明的另一技术形态中，其提供一种能有效检测单一光子的方法，该方法包含建构一APD，该APD有一吸收区、一倍增区，以及一电场控制层。此种方法包含掺杂该电场控制层，以产生一电场缩减量，该场缩减量等于该倍增区的崩溃电压加上或减去约5V/μm。上述方法另包含在该APD上施加一电位以引发该倍增区上的电场，并超过该崩溃电场。
在本发明的另一技术形态中，其提供一种检测半导体元件所射出的光子的系统。此种系统采用一APD检测器，该APD检测器有一吸收区、一倍增区，以及一电场控制层。上述电场控制层的设计是使其掺杂物浓度与其厚度的乘积能产生一电场缩减量，且该电场缩减量等于该倍增区的崩溃电场加上或减去约5V/μm。
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。


本发明参考具体实施例加以说明，此等实施例显示于附图。然而应了解的是，附图当中所描绘的各式实施例仅为举例用，而不应视为对本发明的限制条件；本发明的范围是由后附权利要求的范围予以界定。
图1为蚀刻高台型APD的概要图。
图2a为发生于k＝0的APD的倍增过程；图2b为发生于k＝1的APD的倍增过程。
图3a为利用蒙地卡罗(Monte Carlo)模拟得到在k＝0.2时的崩溃形成时间图；图3b为利用Monte Carlo模拟得到在k＝1时的崩溃形成时间图。
图4a为已有APD的概略图，另伴随一图形示出该APD各区所对应的电场；图4b为根据本发明实施例所建构的APD的概略图，另伴随一图形示出该APD各区所对应的电场。
图5为各种不同层的概要图，所述层建构出本发明的APD实施例。
图6为光子计数装置的概要图，该装置采用根据本发明的实施例所建构的APD。
图7a为电子电路的电路图，该电子电路能在盖革模式下操作根据本发明的一实施例所建构的APD；图7b为图7a所示电路当中出现的各电位的图示。
具体实施例方式
尽管相关技术领域内的工作人员持续追求具由能低k值的APD，本案发明人已发现以盖革(Geiger)操作模式为例，对单一光子检测应用(例如光子计数)而言，k值约等于1的APD事实上更符合需求。为了解上述事实，首先检视APD的k值等于0与k值等于1的操作情况。图2a为发生于k＝0的APD的倍增过程；图2b为发生于k＝1的APD的倍增过程。在图2a与图2b中，以空圈表示空穴，电子则以实圈来表示。顶轴代表进入倍增区的厚度，左侧由上至下的轴线代表时间。
在图2a中，电子e1进入倍增区并冲击离子化而产生电子-空穴对e-h1。由于在此例中k＝0，空穴h1无法冲击离子化，所以空穴h1行进到左边而离开倍增区。因此，现在有两个电子行进到右边，且各电子再次冲击离子化而产生另外两个电子-空穴对。两个空穴行进到左边并离开该区，四个电子则行进到右边而可能会再次造成离子化。在此种情况下，注入到倍增区的单一电子将会扫过该区，并沿路收集更多电子，因而许多电子约略在相同时间离开该区并形成一信号。应注意的是，由于二维图式的限制的缘故，图2a中的时间标示有某种程度上的误导。无论如何，依照以上的解说，读者当能确知进入左边的单一电子会造成许多电子约略在同一时间从右边离开。
在图2b中，电子e2进入倍增区并冲击离子化而产生电子-空穴对e-h2。由于此时k＝1，空穴正如电子一样会冲击离子化。因此，当空穴h2行进到左边时，其会冲击离子化并产生另一电子-空穴对，即如同行进到左边的电子冲击离子化并产生一个电子空穴对一般。如此一来，成群的电子将会连续地从右边离开。换言之，在此例中可观察到带电粒子能在情况稳定前「喀嚓」来回行进。因此，由于倍增时间较长的缘故，此检测器的频率响应较低。此外，在此例中，若检测器在盖格模式中产生偏压，此过程将不会「自我平息」，且带电粒子的形成会变成流过检测器的可检测崩溃电流。
参照图2a与图2b，本案发明人发现当k＝1时，崩溃效应发生最迅速且最不具随机性(即不稳定状态(jitter))。此项发现的重要性在于尽管研究人员一直在寻找低k值检测器以减少杂讯，但本案发明人了解到，若利用k＝1的倍增区，则能改善单一光子检测所用的检测器的时脉准确度。换言之，虽然k＝0与k＝1两者均指出光子检测的时脉，但k＝1时能提供较低的随机性，因此能提供较准确的时脉。
