CN114497263A - 无过量噪声的光电二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无过量噪声的光电二极管，并提供了可以经由具有超晶格倍增区来使光电二极管(诸如线性模式雪崩光电二极管)不含过量噪声，该超晶格倍增区仅允许一种电流载流子类型(诸如电子或空穴)在被偏置时(其中层被晶格匹配)积聚足够的动能以进行碰撞电离。光电二极管可以通过以下来构造：i)超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，ii)吸收体区，以及iii)半导体衬底。可以通过这些构造层制造具有多个光电二极管的检测器，以具有在从1.7pm至4.9pm的任何地方变化的截止波长以及处于一定水平的由暗电流产生的噪声，使得该光电二极管可以准确地感测具有期望最小波长截止的电磁辐射信号。

Description

无过量噪声的光电二极管
本申请是于2019年5月24日提交的名称为“无过量噪声的光电二极管”的中国专利申请201980043875.0的分案申请。
相关申请
本申请作为部分继续申请要求提交于2018年7月11日提交的标题为LINEAR MODEAVALANCHE PHOTODIODES WITHOUT EXCESS NOISE的国际PCT专利申请号：PCT/US18/41574的优先权和权益，并且该专利申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开的实施例整体涉及光电二极管。
背景技术
光电检测器的功能是感测入射光并输出与入射光通量成比例的电流，即光电流。理想情况下，光电检测器为每个入射光子产生一个输出电子或空穴，并且每个输出电子或空穴都是入射光子的结果。对于其中入射通量较低的许多应用，输出电流需要放大，然后才能由后续电子器件使用。在先前的一些光电检测器中，为了实现光子计数，需要将光电流倍增104到106的增益机制来检测单个光子。除了增加电流的幅值外，放大器还具有向电流添加噪声的缺点。
实际上，许多类型的光电检测器在室温下的来自电子放大器的噪声电流远高于检测单光子流(光子计数)所需的电流。由于放大器噪声是由温度驱动的，因此对于这些类型的光电检测器，将放大器冷却至低温会降低其噪声，但这种方法仅在有限数量的应用中可接受。
一种当前的倍增机制是碰撞电离。基于这种机制的光电检测器被称为雪崩光电二极管(APD)。
发明内容
本文可以提供用于光电二极管的各种方法、装置和系统。
在一个实施例中，可以经由具有超晶格倍增区来使光电二极管(诸如线性模式雪崩光电二极管)不含过量噪声，该超晶格倍增区仅允许一种电流载流子类型(诸如电子或空穴)在被偏置时(其中层被晶格匹配)积聚足够的动能以进行碰撞电离。光电二极管可以通过以下来构造：i)超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，ii)吸收体区，以及iii)半导体衬底。可以通过这些构造层制造具有多个光电二极管的检测器，以具有在从1.7μm至4.9μm的任何地方变化的截止波长以及处于一定水平的由暗电流产生的噪声，使得该光电二极管可以准确地感测具有期望最小波长截止的电磁辐射信号。
光电二极管可以通过以下来构造：i)超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，ii)吸收体区，以及iii)半导体衬底。吸收体区还可以具有多种半导体合金的超晶格构造。可以通过超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对来构造给定的光电二极管，当光电二极管被电偏置以传导电流时，该超晶格倍增区仅允许选自i)电子或ii)空穴的一种电流载流子类型积聚足够的动能以进行碰撞电离。光电二极管将具有形成吸收体区的第三半导体合金和半导体衬底。倍增区和吸收体区可以与半导体衬底晶格匹配。倍增区和吸收体区从半导体衬底开始彼此交替堆叠。
匹配倍增区、吸收体区和半导体衬底中的合金，以将光电二极管设置为具有介于1.0μm和4.9μm之间的最小波长截止以及处于一定水平的由暗电流产生的噪声，使得光电二极管可以准确地感测具有期望最小波长截止的电磁辐射信号。
将讨论该设计的许多变型。
附图说明
图1示出了具有匹配超晶格结构的线性模式APD的框图的实施例，其中当载流子为空穴时，经由在价带中具有超晶格基本上消除了过量噪声。
图2a示出了在偏置下随距离累积动能的情况下，体半导体的价带中的空穴的曲线图的实施例。
图2b示出了针对Wannier-Stark阶梯中的状态的跳跃通过偏置超晶格中的阱和能级的价带中的空穴的曲线图的实施例。
图3示出了针对电子注入的作为平均增益M和β/α比的函数的过量噪声因子F的理论值的曲线图的实施例。
图4示出了半导体的能带图的曲线图的实施例，其中垂直绘制能量并且水平绘制距离，以及进行碰撞电离以形成新电子-空穴对所需的动能量。
图5示出了具有匹配超晶格结构的线性模式APD的框图的实施例，其中当载流子为电子时，经由在导带中具有超晶格基本上消除了过量噪声。
图6a示出了具有施加电场的体半导体中的电子的曲线图的实施例，该电子被场加速并积聚动能。
图6b示出了匹配超晶格通过控制局部的Wannier Stark状态来抑制碰撞电离的曲线图的实施例。
图7示出了具有匹配超晶格设计的线性模式APD的曲线图的实施例，其中电子倍增而不是空穴倍增被抑制。
图8示出了具有匹配超晶格结构的线性模式APD阵列的图的实施例，该匹配超晶格结构具有原位存储器和并行列读出。
图9示出了具有带匹配超晶格结构的线性模式APD的读出电路示意图的图的实施例。
图10示出了示例性InGaAs-GaAsSb超晶格带图的框图。
图11A-图11B示出了经由以下方式来构造无过量噪声的光电二极管的实施例的流程图：具有超晶格以及晶格匹配以具有介于1.0μm和4.9μm之间的最小波长截止以及处于一定水平的由暗电流产生的噪声，使得光电二极管可以准确地感测具有期望最小波长截止的电磁辐射信号。
尽管该设计可以具有各种修改、等同形式和替代形式，但其特定实施例已经通过示例在附图中示出并且现在将对其进行详细描述。应当理解，设计不限于所公开的特定实施例，而是相反，其意图是覆盖使用特定实施例的所有修改、等同形式和替代形式。
具体实施方式
在下面的描述中，可以阐明许多具体细节，诸如具体数据信号、命名部件、帧数等的示例，以便提供对本设计的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本设计。在其他情况下，没有详细描述众所周知的部件或方法，而是以框图的形式描述以便避免不必要地混淆本设计。另外，可以做出诸如第一光电二极管的特定附图标记。然而，特定附图标记不应解释为字面顺序，而应解释为第一光电二极管与第二光电二极管不同。因此，所阐述的具体细节可以仅是示例性的。可以根据本设计的精神和范围改变具体细节，并且该具体细节仍被预期在本设计的精神和范围内。术语“耦合”被定义为意味着直接连接到部件或通过另一个部件间接连接到部件。
图1-图9讨论了第一组示例性光电二极管构造和技术。图10-图11B讨论了第二组附加光电二极管构造和技术。第二组附加光电二极管构造和技术建立在第一组中讨论的概念和技术的基础上并结合该概念和技术。
