单光子雪崩光电二极管的部分关键技术研究

摘要

近年来，伴随着量子通信系统的迅速发展，量子通信器件的研制受到广泛关注。基于单光子雪崩光电二极管（SPAD）的单光子探测器作为量子通信接收端核心器件受到重视。但到目前为止，SPAD的研制仍面临诸多挑战。本文在SPAD电路模型、SPAD测试系统以及SPAD工艺三个方面做了进一步研究，具体内容如下： （1）在SPAD电路模型建立方面，本文在已报导SPAD电路模型的基础上，提出了一种基于 PSpice 的新型 SPAD 电路模型。本模型采用连续可微分的函数描述SPAD 的I-V 特性，解决了已报导PSpice电路模型不收敛的问题;相比于基于硬件描述语言（HDL）的模型，本工作在结构简易度和使用便捷度上有优势。仿真结果表明本模型能很好模拟 SPAD 的自淬灭、自持续和自恢复过程，对相关电路系统的设计具有指导意义。 （2）在SPAD单光子测试系统搭建方面，本文优化了一种250 MHz单光子测试系统，并使其具有芯片测试能力。通过设计噪声抑制为 52 dB 的滤波器和两级低噪声放大器，得到信噪比达 20 dB 的单光子雪崩脉冲信号，且当系统光探测效率达到23%时，暗计数率为每门3.5×10-5（即8750 cps）。 （3）在SPAD工艺优化方面，为了降低SPAD的暗计数及暗电流，本文对SPAD钝化工艺进行了优化。对比分析了不同钝化材料对器件暗电流性能的影响。根据钝化工艺研究结果，本文基于实验室自主设计的InGaAs/InAlAs外延片，制备了低暗电流探测器芯片，室温下其在90%击穿电压点的暗电流为60 nA，增益为3.5。本工作研制的InGaAs/InAlAs探测器的增益还有待于进一步提高。 综上所述，本文从电路模型构建、测试系统优化及工艺三个方面对 SPAD 做了深入研究，本工作对SPAD自主化研制具有指导意义。

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