此项结果图示于图3a与图3b，各图是利用Monte Carlo模拟所描绘的崩溃形成时间图。在图3a与图3b中，倍增区厚度设定为1000nm。然而在图3a中，k值被设定为0.2；在图3b中，k值被设定为1.0。可观察到k＝1时在崩溃形成时间内的不稳定情况远低于k＝0.2时的不稳定情况(39.9ps相较于65.0ps)。因此，对准确的光子时脉而言，k＝1的APD能提供较佳的准确度。
在本说明书中，不稳定度(jitter)定义为事件发生精确时间的不确定性。换言之，不稳定状态即为检测器对事件发生时间的「报告」的不确定性。更确切而言，若光子在时间t＝0时进入检测器，则检测器的响应-即检测信号-将会出现在稍后的时间T。若重复数次，将会发现时间T有些许变化。此变化在此称为不稳定度。基本上，不稳定度是由APD内部的电子所造成；每当检测到一个光子时，电子会沿不同路径行进，因而导致从崩溃至形成所耗用的时间变化。在本说明书中，不稳定度是测量为分布的半功率频宽(FWHM)。观察图3b的模拟结果可知，利用本发明的设计能使不稳定度降低至39.9ps。在实际操作当中，已有APD的不稳定度超过100ps；然而，若利用本发明的设计，本案发明人已证明APD的jitter为80ps-甚至小于65ps。
另一项研究结果发现到对k值约等于1的倍增区而言，大部分的时间不稳定度是起因于崩溃区内的倍增形成时间，而不是起因于APD吸收区内的转变时间变化。若要了解此项结果，可考虑载子通过APD结构的转变时间。举例来说，当吸收区所产生的载子行进到倍增区时，其只会通过吸收区一次。然而，到达倍增区后，载子会「喀嚓」来回行进(如图2b所示)统计上无法确定的次数而形成崩溃电流。因此，APD上的转变时间分散(即jitter)贡献大部分由倍增区决定。故此，对光子计数应用而言，如已有技术所教示者，必须建构较薄的吸收区。此外，建构完整的吸收区能获得较佳的量子效率。事实上，以下将会详细解说各式不同的高效率APD，且其不稳定度时间为80ps-甚至小于65ps。
如以上解说的发现及先前的报告，在盖革模式中操作APD会增加检测器的杂讯。亦即，施加高过崩溃电压的电场来操作检测器时，将会在吸收区产生过多的穿隧电流。本案发明人已仔细探究在盖革模式中操作APD来进行单一光子的计数。吾人皆知，单一光子计数应用会受到穿隧电流的不良影响，因为此效应会大幅降低仪器的准确度。因此，本案发明人仔细探究APD内部产生的电场并提供解决方案，其能以低穿隧电流进行盖革模式操作。以下将参照图4a与图4b解说此研究及解决方案。
在图4a中，区块400代表APD，其有一吸收层AL(例如InGaAs)、一中间能带间隙转变层TL(例如InGaAsP)，以及一倍增层ML(例如磷化铟(InP))。各层的相对厚度仅为解说而任意选取。上述各层沿附图的Y轴方向排列，其代表APD主体上的位置。X轴代表施加在APD上的电压所产生的电场。线段410代表产生不能接受的穿隧电流(即穿隧诱发电场)的电场值。线段420代表倍增区崩溃点的电场值。从APD的一般操作方式开始-亦即施加在APD的电压低于倍增区的崩溃电压，形成的电场标示为曲线430。如图所示，由于施加的电压低于崩溃电压，倍增区内的电场低于崩溃值。同样地，吸收区内的电场低于不能接受的穿隧电流值。此为已有技术研发人员所寻求的「最佳」状态，亦即APD的杂讯低且响应快速。类似叙述请参阅Torbjoern Nesheim的硕士论文「运用崩溃光二极管的单一光子检测」图3.4(可由www.vadl.com/qcr/torbjoern网址下载)。
然而，当APD在盖革模式中操作时-亦即施加在APD的电压超过崩溃电压，倍增区的电场会超过崩溃值，如曲线440所标示。因此，吸收区内的电场亦增加并超过可接受的穿隧电流值。对许多单一光子计数应用而言，此结果无法接受，因为杂讯程度将会过高。根据本发明的一技术形态，为了获得一种能在盖革模式中操作且具有可接受杂讯程度的APD，需要设计一掺杂电场控制层CL(图4b)，以便能「保护」吸收区，且同时能让倍增区内的电场超过崩溃值。图4b的曲线450呈现此结果，其中电场控制层CL产生一电场缩减量，以使吸收区内的电场维持在低值。