一般地，讨论了方法、装置和系统。可以经由具有超晶格倍增区来使光电二极管(诸如线性模式雪崩光电二极管)不含过量噪声，该超晶格倍增区仅允许一种电流载流子类型(诸如电子或空穴)在被偏置时(其中层被晶格匹配)积聚足够的动能以进行碰撞电离。可以通过以下来构造光电二极管：i)超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，ii)吸收体区，以及iii)半导体衬底。吸收体区还可以具有多种半导体合金的超晶格构造。可以通过超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对来构造给定的光电二极管，当光电二极管被电偏置以传导电流时，该超晶格倍增区仅允许选自i)电子或ii)空穴的一种电流载流子类型积聚足够的动能以进行碰撞电离。光电二极管将具有形成吸收体区的第三半导体合金和半导体衬底。倍增区和吸收体区可以与半导体衬底晶格匹配。倍增区和吸收体区从半导体衬底开始彼此交替堆叠。匹配倍增区、吸收体区和半导体衬底中的合金，以将光电二极管设置为具有介于1.0μm和4.9μm之间的最小波长截止以及处于一定水平的由暗电流产生的噪声，使得光电二极管可以准确地感测具有期望最小波长截止的电磁辐射信号。
下面讨论了建立在第一组中讨论的概念和技术的基础上并结合该概念和技术的第二组示例性光电二极管构造和技术。
图10示出了示例性InGaAs-GaAsSb超晶格带图的框图。可以构造光电二极管的层1000以使得电子主要限制在InGaAs-GaAsSb层中并且空穴限制在GaAsSb层中。该图概述了GaAs1-ySby合金与InxGal-xAs合金相互作用，使得仅一种电流载流子类型(诸如电子或空穴)在被偏置时将积聚足够的动能以进行碰撞电离。
可以经由具有超晶格增益区来使光电二极管(诸如线性模式雪崩光电二极管(LM-APD))不含过量噪声，该超晶格增益区仅允许一种电流载流子类型(诸如电子或空穴)在被偏置时(其中层的不同区被晶格匹配)积聚足够的动能以进行碰撞电离。
可以通过以下来构造光电二极管：i)超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，ii)吸收体区，以及iii)半导体衬底。
使用本文中的这些晶格匹配技术的光电二极管可以用于创建短波红外(SWIR)线性模式雪崩光电二极管(LM-APD)，其具有>2.0μm的截止波长和>250K的操作温度。
本文的多个示例性光电二极管构造可以将线性模式雪崩光电二极管(LM-APD)扩展到2μm波长与>250K的操作温度以外。
A.在第一示例性光电二极管中，第一半导体合金和第二半导体合金可以形成组成倍增区的半导体合金的晶格匹配对。该特定倍增区可以由铟镓砷锑化物(InGaAsSb)和铝镓砷锑化物(AlGaAsSb)构成。组成吸收体区的第三半导体合金是InGaAsSb。半导体衬底由锑化镓(GaSb)组成。两个区都与GaSb衬底晶格匹配。
倍增区可以由具有以下组合物的合金组成：i)In0.09Ga0.91As0.08Sb0.92的第一半导体合金，以及ii)用于倍增区的第二半导体合金由具有组合物Al0.14Ga0.86As0.01Sb0.99的合金组成。在另一个示例中，组成倍增区的半导体合金的晶格匹配对可以具有不同组成，例如In0.17Ga0.83As0.16Sb0.84和Al0.26Ga0.74As0.02Sb0.98。而且，光电二极管的构造可以具有与GaSb晶格匹配的InGaAsSb吸收体区。
倍增区的超晶格与GaSb衬底晶格匹配。应当注意，倍增区的InGaAsSb-AlGaAsSb超晶格特别令人关注，因为其较大的带偏移可以带来更高的增益，而没有过量噪声。
可以用这些构造层制成具有多个光电二极管的检测器以使截止波长在从1.7μm至4.9μm的任何位置变化。
B.组成倍增区的半导体合金的晶格匹配对还可以包括超晶格，其具有为磷化铟镓砷(InGaAsP)和砷化铟铝(InAlAs)的第一半导体合金和第二半导体合金。组成吸收体区的第三半导体合金可以是与磷化铟(InP)衬底晶格匹配的砷化铟镓(InGaAs)和锑化镓砷(GaAsSb)超晶格。
该光电二极管的构造可以用与InP衬底晶格匹配的InGaAs-GaAsSb II型超晶格吸收体区代替其他示例性构造的InGaAs吸收体区。用该吸收体区制成的检测器可以具有至少2.4μm的波长截止波长。InGaAsP-InAlAs超晶格倍增区将与吸收体区匹配。
通常，可以使用以下创建构造光电二极管：i)超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，ii)吸收体区，以及iii)半导体衬底。
匹配超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，以便当光电二极管被电偏置以传导电流时，仅允许选自i)电子或ii)空穴的一种电流载流子类型积聚足够的动能以进行碰撞电离。第三半导体合金可以形成吸收体区。倍增区和吸收体区也与半导体衬底晶格匹配。倍增区和吸收体区可以从半导体衬底开始彼此交替堆叠。
将倍增区、吸收体区和半导体衬底中的合金晶格匹配，以将所构造的光电二极管设置为具有介于1.0μm和4.9μm之间的最小波长截止以及处于一定水平的由暗电流产生的噪声(例如，进行匹配以最小化暗电流的量)，使得光电二极管可以准确地感测具有期望最小波长截止的电磁辐射信号。设置匹配以使由暗电流产生的噪声最小化，使得光电二极管正确地感测电磁辐射信号。
应当注意，暗电流可以是即使没有光子进入光敏器件也流过光敏器件(诸如光电二极管)的相对较小电流。在一个实施例中，将倍增区、吸收体区和半导体衬底中的合金晶格匹配，以将所构造的光电二极管设置为具有等于或低于4.9μm的最小波长截止。在一个实施例中，将倍增区、吸收体区和半导体衬底中的合金晶格匹配，以将所构造的光电二极管设置为具有至少为3.3μm的最小波长截止。
可以经由互补金属氧化物半导体(CMOS)过程来制造包括其i)衬底和ii)半导体层的光电二极管。可以经由CMOS兼容过程来制造光电二极管，该过程使用基本上相同的制造步骤来生长倍增区的铟镓砷锑化物(InGaAsSb)层和吸收体区的InGaAsSb层。与这些半导体匹配的超晶格可以在更高的最大截止波长(诸如1.7μm，3.3μm及更高)下获得吸收。
在一个实施例中，可以通过以下来构造光电二极管：i)具有组合物In0.09Ga0.91As0.08Sb0.92的倍增区，其中超晶格设置在导带中，以及ii)InGaAsSb吸收体区，其具有倍增区和吸收体区的交替堆叠层。倍增区和吸收体区的交替堆叠层在锑化镓(GaSb)衬底上生长。
可以在锑化镓衬底上生长的不同半导体组被构造成向光电二极管给予具有最大截止波长(诸如1.7μm、3.3μm及更高)的能力。锑化镓衬底可以使半导体在该衬底上生长，该半导体吸收处于较高波长的电流载流子。
半导体区中的一者或多者具有超晶格。在一个示例中，倍增区的超晶格结构中的两个半导体由以下构成：铝镓砷锑化物(Al0.14Ga0.86As0.01Sb0.99)的第一半导体合金，以及铟镓砷锑化物(In0.09Ga0.91As0.08Sb0.92)的第二半导体合金，其中超晶格设置在导带中。电子可以是为倍增设置的第一电流载流子。超晶格结构在该示例中可以用作倍增区，并且在其他示例性光电二极管中可以用作吸收体区。
应当注意，吸收体区的组合物可以由相似但是不精确的合金制成。
在一个示例中，吸收体区可以具有与倍增区相同或类似的吸收体区的铟镓层的类似合金。此外，倍增区的另一合金部分是配对半导体以匹配该变化。应当注意，合金中的铟组分发生变化的原因是因为，对于倍增区和吸收性区两者，更容易生长相同层。
示例性构造的光电二极管可以具有截止波长为至少1.6μm的InGaAs吸收体区，和InGaAsP-InAlAs超晶格倍增区，它们均与InP衬底晶格匹配。
对于高分辨率成像应用，光电二极管的以上实施例可以潜在地实现低至15μm的像素间距。
有关使示例线性模式APD适应SWIR带的附加细节
各种方法可以用于低过量噪声LM-APD设计，使得它对大于2.0μm的波长具有强光响应。下面将更详细地讨论两个示例性方法-i)InP上的InGaAs-GaAsSb II型超晶格吸收体，以及ii)GaSb上的InGaAsSb吸收体。两种光电二极管构造都可以满足超过2μm的波长与操作温度>250K的操作温度限制。下面还将进一步讨论第三光电二极管方法，即InP上的InGaAs吸收体，该方法可以用于对介于1.6μm和2.5μm之间的波长敏感的成像器。
包括在InP上使用InGaAs-GaAsSb II型超晶格吸收体区的APD的光电二极管可以在SWIR带中吸收电子和/或空穴。由于InGaAs-GaAsSb II型超晶格吸收体区由各自与InP晶格匹配的层组成，因此它不具有扩展InGaAs的任何失配问题。
在InP衬底上构造的InGaAs-GaAsSb II型超晶格可具有短期内可实现的2.4μm的截止波长和长期内可实现的4.2μm的截止波长。应当注意，在这种情况下，量子效率(QE)随着截止增加而减少。
在具有I型超晶格的GaSb衬底上使用InGaAsSb的光电二极管可具有短期内可实现的2.3μm的截止波长和长期内可实现的4.9μm的截止波长。倍增区超晶格具有较大带偏移以用于较高增益。
匹配
在一个示例中，通过改变两个组成层的厚度来调整InGaAs-GaAsSb超晶格的有效带隙。增加InGaAs层的厚度会降低电子微型带，而增加GaAsSb层的厚度会提高轻重空穴微型带。这些改变中的任一者将减少有效带隙。因为电子集中在InGaAs阱中并且空穴集中在GaAsSb倒阱中，所以当波函数随着层变得更厚而在阱内变得更局限，电子和空穴波函数之间的重叠减少。局限具有减少QE的两个效应。首先，取决于波函数重叠的跃迁概率较低并且导致较低吸收系数。其次，载流子传输较慢，因为载流子从阱到阱的隧穿更加困难—因此，许多光生电子-空穴对在其可以离开吸收区之前将重新结合。每层为5nm的超晶格对此折衷方案做出了合理的妥协，并导致截止波长为2.39μm以及在2.23μm下的QE为43％的光电二极管。可以使用应变补偿的InGaAs-GaAsSb超晶格作为解决这种折衷的方式，但是在长波长下获得高QE的成功性很小。
晶格匹配的InGaAs-GaAsSb超晶格光电二极管的暗电流被匹配以设置为处于低偏置。这是重组生成电流占主导的情况，并且类似于具有类似带隙和处于类似温度的扩展InGaAs光电二极管的情况。尽管晶格匹配的InGaAs-GaAsSb超晶格光电二极管没有扩展InGaAs光电二极管的穿线位错，但它具有较高暗电流，这可能是由于界面处的无意间混合而形成，例如InSb沉淀引起的。应当注意，可通过优化生长条件(包括将前体气体引入生长室的定时)来解决倍增超晶格中的无意AIP形成。
在一个示例中，InGaAs-GaAsSb超晶格吸收体区可以用于SWIR LM-APD。InGaAs-GaAsSb超晶格吸收体区可以使用针对2.4μm的截止和43％的QE的设计，以及通过生长条件进行优化以获得低暗电流的吸收体区超晶格。
GaSb衬底上的InGaAsSb吸收体区
InGaAsSb吸收体区方法采用与GaSb衬底(用于低缺陷密度)晶格匹配的空间直接带隙半导体(用于高吸收系数和高QE)。
与GaSb衬底而不是InP的晶格匹配也将使用新的倍增超晶格。由In0.17Ga0.83As0.16Sb0.84和Al0.26Ga0.74As0.02Sb0.98组成的倍增超晶格仅具有导带偏移。与示例性InGaAsP-InAlAs超晶格的0.399eV相比，倍增超晶格偏移为0.502eV。通过将电子更好地限制在更深阱中，可以获得更高的增益，因为在电子可以逃逸出阱之前，可以向超晶格施加更高的场。
关于InGaAsSb吸收体区的一个问题是，对于某些合金浓度，合金是相分离的。这种合金相分离被称为溶混间隙，并且发生在带隙波长介于约2.3+μm和4.4μm之间的合金中。InGaAsSb吸收体区可以使用2.3-μm合金，其避免了相分离。为了获得在更长截止波长下具有直接跃迁(在k空间和实空间中)的吸收体，光电二极管构造可以取决于波长而使用几种策略：
a.该设计可以改变生长温度和生长速率以获得略长于2.3μm的截止波长。
b.该设计可以在混溶间隙的长波长端生长晶格匹配合金以获得介于4.4μm和4.9μm之间的截止波长。
c.为了获得介于2.3μm和4.9μm之间的截止，设计可以使用吸收层，该吸收层由混溶间隙的任一端上的合金的(I型)超晶格构成。吸收超晶格将由在设计上稳定的两种合金构成，并且它将具有由两种合金的相对厚度确定的有效带隙，其模仿混溶间隙中的任何合金。
综上所述，InGaAsSb合金将具有直接间隙半导体的强吸收特性，并且可以与几乎5-μm截止晶格匹配地生长。倍增超晶格与GaSb晶格匹配。应当注意，该超晶格由于其较大的带偏移而有可能提供更高的增益。
如所讨论的，在高于250K的操作温度下，可以使用多种示例性方法将LM-APD扩展到超过2.0-μm波长。上面讨论的第一示例性光电二极管具有2.4-μm的波长截止，从而与本文讨论的其他LM-APD结构相比，仅需要一些设计改变。对于实现更长截止，它具有有限的选择，并且它的暗电流到目前为止对于晶格匹配的吸收体区处于较高水平。上面讨论的第一示例性光电二极管使用新倍增区超晶格而具有2.3-μm的波长截止，该新倍增区超晶格潜在地提供更高的无过量噪声增益。第二示例性光电二极管方法的截止波长可以扩展到更长的波长(4.9μm)，而不会牺牲QE。
应当注意，对于我们的LM-APD，也可以达到低至15μm的像素间距。LM-APD对偏置和温度的较低敏感性(与Geiger模式APD相比)对于在大型阵列中实现高产量也很重要。
生长方法
可以生长光电二极管以避免高穿线位错密度并且因此避免非常高的暗电流。这些生长方法都需要一系列缓冲层，这些缓冲层逐渐将衬底晶格参数从例如InP的衬底晶格参数变为扩展InGaAs合金的衬底晶格参数；这样防止大多数穿线位错进入扩展InGaAs层。这些缓冲层的厚度总计可以为5-10μm。当正确生长时，缓冲层极大地减小穿过扩展InGaAs的位错密度，但未完全消除它们。
在将扩展波长InGaAs与超晶格增益区配合之前，设计需要考虑超晶格将是高于还是低于吸收体区。如果InGaAs在上方，则扩展InGaAs中的穿线位错也将穿过超晶格，在该处它们很可能是过早击穿的成核中心。如果超晶格在下方，则光生载流子将必须穿过厚缓冲层，在该处集中了由于晶格失配而引起的许多位错。取决于细节，(1)这些位错可以是产生大暗电流的生成中心，(2)它们可以捕获和消灭光生电子和空穴并阻止其检测，或者(3)它们可以捕获一种类型的光生载流子并且在以后重新发射它们以提供较慢的响应时间和记忆效应。
图11A-图11B示出了经由以下方式来构造无过量噪声的光电二极管的实施例的流程图：具有超晶格以及晶格匹配以具有介于1.0μm和4.9μm之间的最小波长截止以及处于一定水平的由暗电流产生的噪声，使得光电二极管可以准确地感测具有期望最小波长截止的电磁辐射信号。可以执行构造光电二极管的方法1100。示例性步骤可以不按顺序进行，并且不必使用所有步骤或仅限于这些步骤。
在步骤1102中，可以通过超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对、吸收体区以及半导体衬底来创建构造光电二极管。
在步骤1104中，超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，当光电二极管被电偏置以传导电流时，该超晶格倍增区仅允许选自i)电子或ii)空穴的一种电流载流子类型积聚足够的动能以进行碰撞电离。第三半导体合金可以形成吸收体区。倍增区和吸收体区与半导体衬底晶格匹配，其中倍增区和吸收体区从半导体衬底开始彼此交替堆叠。