需注意的是，倍增区内的崩溃电场为倍增区厚度及其构成材料的函数。因此，对任何一种APD设计，可藉助考虑倍增区的材料及厚度来决定其崩溃电场。对许多常见材料而言(例如InP)，其崩溃电场可轻易从文献刊物中查知。取得崩溃电场值后，控制层CL需加以设计，使其能确保在盖革模式中，吸收区内的电场能维持在低于穿隧诱发电场的程度。若要达到此功效，APD需加以设计，使得当APD在盖革模式中的偏压超过崩溃电位时，倍增区电场与电场控制层电场的总电位降足以确保吸收区内的电场低于穿隧诱发电场。电场的总电位降可表示为(方程式1)ΔET＝ΔEML+ΔECL其中ΔET为倍增区与电场控制层内电场的总电位降，ΔEML为倍增层的电位降，ΔECL则为电场控制层的电位降。
需要的电场总电位降已证明为倍增区的崩溃电场加上或减去吸收区的穿隧电流临界场的一半，亦即(方程式2)ΔET＝Ebd±(1/2)ETC其中Ebd为倍增区内的崩溃电场，ETC为穿隧电流临界电场-即穿隧电流侵入值。另一方面，倍增区与控制层内的电场变化亦能以与其有关的因子加以表示(方程式3)ΔEML＝ρMLe-t/ε(方程式4)ΔECL＝ρCLe-t/ε其中ρ为层内载子密度，e-为电子电荷，t为层厚，ε为各层材料的介电常数。ML代表倍增层内的值，CL代表关于电场控制层的值。在某些APD设计中，倍增区通常未予以掺杂，因此会尽可能降低载子密度ρML。在此类设计当中，ΔEML远小于ΔECL；实际上所有电场缩减量是由控制层CL达成。
倍增区材料及厚度的选定是依据倍增区的最佳效能加以选择。因此，对某一种倍增层设计而言，方程式3可用来决定倍增区的电场缩减量。此后，控制层需加以设计，使其能提供所需要的额外电场缩减量。亦即(方程式5)ΔECL＝ΔET-ΔEML将方程式2代入，可得(方程式6)ΔECL＝Ebd±(1/2)ETC-ΔEML然后将方程式4代入，得到(方程式7)ρCLt＝(ε/e-)[Ebd±(1/2)ETC-ΔEML]方程式7表出电场控制层掺杂量与厚度的乘积，使其能在盖革模式中以非常低的杂讯进行操作。
概括而言，可利用由方程式7所得到的ΔEML值。然而，当倍增区内的电场缩减量很小时(例如因为其为标称化本征倍增区)，或为了获得较大的安全界线，可将ΔEML设定为1，以使控制区内的电场缩减量等于低杂讯操作所需要的总电场缩减量。
方程式7所表示的关系已被用来建构本发明的APD实施例。此种APD实施例是为光子计数应用而设计，并采用InGaAs吸收层与经过掺杂的InP倍增层。图5绘出根据本发明的实施例所建构的APD各层。图5所描绘的各层可制成体型平面或蚀刻高台；图中各层厚度仅为举例说明。基材500由n+InP制成；由n+InP制成的缓冲层510沉积于基材500之上，或在其上长晶。吸收层520可由i-InGaAs或i-InGaAsP制成；接着形成n-InGaAs或n-InGaAsP吸收层530。然后形成n-InGaAsP中间能带间隙阶段层540。需注意的是，虽然此实施例是使用单一阶段层，但其它实施例可视需要情况使用许多阶段层，使其能更平顺地从低能带间隙吸收区迁移到高能带间隙倍增区。已有技术已知，阶段层是用于避免电荷陷在能带间隙不同的材料界面上。例如，可采用三层化学式为GaxIn1-xAsyP1-y的阶段层而达此目的，其能带间隙吸收系数λC分别为1.1μm、1.3μm及1.5μm。形成阶段层后，接着为经过掺杂的控制层550-由n-InP制成。控制层540的掺杂量及厚度是利用方程式7的关系加以设计。倍增层560由i-InP制成；接着形成转变层570-由p+-InP制成。金属层580是作为电性接点。