在步骤1106中，将倍增区、吸收体区和半导体衬底中的合金匹配，以将所构造的光电二极管设置为具有介于1.0μm和4.9μm之间的最小波长截止以及操作温度，其中由暗电流产生的噪声处于一定水平(进行匹配以使暗电流的量最小化)，使得光电二极管可以准确地感测具有期望最小波长截止的电磁辐射信号。光电二极管可以是具有等于或大于3.3μm的波长截止的线性模式雪崩光电二极管。这些合金配置可以具有在所有较低波长下将均响应的操作范围。
在步骤1108中，可以经由互补金属氧化物半导体(CMOS)过程来制造包括其i)衬底和ii)半导体层的光电二极管，该过程使用基本上相同的制造步骤来生长倍增区的InGaAsSb层和吸收体区的InGaAsSb层两者。
在步骤1110中，倍增区中的第一半导体合金可以由InGaAsSb组成，其中超晶格设置在导带中，使得电子碰撞电离，以及吸收体区中的第三半导体合金可以由InGaAsSb组成，并且半导体衬底由GaSb组成。应当注意，组成倍增区的第一半导体合金可以由具有组合物In0.09Ga0.91As0.08Sb0.92的合金组成，并且组成吸收体区的第三半导体合金是InGaAsSb的类似合金，但不具有与倍增区相同的组合物。
在步骤1112中，如所讨论的，将第一半导体合金与AlGaAsSb的第二半导体合金配对以组成倍增区。第一半导体合金和第二半导体合金可以形成组成InGaAsSb和AlGaAsSb的倍增区的半导体合金的晶格匹配对。用于倍增区的第二半导体合金可以由具有组合物Al0.14Ga0.86As0.01Sb0.99的合金组成。
在步骤1114中，组成倍增区的半导体合金的晶格匹配对可以是In0.17Ga0.83As0.16Sb0.84和Al0.26Ga0.74As0.02Sb0.98。组成吸收体层的第三半导体是InGaAsSb，并且两个区都与GaSb衬底晶格匹配。该构造可以实现2.3μm的示例性截止波长。
在步骤1116中，组成吸收体区的半导体合金可以是与InP衬底晶格匹配的InGaAs-GaAsSb超晶格。组成倍增区的半导体合金的晶格匹配对可以是InGaAsP-InAlAs超晶格。
下面讨论第一组示例性光电二极管构造和技术。
可以在系统中使用具有匹配超晶格结构的多个线性模式雪崩光电二极管的阵列。每个线性模式雪崩光电二极管感测光并通过以下方式输出电流：被配置为生成等于或大于1000倍放大的增益，同时由于来自放大的增益而引起的生成的过量噪声因子小于在处于或高于非低温温度时存在的热噪声的3倍。线性模式雪崩光电二极管通过使用超晶格结构来检测光中的一个或多个光子，该超晶格结构被匹配以抑制线性模式雪崩光电二极管中的第一载流子的碰撞电离，而对于第二载流子进行以下中的至少一者：1)增加碰撞电离；2)基本上保持碰撞电离；以及3)较小程度抑制碰撞电离。其碰撞电离被抑制的第一载流子是i)电子或ii)空穴；并且然后，第二载流子分别是电子或空穴。电源用于为多个线性模式雪崩光电二极管供电。
图1和图5示出了线性模式APD 100、500，其具有盖层、吸收层、超晶格倍增区中的匹配超晶格结构以及集电极层。电压控制器向线性模式APD100、500施加反向偏置。线性模式APD 100、500感测光并通过以下方式输出电流：被配置为生成等于或大于1000倍放大的潜在指数增益，同时由于来自放大的增益而引起的生成的过量噪声因子小于在处于或高于非低温温度时存在的热噪声的3倍。匹配超晶格结构以抑制线性模式APD 100、500中的第一载流子的碰撞电离，而针对另一载流子保持碰撞电离。其碰撞电离被抑制的第一载流子是i)电子或ii)空穴；并且然后，保持其碰撞电离的另一载流子是电子或空穴。当载流子为空穴时(见图1)，我们通过在价带中创建超晶格来抑制载流子的碰撞电离，并且当载流子为电子时(见图5)，通过导带中的超晶格来抑制载流子的碰撞电离。非低温温度可能会高于例如负50℃。
因此，具有匹配超晶格结构的线性模式APD 100、500在超晶格倍增区中被配置为i)当第一载流子是空穴时，通过在价带中实现超晶格，并且ii)当第一载流子是电子时，通过在导带中实现超晶格来抑制第一载流子的碰撞电离。通过使用匹配超晶格，只有其动能(KE)大于带隙能量(Eg)的另一载流子才能引发碰撞电离的增益；以及防止第一载流子(电子或空穴)在电场下积聚足够的大动能以进行碰撞电离。
针对施加到超晶格结构的固定或可变电场，在超晶格结构与电压控制器之间存在合作关系。形成匹配超晶格结构的两种或更多种材料的层的周期性结构被设计为当超晶格被电压控制器偏置时，在其阱的每个中具有至少一个量子态，以便具有仅可以在阱半导体或势垒半导体的厚层中维持碰撞电离的电场。用于匹配超晶格结构的材料的周期性集合还被设计为在施加偏置下时具有相邻阱的量子态的波函数的大空间重叠，使得第一载流子通过从第一阱跳到第二阱来穿越超晶格并且实质上损失了施加偏置所供应的能量，最终小于进行碰撞电离以为从阱到阱的每一跳形成新电子-空穴对所需的动能。来自电压控制器的一定范围的偏置将有助于实现这些目标。
大空间重叠促进了载流子在特定阱的局部状态下迅速衰减为相邻状态的较低能量局部状态。此过程被称为跳跃。能量差因声子的发射而损失。载流子通过从一个阱跳跃到下一个阱遍历超晶格，并在每一步都因声子而损失了由施加偏置供应的能量。
倍增区中的匹配超晶格结构可以经由匹配材料仅在一个带中给出带不连续性(无噪声的增益)，该匹配材料可以具有纳米厚度层的100个周期性集合以允许精确地对带能量结构整形。在倍增区中形成匹配超晶格结构的材料周期性地重复。
具有匹配超晶格结构的线性模式APD 100、500被匹配以通过使用在衬底上生长的两种或更多种材料的层的周期性结构来仅针对超晶格倍增区中的第一载流子抑制碰撞电离，该材料可以选自半导体的晶格匹配对以形成超晶格结构。晶格匹配对的带偏移被设置为i)至少主要处于与其中要抑制碰撞电离的抑制的载流子相对应的带中，以及ii)直到完全处于与其中要抑制碰撞电离的抑制的载流子相对应的带中。形成超晶格结构的周期的半导体的晶格匹配对由第一半导体材料和第二半导体材料的至少一对交替层构成。超晶格由多个周期的重复构成，其中周期的每一层的对应厚度相同。第一半导体的所有层均具有基本上相同的厚度而不进行掺杂。第二半导体的所有层均具有基本相同的厚度而不进行掺杂。然而，第一半导体的层的厚度可以与第二半导体的层的厚度不同。
应当注意，另一个带中的未被抑制的载流子将不会在低能量下处于超晶格中，因此其传输将像在体半导体中一样定性地进行。另一个带中的未被抑制的载流子将进行碰撞电离以提供线性模式APD所需的增益。通过抑制在第一载流子的相对带中发生的碰撞电离，将消除过量噪声。
具有匹配超晶格的线性模式APD 100、500可以在光检测的广泛范围内操作，该范围包括跨UV、可见光和短波IR(～2500nm)光波。
在一个实施例中，线性模式APD 100、500可以在室温附近以高量子效率检测单个光子。然而，先前光电检测器没有匹配超晶格，它们生成的噪声可以淹没来自光子的检测信号。具有匹配超晶格的线性模式APD 100、500可以检测单个光子，而不会在检测到单个光子后造成具有死区时间的损失，在死区时间中线性模式雪崩光电二极管直到设定时间段后才能检测到另一个光子。因此，在检测事件(＝“实时”数据采集)后没有像素“死区时间”。具有匹配超晶格的线性模式雪崩光电二极管将光电流倍增至高于电子器件的噪声等效的输入电流，这样会将单个光子的信号放大到可测量的电压，而在倍增过程中添加很少的噪声。
具有匹配超晶格的APD 100、500表现得像线性放大器一样，因此与Geiger模式APD相比，具有匹配超晶格的线性模式APD 100、500可以解决多个光子的几乎同时的到达，并且其在检测到光子后没有死区时间。APD 100、500可以提供室温、基于InP的线性模式APD，其具有104个电子/光子的增益、低过量噪声和高量子效率，这将实现检测器灵敏度的最终目标。具有匹配超晶格的线性模式APD 100、500可以在例如室温或更高温度下同时实现单光子灵敏度，而无死区时间以及具有最小过量噪声。
接下来，通常，一般的APD具有大内部增益M，这可能会极大地倍增光电流。然而，其性能令人失望，因为由倍增过程添加的噪声(称为过量噪声)即使在M≈_50的适度值下也压倒了放大信号。过量噪声的起源是电子引发的碰撞电离和空穴引发的碰撞电离的同时存在。它们共同创建正反馈回路，该回路放大碰撞电离过程中的细微波动。用于表征APD的两个参数是电子引发的碰撞电离系数α_和空穴引发的碰撞电离系数β。当α_或β_为零(单极性增益)时，对于M的所有值，过量噪声因子F≤_2，但是对于双极性增益的大M，F与M成比例(见图3)。
图3示出了针对电子注入的作为平均增益M和β/α比的函数的过量噪声因子F的理论值的曲线图300。0.03的β/α曲线是室温下的APD的当前最佳值。β/α曲线表明，针对M>50，F随着M的增加而增长。匹配超晶格可以具有β/α_<<10-4。
具有匹配超晶格的线性模式APD具有单极性增益并且类似于光电倍增管(PMT)起作用，但在该器件占据的区域以及与该半导体器件相关联的坚固性方面具有巨大的系统优势。通过在检测器内提供高增益和低噪声，单极性增益APD可以线性模式进行光子计数-其输出可以耦合到市售电子放大器以给出一个波形，在该波形中单个光子的到达可在噪声之上检测到并且可以区分多个光子的同时到达。
如果没有能够为线性模式光子计数提供足够低过量噪声增益的室温APD技术，则替代方案是以Geiger模式进行光子计数。在这种模式下，APD在其击穿电压以上偏置到亚稳状态，在这种状态下，没有电流流动，直到单个光子到达或由暗电流触发它。一旦被触发，APD电流迅速增长到可以容易检测的值。尽管Geiger模式APD能够进行单光子检测，但它具有两个严重缺点：(1)在它被触发后它具有的死区时间约为(～)100纳秒以及更长，并且在此期间它没有光响应；以及(2)在脉冲后—它具有在雪崩期间由俘获状态捕获的载流子的重新发射，该重新发射在被触发后的许多微秒内给出更高暗计数率。对于诸如LIDAR的应用(其中信号光子的到达会及时聚集)，这些中的第一种提高假阴性率并且第二种提高假阳性率。
接下来，图1和图5示出了具有匹配超晶格结构的线性模式APD 100、500，其中通过在电子和空穴传输之间创建巨大的不对称性，基本上消除了过量噪声。超晶格结构具有一组材料，这些材料使用不具有任何特殊碰撞电离特性的成分进行期望的单极性碰撞电离；并且因此超晶格结构可以跨越材料系统潜在地用于APD 100、500，其共同用于检测宽波长范围。增益区由两种或更多种晶格匹配半导体合金组成。匹配的两种或更多种晶格匹配半导体合金具有其整个带偏移仅在价带或导带中的特性。带偏移仅在价带或导带中，参见图1和图5。
图2a示出了在偏置下随距离累积动能的情况下，体半导体的价带中的空穴的曲线图的实施例。图2b示出了针对Wannier-Stark阶梯中的状态的跳跃通过偏置超晶格中的阱和能级的价带中的空穴的曲线图的实施例。图1、图2a和图2b示出了仅在超晶格处于价带中的情况下的来自电子倍增的增益。类似地，图5、图6a、图6b和图7示出了仅在超晶格处于导带而不是价带中的情况下的来自空穴倍增的增益。
APD中的碰撞电离
图4示出了半导体的带曲线图400，其中垂直绘制能量并且水平绘制距离，以及进行碰撞电离以形成新电子-空穴对所需的动能量。自由电子驻留在导带中，并且自由空穴驻留在价带中。导带和价带由宽度Eg的带隙分离，在带隙中没有允许的电子状态或空穴状态。在施加电场的情况下，带与场幅度成比例地倾斜，如图4所示。左上方的电子在其被施加场加速时向右行进。电子的瞬时位置和导带之间的垂直距离是电子的瞬时动能。一旦电子的动能超过带隙能量，它就有足够的能量以通过碰撞电离产生电子-空穴对。当电子确实进行碰撞电离时，大部分动能会产生电子-空穴对并导致具有很小动能的两个电子和一个空穴。电子引发的碰撞电离的特征在于系数a，即每厘米电子引发的碰撞电离的平均数(见图1)。
在价带中可以发生类似的事件链，其中空穴加速以创建电子-空穴对。在这种情况下，在空穴引发的碰撞电离后有两个空穴和一个电子(见图5)。该过程的特征在于空穴引发的碰撞电离系数β。
图1示出了覆盖在超晶格倍增区上的两个带的曲线图。电子和空穴都被电场加速，因此两者都将通过碰撞电离引发新的电子-空穴对的产生。将在下一节中讨论一般情况，但可以容易理解β＝0的情况。单个电子进行碰撞电离，从而产生两个电子和一个空穴。在碰撞电离后，两个电子各自加速并留下四个电子。四个电子变成八个，依此类推，因此电子的数量随着距离z呈指数增长为eαz。由于每次创建电子时创建空穴，因此空穴的数量也呈指数增长。由于当β＝0时这些空穴不进行碰撞电离，因此它们不会增加电子的数量。因此，当β＝0时，半导体提供指数增益eαz，唯一的噪声是电子在碰撞电离之前行进的距离变化引起的。类似地，α＝0给出指数增益eβz。
APD中的过量噪声
在一些先前的技术中，对于大多数半导体，α和β的值非常相似，因此不保持简单的指数增益情况。考虑将光生电子从吸收层注入z＝0处的偏置半导体层并在z＝z0处引发第一碰撞电离的情况。
通过碰撞电离生成第二电子和空穴。具有与电子相反电荷的空穴在与电子相反的方向上漂移并且将进行碰撞电离以在z＝0和z＝z0之间某处的z＝z1处创建新电子-空穴对(如果它没有首先到达半导体层的端部)。由于空穴随晶体缺陷或声子而散射的位置和时间的随机性，因此空穴在其进行碰撞电离之前漂移的距离存在某个随机变化。通过确定空穴是否在刚好到达端部之前碰撞电离，这些变化可以在层的端部附近产生很大差异。在z＝z1处的新生成的电子将朝向z＝z0漂移，可能在途中进行碰撞电离以创建更多的电子-空穴对。即使不考虑从第一次碰撞电离出现的两个电子随后将生成的电子-空穴对，应当清楚的是，在z＝z0处进行碰撞电离的单个初始光电子生成穿过z＝z0的后续电子。然而，无法区分穿过z＝z0的第二电子是由如上所述的碰撞电离序列生成的初始光电子的副产物还是注入层中的第二光电子。第一情况中的信号是由于仅初始电子的注入，并且第二情况中的信号是由于在略微不同的时间的两个电子的注入。由于碰撞电离掩盖了这些可能的输入之间的差异，因此过程将噪声添加到信号中。这种噪声称为过量噪声。已经对APD中的过量噪声进行了充分研究。
图3示出了针对将电子注入到增益区中的作为β/α和平均APD增益M的函数的过量噪声因子F。β/α＝0曲线给出了针对所有M的最低F并且它是我们上面描述的β＝0的情况。F的值为2而不是针对理想情况预期的值为1的结果是由于在计算中假设碰撞电离为Poisson过程。随着β/α的增加，在低M处，过量噪声因子保持在F＝2，而在高M处，过量噪声因子增加。仔细检查曲线得出这样的规则：为了在F＝3时实现增益M要求α/β≈M。实现足以在一些条件下检测到单个光子的104的增益，具有很少过量噪声，需要具有β/α＝10-4的半导体。到目前为止，尚不知道具有如此大的α和β之间的差异的单组分半导体，因此需要具有合金的工程材料来实现这种差异并实现仅针对第一种载流子类型(电子或空穴)引发的增益。
在图3中，随着F变大，则M变大，除非alpha/beta或beta/alpha变得非常小。当前设计是如何制作非常小的alpha/beta或beta/alpha并且从而针对大M获得小F。