需注意的是，为使APD能在盖革模式操作，元件上必须施加较高的电压，例如25-65伏。如此即能在APD上形成高电场。然而，高电场会在吸收区520内诱发过多的穿隧电流，进而产生无法接受的杂讯。所以在此提供经过掺杂的电场控制层550。电场控制层550维持倍增区内的高电场，但会「保护」吸收区520免受该电场的影响。换言之，掺杂控制层550与其厚度的乘积(即ρCL)的设计方式能使吸收区520的电场维持在低于穿隧诱发的程度。根据具体实施例，控制层550的掺杂-厚度乘积为2.7×1012cm-2；其厚度约0.1μm。在此实施例中，APD是在崩溃电压上运作；吸收区的电场维持在5V/μm，其约为容许穿隧效应值10V/μm(以InGaAS吸收层为例)的一半。在此实施例中，控制区550在其厚度上提供约40V/μm的电场缩减量。
在其它实施例中，各式控制层的厚度设计为0.10μm，掺杂量范围为2.8-3.4×1017cm-3。同样地，在此等实施例中，崩溃电压时的吸收层最大电场略高于5V/μm。另一方面，对上面掺杂范围而言，吸收区的电场实际上约为负4.5V/μm。因此，此种APD能在高于崩溃电压下操作，而且能在吸收区维持非常低的电场，所以杂讯量极低。举例而言，在此实施例中所提供的较高掺杂量一端，可在超过崩溃电压10V/μm的情况下操作APD，且吸收区内的电场仍能维持在约5V/μm-此电场低于容许的电场10V/μm。故此，InP场控制区的掺杂量在1016-1018cm-3较佳。
在本发明的另一实施例中，其设计一种具图5所示结构的APD，此种APD能在低于室温的情况下操作。以较理想的情况而言，检测器约在-150℃操作；最后当InP处理技术足够先进时，此温度为最佳操作温度。然而，目前因杂质使其不可能在此低温下进行操作。所以在本实施例中，APD的操作温度被设计成-90至-40℃或-80℃至-50℃。需注意的是，在上述温度下，控制层550内的掺杂物会凝结，致使电场控制层550丧失降低吸收层520电场的效用。因此，根据本发明的实施例，控制层550内的掺杂物浓度会增加，以补偿凝结损失的掺杂物。根据此实施例，控制层550的掺杂浓度范围约2.5×1016至3.5×1018cm-3。
根据本发明的另一实施例，APD的建构包含图5所示各层，但倍增层560是由高k值材料制成。Ga0.18In0.82As0.39P0.61为适用于本实施例的高k值材料，其k值为0.82。
图6为测试及除错系统的主要部件概要图，其中该系统采用根据本发明的实施例所建构的APD。此系统是与可购得的自动化测试设备(ATE)605共同运作。ATE概括包含一控制器(例如预程序化电脑680)及一测试头，该测试头包含适配器625，其以已有方式将控制器680产生的信号传送到待测元件(DUT)610。确切而言，ATE是用于产生能刺激DUT的信号，藉以执行芯片设计人员为检查及/或修正芯片所设计的各样工作。控制器680所产生的各种信号经由适配器625传送到DUT。适配器625可包含已有的空间变压器、DUT承载板及DUT插槽。
在图6所示实施例中，ATE测试头置于振动绝缘测试台615；其下方的腔室600覆盖整个光学装置、成像及感测系统及X-Y台座675。此种配置能提供极大益处，因其让系统能与其它任何型式大小的ATE共用，而不会干扰腔室600内的所有部件，亦毋须修改所述部件。此外，ATE可从上方放置待测元件，所以可通过开口685看到光学元件620。台座675能将聚光元件设于开口685内的任一位置。
图6所示系统各单元将参照其操作模式加以解说。概括而言，上述系统在两种模式中进行操作导引模式与检测模式。说明当中的「导引模式」实则包括导引、取得目标及成像。因此，在此将会交互使用此等用语。在导引模式中使用照射源630来照射待测元件。照射源630是利用如红外激光、钨灯或卤素灯发射出红外光。此光经过聚焦后，从待测元件反射而由聚光元件620加以聚光，并可选择经由分光器660导引到成像器645。成像器645可为任何一种能使红外光成像的二维检测器，例如摄像管(vidicon)。红外光摄像管可自Hamamatsu公司(http//usa.hamamatsu.com)购得。分光面镜665是用于将部分聚集而来的光偏向选用的聚光系统640。另一方面，成像器645可用于聚光。