同时具有α≠0和β≠0的另一个结果是雪崩击穿。当电子或空穴的数量对于有限电压和有限大小的倍增区变得任意地大时，就会发生击穿。如前面所讨论，对于α＝0或β＝0，电子和空穴的数量随z呈指数增长。该数量尽管增长迅速，但对于有限电压(意味着α和β保持有限)和有限大小(意味着z保持有限)保持有限。
然而，当α≠0和β≠0时，情况会改变。假设将单个电子注入到在z＝0处的倍增区中并且单个电子在z＝z1处引发碰撞电离。在此碰撞电离中创建的空穴在-z方向上漂移并且可以在到达z＝0处的倍增区的端部之前进行碰撞电离。当它这样做时，它将在0与z1之间某处的z处创建电子。这恰好是以后重复的初始情况。在击穿阈值处，诸如此类的回路变为自维持，使得单个注入电子产生无限数量的后续电子。在该简化图片中，我们仅考虑了由每个载流子引发的第一碰撞电离，载流子的积累随时间呈指数进行。考虑所有碰撞电离的更现实的图片将给出随时间推移的更快增加。
如所讨论的，线性模式雪崩光电二极管感测光子并通过以下方式输出电流：被配置为生成等于或大于1000倍(103)放大的增益，同时由于来自放大的增益而引起的生成的过量噪声小于在处于或高于非低温温度时存在(β/α<＝0.1)的热噪声的3倍。(参见图3的右下部分中的操作的阴影区域)在一个实施例中，最小可用增益可以跨越等于或大于200倍的放大，同时生成的过量噪声小于存在的热噪声的三倍。
在一个实施例中，具有匹配超晶格结构以使得仅在i)导带或ii)价带中发生放大的线性模式雪崩光电二极管被配置为生成等于或大于10,000倍(104)的放大的增益，同时由于来自放大的增益而引起的生成的过量噪声小于在处于或高于室温时存在的热噪声的三倍(β/α<＝0.1)。具有带10,000倍放大的增益的匹配超晶格结构的线性模式雪崩光电二极管能够检测单个光子，而不会在检测到单个光子后造成具有死区时间的损失，在死区时间中线性模式雪崩光电二极管直到设定时间段后才能检测到另一个光子。(因此，在检测事件(＝“实时”数据采集)后没有像素“死区时间”)。对于死区时间，在检测到每个光子之后由APD捕获的波形将会有时间间隙，在该时间间隙内无法检测到后续光子。
图2a和图2b示出了在偏置体半导体和偏置超晶格中的空穴传输的比较。参照图2a中的曲线图200，在体半导体中，电场以扩展状态将空穴加速到左侧。空穴的动能随其加速而增加，直到其具有足够的能量以进行碰撞电离为止。参见图2b中的曲线图250，偏置超晶格中的允许状态为Wannier-Stark状态，其主要位于一个阱中，但向左延伸到几个阱。阱A的基态也是阱B的第一激发态。处于这种扩展状态的空穴可以通过发出声子或光子而放松为阱B的基态。这样，空穴可以在保持处于局部基态并且永远没有足够的能量来进行碰撞电离时向左传输。
如图1、图2b、图5、图6b和图7所示，例如，两种匹配合金的超晶格在一个带中将具有阱和势垒，而在另一带中则没有，因此在两个带中的载流子传输将是非常不同的。在具有偏移的带中进行传输将通过从位于一个阱的状态跳跃到位于相邻阱的状态进行(也称为声子辅助隧穿)。通过施加电场赋予给载流子的能量通过声子或通过中波或长波红外光子消散，使得载流子不会积聚足够动能以至进行碰撞电离。因此，超晶格具有β＝0。
没有偏移的带中的载流子不具有跳跃所需的局部状态。因此，与处于偏置下的普通半导体一样，它处于扩展状态，其中它在电场中漂移时会积聚动能，并且当其动能超过带隙能量时，它就会进行碰撞电离(参见图1、图4和图5)。匹配线性模式APD结构在电子和空穴进行碰撞电离的能力之间具有很大的不对称性，并且可以在室温下为APD 100、500提供高增益(>104)和低过量噪声(F<2)。
根据以上讨论，当α＝0或β＝0时，可以发生没有过量噪声的指数增益。为此，应当注意碰撞电离只能由动能大于带隙能量的载流子引发。匹配超晶格结构防止电子或空穴在足够大以至于相反的载流子可以积聚动能以进行碰撞电离的电场下积聚足够的动能。因此，通过使用匹配超晶格，只有其动能大于带隙能量的载流子才能引发来自碰撞电离的增益，其中超晶格结构导致防止电子或空穴在足够大以至于相反的载流子可以积聚为了进行碰撞电离所需的动能的电场下积聚足够的动能。
匹配线性模式APD 100、500通过抑制第一载流子的碰撞电离，同时保持另一个载流子的碰撞电离，消除了过量噪声。尝试制作具有大或小α/β的线性模式APD是基于增强第一载流子的碰撞电离，同时保持另一载流子的碰撞电离。对于第一载流子的碰撞电离率的给定分数变化，将其用于抑制会产生更大的α/β变化。例如，将载流子的碰撞电离率提高50％会使α/β增加到3/2，而将碰撞电离率降低50％会使β/α增加到2倍。
类似于图2a和图2b中的空穴讨论，图6a示出了具有施加电场的体半导体中的电子的曲线图600的实施例，该电子被场加速并积聚动能。图6b示出了匹配超晶格通过控制局部的Wannier Stark状态来抑制碰撞电离的曲线图650的实施例。超晶格可以是两种或更多种材料的层的周期性结构。通常，材料层的厚度可以纳米指示。借助适当的带偏移和层厚度，在电偏置下的超晶格形成大部分局限于单个阱的Wannier-Stark状态。这些状态的能级由虚线表示并且其波函数由填充的阴影曲线表示。在高于势垒能量的能量下，存在电子可以在场中加速的扩展状态的连续体。必须防止电子占据连续体。通过适当设计超晶格，Wannier-Stark状态和连续体被许多kT的能量分离。因此，处于Wannier-Stark状态的电子不太可能被热激发到连续体中，在那里它们可以被电场加速。
应当注意，对于在阱0中处于Wannier-Stark状态的电子，阱1中的状态处于较低能量并且因此更有利。电子可以通过发射声子或光子来节省能量，从而从阱0转变到阱1；此过程被称为跳跃。跳跃的可能性与阱0波函数和阱1波函数的重叠成比例。较薄阱和势垒以及势垒和阱导带电平之间的较小差异导致较大的重叠，但可以将局部状态转换回我们试图消除的扩展状态。从阱0状态到阱1状态的电子跳跃完成了两个有用的功能。从阱0状态到阱1状态的电子跳跃将电子在z方向上移动一个超晶格周期“a”并且其从电子中移除qEa的能量，其中q是电子电荷并且E是施加的电场。这恰好是场在体半导体中的距离“a”上赋予电荷q的动能。超晶格中的电子在场中已经移动距离a而没有改变其动能。一旦电子处于阱1中，电子就可以跳到阱2，并且然后跳到阱3，依此类推，而无需获取进行碰撞电离所需的动能。
通过以下这些设计目标确定阱和势垒层的厚度：在给出期望载流子倍增所需的施加电场下形成Wannier-Stark状态，Wannier-Stark状态的能级在阱中足够低以至于载流子不会被热激发到连续体中，并且相邻阱中的状态具有很大的重叠，因此跳跃可以很快。
以上讨论通过导带中的超晶格抑制了电子引发的碰撞电离；并且因此，通过价带中的超晶格可以类似的方式抑制空穴引发的碰撞电离(参见图2b和图1)。但应当注意，通过超晶格抑制一个带中的碰撞电离是用于消除APD中的过量噪声的解决方案的一半。挑选任何两种半导体，其中一种用于阱并且一种用于势垒，如果没有特别考虑，很可能将会导致价带和导带两者中的超晶格。通过设计，一个带中的碰撞电离将被抑制，但另一带中的碰撞电离也可能被抑制或至少被减小。因此，选择带偏移全部位于其中要抑制碰撞电离的带中的一对半导体将是有利的。
另一个带将没有偏移并且其行为将近似于体半导体。然而，有两个主要区别。首先，两种材料的碰撞电离系数可能将会不同。其有效碰撞电离系数将介于各个体半导体的系数之间某处。其次，载流子有效质量可能将会不同。有效质量超晶格在倒晶格空间中的Γ点附近将没有载流子的阱和势垒。