切换式面镜635必须能选择性地改变导引模式与检测模式之间的光路径。为此目的，面镜635可以机械方式移动或旋转，或者其可由能依照选定模式调整反射率的主动元件制成，使其在某一模式中具完全反射性，而在另一模式中具完全穿透性。对旋转实作而言，基材可制成一半具穿透性、一半具反射性。此种基材可装设旋转机构，并视需要情况将反射部或穿透部置入光路径。
此外，机械式光孔670连同视野镜695设于聚光元件620的成像面。在此实施例中需注意的是，聚光元件620的成像面在两个位置上形成在光孔670和透镜组695所在之处，以及检测器所在之处。本实施例的特点在于机械式光孔670是从后方被照射，并用于界定成像面上的视域。换言之，可依照需要执行的测试类型来选定待测元件被照射的区域。使用储存在电脑辅助设计软件(例如Cadence)内的芯片设计及布局图，同时使用导引软件(例如可从Knights Technology公司(www.electroglass.com)购得的Merlin′s Framework)，即能选择放射试验所用的特定装置。当使用者选定元件或位置时，系统会启用台座675，使聚光元件对准选定的元件或位置的中心。接着调整光孔670来增加或缩小视域，以适合特定测试所需要的视域。
完成设定适当的视域且影像聚焦后，面镜635会旋转，以便能建立朝向红外感光检测器650的光路径。此外，在测试过程中最好关闭光源630或与其隔离。当能了解，腔室600可防止任何外来的光到达包围在其中的任何光学元件、成像器或感应器。
检测器650能在测试过程中进行光子感应，其中检测器650是根据上述实施例加以建构，并在盖革模式下操作。来自于检测器650的信号是由高速数据收集电子装置655进行取样。控制器680(可为执行专用软件的一般用途电脑)是用于控制系统内的各式单元，例如台座与样本。控制器680接收来自于ATE 605的同步信号。
图7a为电子电路的电路图，该电子电路能在盖革模式下操作根据本发明的一实施例所建构的APD；图7b为图7a所示电路当中出现的各电位的图示。低于崩溃电压的电压Vb施加在APD上，以限制杂讯量。接着，当预期会发生光子放射时(例如每个来自ATE的信号)，APD上的电压藉由脉冲产生器增加到超过崩溃电压。脉冲的时间长度τ可依照特定应用场合调整到需要的长度。调整平行负载c，使得当APD700没有检测到光子时，差动放大器710两输入端的电位相同。另一方面，若APD检测到光子，且没有发生崩溃情况，则通过APD700的电流会比通过负载c的电流多，因而在差动放大器710上会有检测情况。
图7b显示电路上的电位。Y轴代表电压，X轴则代表时间。由于电压和时间取决于特定应用场合而定，因此图中所显示的尺度为任意选取。虚线代表倍增区的崩溃电压VBD。Vb为图7a的电压供应器Vb所施加的电压；Va为差动放大器710的输出电压。如图所示，在第一时间周期，施加的电压为Vb，其为低于崩溃电压的偏压。然后，窗周期τ借着脉冲产生器所产生的电压而升至Vp。在第一窗中没有检测到光子，因此放大器710的输出维持不变。电位随后降到偏压Vb。然后，脉冲产生器形成第二窗；在此周期，APD检测到光子并发生崩溃情况。因此，差动放大器输出一脉冲。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种崩溃光二极管，适用于单一光子检测，其至少包含一吸收层，其界定一穿隧诱发电场；至少一中间能带间隙转变层；一电场控制层；一倍增层，界定一崩溃电场；其中，该电场控制层是设定用以产生下列之一该电场控制层内的电场缩减量相当于该崩溃电场；以及该电场控制层内的电场缩减量连同该倍增层内的电场缩减量，以提供一总电场缩减量相当于该崩溃电场。
2.如权利要求1所述的崩溃光二极管，其特征在于所述电场缩减量等于该崩溃电场加上或减去该吸收层的穿隧诱发电场的一半。
3.如权利要求2所述的崩溃光二极管，其特征在于所述吸收层穿隧诱发电场达到20V/μm。
4.如权利要求2所述的崩溃光二极管，其特征在于所述吸收层穿隧诱发电场约5至10V/μm。
5.如权利要求1所述的崩溃光二极管，其特征在于所述电场控制层包含已掺杂的磷化铟(InP)。
6.如权利要求5所述的崩溃光二极管，其特征在于所述倍增层所界定的空穴-电子游离化常数的比值约等于1。