其中半导体对带偏移完全处于被抑制的带中的超晶格中的未被抑制带对于两层将仍然具有不同的有效质量。因此，它形成有效质量超晶格，其中对于具有很少动能的载流子不存在阱(在倒晶格空间中的伽马点附近)，但其中随着载流子获得动能而逐渐形成阱。取决于形成超晶格的材料的细节，导带阱可以与价带阱位于同一层(I型对齐)或可以位于相对层(II型对齐)中。在APD的最坏情况下，有效质量超晶格的出现可以开始抑制未被抑制带中的载流子。可以通过选择带偏移来改善此效果，使得针对具有一些中间动能的载流子，有效质量超晶格消失。
接下来，再次，图1示出了覆盖在超晶格倍增区上的两个带的曲线图。超晶格被设置为完全在Ev价带中(因此，倍增电子而不倍增空穴)。因此，Ec导带实质上是向下倾斜的直线。图1示出了所提出的APD 100在反向偏置下的外延结构和能量带图。光子(红色波浪箭头)在p-InGaAs吸收层中被吸收，从而创建了电子(黑圈)-空穴(白圈)对。空穴扩散到p-InP盖层，并且电子扩散到倍增。电子被电场加速，直到它积聚足够的动能以碰撞电离成第二电子-空穴对。然后每个电子加速，直到其创建另一个电子-空穴对。因为碰撞电离生成的空穴在它们跳越通过价带超晶格时失去动能，所以它们无法进行碰撞电离。因此，在α_和β_中创建了极大的不对称性。
可能看起来不像单侧带对齐，有几对被晶格匹配到III-V(其中III和V分别指周期表的IIIB和VB列)半导体衬底InP或GaSb。有希望的一对是InP和In0.53Al0.30Ga0.17As，其中两种合金均按常规生长。合金由III族组分的53％In、30％Al、17％Ga和V族组分的完全As构成。图1示出了围绕InP-InAlGaAs倍增层构建的APD 100，其用于通过碰撞电离实现电子倍增而没有空穴的同时倍增。InGaAs吸收层中的以高量子效率光生成的电子被注入倍增层中。这些电子在其穿越通过倍增区时进行碰撞电离。二次电子也可以进行碰撞电离，但是二次空穴无法碰撞电离，因为当它们从一个量子阱跳到另一个量子阱时，它们失去其动能。在没有空穴的同时倍增的情况下，通过碰撞电离进行的电子倍增导致具有低过量噪声的每个原始光电子的指数增长。
对其中带偏移完全位于价带或导带中的半导体的匹配对进行了艰苦的系统搜索。该半导体器件的约束可能是具有最先进性能的器件中的所有半导体层都需要具有类型和尺寸与衬底相同的晶体结构。该约束称为晶格匹配。没有晶格匹配，源自层之间界面处的晶体缺陷降低性能。因此，我们对需要针对每个感兴趣的衬底分别执行的适当对进行搜索。对于近红外和短波红外(波长约0.8-3μm)中的线性模式APD，最感兴趣的衬底是InP和GaSb。
对于这两个衬底，InP和GaSb，我们估计了当前外延生长技术将能够生长的所有晶格匹配合金的导带能量和价带能量。对于具有相等导带能量或价带能量的对，我们倾向于远离具有由四个以上元素构成的合金的那些(因为将难以控制化学计量)，具有包括间接带隙的合金的那些，以及具有已知相分离的合金的那些。
搜索产生了这样的情况，其中合金A1(x1)取决于参数x1，该参数表征了合金在x1范围内的组合物将具有与在x2范围内的第二合金A2(x2)相同的导带能量或价带能量。我们发现在与x2范围同步的x1范围内满足了相等的导带或价带条件。在这样的范围内，该范围的端点是最感兴趣的，因为不相等带的带偏移在此最大化。
下面给出特定合金对。在导带或价带能量可以在一定范围内相同的情况下，我们给出针对该范围的不相等带具有最大带偏移的对。
我们已经发现对于线性模式APD设计有用的半导体对，其具有正确的特性并且可实用地进行该对的外延生长。
InP衬底
超晶格结构在超晶格倍增区中具有半导体的晶格匹配对，并且晶格匹配对也与InP衬底匹配，其中晶格匹配对选自由以下构成的组：
超晶格结构中的两个半导体，其具有第一半导体合金InP和第二半导体合金In0.53Al0.30Ga0.17As，其中超晶格设置在价带中，其中空穴是第一载流子；
超晶格结构中的两个半导体，其具有第一半导体合金InP和第二半导体合金In0.19Ga0.81As0.69Sb0.31，其中超晶格设置在价带中，其中空穴是第一载流子；
超晶格结构中的两个半导体，其具有第一半导体合金InP和第二半导体合金GaAs0.12Sb0.61P0.27，其中超晶格设置在价带中，其中空穴是第一载流子；
超晶格结构中的两个半导体，其具有第一半导体合金In0.81Ga0.19As0.42P0.58和第二半导体合金In0.37Ga0.63As0.85Sb0.15，其中超晶格设置在价带中，其中空穴是第一载流子；
超晶格结构中的两个半导体，其具有第一半导体合金In0.94Ga0.07As0.12P0.88和第二半导体合金GaSb0.65P0.35，其中超晶格设置在价带中，其中空穴是第一载流子；或者
超晶格结构中的两个半导体，其具有第一半导体合金In0.52Al0.48As和第二半导体合金In0.79Ga0.21As0.46P0.54，其中超晶格设置在导带中，其中电子是第一载流子。
GaSb衬底
超晶格结构在超晶格倍增区中具有半导体的晶格匹配对，并且晶格匹配对也与GaSb衬底匹配，其中晶格匹配对选自由以下构成的组：
超晶格结构中的两个半导体，其具有第一半导体合金GaSb和第二半导体合金In0.57Al0.43As0.55Sb0.45，其中超晶格设置在价带中，其中空穴是第一载流子；
超晶格结构中的两个半导体，其具有第一半导体合金Al0.14Ga0.86As0.01Sb0.99和第二半导体合金In0.09Ga0.91As0.08Sb0.92，其中超晶格设置在导带中，其中电子是第一载流子；
超晶格结构中的两个半导体，其具有第一半导体合金Al0.44Ga0.56As0.04Sb0.96和第二半导体合金In0.28Ga0.72As0.26Sb0.74，其中超晶格设置在导带中，其中电子是第一载流子；或者
超晶格结构中的两个半导体，其具有第一半导体合金In0.40Al0.60As0.42Sb0.58和第二半导体合金In0.79Ga0.21As0.72Sb0.28，其中超晶格设置在导带中，其中电子是第一载流子。
这些组合物是近似的，因为合金的特性是基于许多实验室以变化的不确定性进行的测量。
认识到由于两种合金在界面处的无意混合而可能难以生长，我们考虑了在不会不利地影响器件的物理原理的情况下放松对结构的约束的方法。
我们使用的原理是，不必在一个带中完全消除偏移。偏移仅必须足够小，使得针对设计层厚度，在该带中没有约束状态小于远离连续体的kBT，其中kB是玻尔兹曼常数并且T是预期的操作温度。在价带的情况下，仅考虑重空穴状态就足够了，因为消除重空穴约束状态会自动消除轻空穴约束状态。
1.在阱和势垒之间包括间隔层
为了明确起见，作为示例，我们讨论了由In0.52Al0.48As势垒和In0.79Ga0.21As0.46P0.54阱组成的示例性合金层。粗糙表面形态和低光致发光可能是在InGaAsP-InAlAs超晶格的界面处意外形成AIP的结果。插入在阱和势垒层之间的InGaAs(P)的晶格匹配间隔层(其包含的P少于阱层中的54％)将通过使含Al层与含P层(其P含量低于阱)相邻来减少AIP的形成。如果间隔物的价带偏移足够小且足够薄以至于任何约束的空穴，则间隔物对价带几乎没有影响。与InP晶格匹配的In0.53Ga0.47As间隔物显然是用于防止AIP形成的最佳间隔物，但在形成价带阱方面最差。