7.如权利要求6所述的崩溃光二极管，其特征在于所述倍增层包含磷化铟(InP)。
8.如权利要求5所述的崩溃光二极管，其特征在于所述倍增层所界定的空穴-电子游离化常数的比值约0.7至1.3。
9.如权利要求8所述的崩溃光二极管，其特征在于所述倍增层包含GaxIn1-xAsyP1-y。
10.如权利要求9所述的崩溃光二极管，其特征在于所述倍增层包含Ga0.18In0.82As0.39P0.61。
11.如权利要求1所述的崩溃光二极管，其特征在于该吸收层包含InGaAs与InGaAsP其中之一；该中间能带间隙转变层包含GaxIn1-xAsyP1-y；该电场控制层包含n-InP；以及该倍增层包含i-InP。
12.如权利要求11所述的崩溃光二极管，其特征在于所述中间能带间隙转变层包含化学式为GaxIn1-xAsyP1-y的三阶段层，其能带间隙吸收系数λC分别为1.1μm、1.3μm及1.5μm。
13.如权利要求11所述的崩溃光二极管，其特征在于所述吸收层包含i-InGaAs与i-InGaAsP其中之一所构成的第一吸收物，以及n-InGaAs与n-InGaAsP其中之一所构成的第二吸收物。
14.如权利要求1所述的崩溃光二极管，其特征在于所述电场控制层包含一特定厚度t与一特定掺杂量ρ，其满足下列关系式ρt＝(ε/e-)(Ebd±(1/2)ETC-ΔEML)；其中ε为该电场控制层构成材料的介电常数；Ebd为该崩溃电场；ETC为该吸收层内的穿隧电流临界电场；ΔEML为该倍增层的电位降，其值介于0至Ebd。
15.一种崩溃光二极管，适用于单一光子检测，其至少包含一吸收层，界定一穿隧电流临界电场ETC至少一中间能带间隙转变层；一电场控制层，其有一特定厚度t及一特定掺杂量ρ；一倍增层，界定一崩溃电场Ebd；其中，该电场控制层的特定厚度及特定掺杂量被选定藉以产生下列之一i.该电场控制层内的电场缩减量相当于Ebd±(1/2)ETC；以及ii.该电场控制层内的电场缩减量连同该倍增层内的电场缩减量，以提供一总电场缩减量相当于Ebd±1/2ETC。
16.如权利要求15所述的崩溃光二极管，其特征在于所述穿隧电流临界电场ETC的值介于1V/μm至20V/μm。
17.如权利要求15所述的崩溃光二极管，其特征在于所述倍增层所界定的空穴-电子游离化常数的比值约0.7至1.3。
18.如权利要求15所述的崩溃光二极管，其特征在于该吸收层包含InGaAs与InGaAsP其中之一；该中间能带间隙转变层包含GaxIn1-xAsyP1-y；该电场控制层包含InP；以及该倍增层包含InP。
19.一种单一光子检测系统，至少包含一聚光元件及一光子检测器，其特征在于该光子检测器包含一崩溃光二极管，适用于单一光子检测，其至少包含一吸收层，界定一穿隧诱发场；至少一中间能带间隙转变层，配置在该吸收层上；一电场控制层，配置在该转变层上；一倍增层，配置在该电场控制层上，该倍增层界定一崩溃电场；其中，该电场控制层设定用以产生下列之一该电场控制层内的电场缩减量相当于该崩溃电场；以及该电场控制层内的电场缩减量连同该倍增层内的电场缩减量，以提供一总电场缩减量相当于该崩溃电场。
20.如权利要求19所述的崩溃光二极管，其特征在于所述电场缩减量等于该崩溃电场加上或减去该吸收层的穿隧诱发场的一半。
全文摘要
本发明提供一种改进的崩溃光二极管(APD)及改进的APD操作方式的，尤其助益于单一光子检测应用。APD有一吸收区、一控制区及一倍增区，其中该倍增区的k值约等于1。在一实施例中，上述倍增区包含一掺杂InP(磷化铟)层。所述场控制层的设计能产生一电场缩减量，该电场缩减量等于该倍增区的崩溃电场加上或减去5V/μm。上述方法包含在该APD上施加一电位以引发该倍增区上的电场，并超过该崩溃电场；同时控制区保护吸收区，以避免过多的杂讯。
文档编号G01J1/02GK1610977SQ02820685
公开日2005年4月27日 申请日期2002年11月21日 优先权日2001年11月28日
发明者詹姆士·维克斯 申请人:亚帕托尼克斯公司