因为生长限定了朝向超晶格的方向，所以在InAlAs势垒层生长之后立即放置间隔物并不等同于在InGaAsP阱层之后立即放置间隔物。从3.5nm的InGaAsP阱和1.5nm的InAlAs势垒的基线超晶格开始，我们建模了三个经修改的超晶格周期(列出的最后一层是先生长的)(a)InGaAs(P)-InGaAsP-InAlAs，(b)InGaAsP-InGaAs(P)-InAlAs和(c)InGaAs(P)-InGaAsP-InGaAs(P)-InAlAs。我们将InAlAs势垒层恒定保持为1.5nm的原始厚度，并且将其他层的厚度的总和保持为3.5nm的原始阱厚度。对于情况(a)和(b)，间隔物为1.5nm厚，并且对于情况(c)，每个间隔物为0.5nm厚。针对0％、13％、27％或40％的P含量对InGaAs(P)间隔层进行建模，其中调整该层的其他组分以保持与InP的晶格匹配。建模指示，间隔层对于情况(a)需要至少13％的P来防止空穴的量子约束，对于情况(b)至少需要27％的P，并且对于情况(c)至少需要40％的P。具有大于40％的P的间隔层防止AIP形成的有效性以及生长0.5nm层的能力值得怀疑，因此情况(a)和(b)将成为减小界面处混合的有希望候选。由于针对此示例，只有一半的界面将具有间隔物，因此如果混合主要发生在InGaAsP上的InAlAs或InAlAs上的InGaAsP的界面中，则混合效果最佳。
2.全砷化物超晶格结构
超晶格的生长更加困难，因为从一层到下一层必须改变更多的原子分数。阱和势垒均为纯磷化物、纯砷化物或纯锑化物的超晶格比上面列出的十种中的任何一种都更易于生长。
作为这点的示例，我们考虑了生长具有放松性质的全砷化物晶格匹配超晶格的可能性，阱在一个带中具有局部量子状态，而在另一带中则没有。InGaAlAs阱和InAlAs势垒似乎没有希望，因为电子和重空穴都被限于可实际生长的层厚度。但是，针对每个周期具有耦合阱的超晶格似乎是一种将电子和重空穴限制解耦的方法：电场将电子推至例如右侧耦合阱，而电场将重空穴推至左侧耦合阱。使用耦合阱，右阱参数将对电子产生更大的影响并且左阱参数将对重空穴产生更大的影响。具有周期的超晶格具有受限的电子状态与良好的阱至阱波函数重叠且没有受限的重空穴状态，该超晶格由1.5nmQ-1.5nmInAlAs-3.0nmQ-1.5nmInAlAs构成，其中Q＝In0.53Ga0.23Al0.24As和InAlAs＝In0.52Al0.48As。
其中电子或空穴被抑制的超晶格由选自上面列出的对的合金“A”和合金“B”的交替层构成。所有“A”层具有相同的厚度并且所有“B”层具有相同的厚度，“B”层厚度可能与“A”层厚度相同或不同。
作为图1的替代设计，图5、图6b和图7示出了具有匹配超晶格设计的线性模式APD500，其中电子倍增而不是空穴倍增被抑制。电子无法积聚足够的动能来引发倍增。只有空穴可以引发增益并导致潜在的指数倍增。APD中的过量噪声是由同时的电子和空穴倍增产生的。然而，抑制电子和空穴的倍增最大程度地降低噪声，同时提供增益。匹配超晶格在非低温温度(诸如30-50℃的室温)，甚至在高于此范围的温度下实现载流子的倍增。超晶格被设计成当其被偏置为具有仅在阱半导体或势垒半导体的厚层中维持碰撞电离的电场时，在其每个阱中具有至少一个量子状态。在价带超晶格的情况下，应当存在针对轻空穴的至少一个量子状态以及针对重空穴的至少一个量子状态。
接下来，为了仅针对第一载流子抑制碰撞电离，设计可以选择其带偏移主要位于对应于被抑制载流子的带中的半导体对。超晶格对的带偏移不必完全在对应于被抑制载流子的带中。只要偏移不足以支持超晶格的阱和势垒厚度处的量子状态，相对带中就可以有足够的偏移。这提供了超晶格组合物中的公差。
以图形方式参见图5，当超晶格被设置为完全在Ec导带中(因此，倍增空穴但不倍增电子)时，Ev价带本质上是向下倾斜的直线。然而，可以匹配材料系数以将材料主要放置在一个带中，例如导带，但可能不完全放置在该一个带中。从视觉上讲，这意味着另一个带，价带不会是实心的直线，而是大体笔直的线，偶尔有小的小脉冲，这些脉冲的深度不足以形成阱。因此，当超晶格对的带偏移大部分设置在与被抑制载流子相对应的带中时，则另一载流子的带可以具有足够的偏移，只要偏移不足以支持超晶格的i)阱层、ii)势垒层或iii)阱层或势垒层的厚度处的量子状态。
具有匹配超晶格结构的室温线性模式APD的附加益处
所提出的APD将能够作为具有足够增益的低噪声光电流放大器来操作，以使得在其输出耦合到市售电子放大器中时能够以单光子灵敏度来捕获光电流波形。通过在大波长带上以高量子效率检测单个光子，该器件将在室温下实现最终的检测器灵敏度。
所提出的器件将不需要Geiger模式操作来检测单个光子。为了说明其后果，SRI的线性模式APD的阵列可以从激光的单次照射中获取完整的三维点云LIDAR图像。(参见图8和图9)相反，Geiger模式APD的阵列需要对N个测距仓中的每一者进行激光照射，从而使采集时间和激光能量增加到N倍。
用于抑制电子或空穴引发的碰撞电离的各种实现方式
需要做出的选择是我们要抑制电子还是空穴引发的碰撞电离。例如，仅导带超晶格和/或仅价带超晶格。影响该选择的主要因素是碰撞电离以连续体状态而不是Wannier-Stark状态生成被抑制的载流子的可能性。为了估计这一点，我们考虑了体InP中的碰撞电离的运动学。对于电子引发的碰撞电离，我们在这些反应的有效质量近似下求解了能量守恒和二维动量守恒方程：
e→e+e+H (I)
e→e+e+h (II)
其中e是电子，H是重空穴并且h是轻空穴，并且其中初始电子具有动能E。我们计算了其中允许反应的E的阈值。产生重空穴的反应I的阈值能量为1.50eV，而产生轻空穴的反应II的阈值能量为1.99eV。阈值能量的最小值为InP带隙能量(1.34eV)，并且该阈值能量以将最终动量赋予每个最终粒子所需的量更高，因此节省能量和动量。当初始电子能量增加到1.50eV阈值以上时，其可以进行碰撞电离的速率随着最终状态密度的增加而增加。不太可能的是其将达到反应II阈值。对于反应I，运动学表明当碰撞电离发生在阈值能量附近时，重空穴具有在价带边缘以下的0.10eV的能量。对于我们用于电子引发的碰撞电离的InP-InGaAlAs对，这将重空穴放置在阱中(深度为0.23eV)。
对于空穴引发的碰撞电离，我们考虑这些反应：
h→h+e+H (III)
h→h+e+h (IV)
H→H+e+H (V)
H→H+e+h (VI)
反应III的阈值是1.52eV，并且反应IV的阈值是2.06eV。我们期望轻空穴将生成重空穴。当碰撞电离发生在阈值附近时，电子将在导带边缘上方具有0.03eV的能量。对于重空穴引发的碰撞电离，反应V的阈值为2.63eV，并且反应VI的阈值为6.07eV。当碰撞电离发生在阈值附近时，电子将在导带边缘上方具有0.04eV的能量。对于这两种情况，针对我们用于空穴引发的碰撞电离的InAlAs-InGaAsP对，电子都将接近阱的底部(深度为0.40eV)。
尽管电子引发的结构可能是足够的，但空穴引发的碰撞电离结构对于防止不想要的载流子注入到超晶格的连续体状态中要好得多。
该分析指出了在比较两个结构时需要考虑的另一个因素。当空穴引发碰撞电离时，用于生成重空穴的阈值较低。APD中的价带将填充有重空穴。当重空穴引发的碰撞电离的阈值为2.63eV，相比之下电子引发的碰撞电离的阈值为1.50eV时，空穴引发的结构的β将是电子引发的结构的α的约1/1.8。因此，为了通过以相同电场操作的两个结构获得相同的增益，空穴引发的结构将需要1.8倍厚的倍增区和1.8倍高的电压。
设计计算出，导带超晶格在抑制电子雪崩增益方面优于价带超晶格在抑制空穴雪崩增益方面。
空穴引发的结构的另一个优点是将空穴从光吸收层注入到超晶格倍增区中。从下方注入空穴，这允许APD通过锌扩散制成以用于选择p掺杂，其通常用于获得低暗电流并消除p-i-n光电二极管和APD中的表面击穿。
两种结构都不是明显更好的。该选择可能取决于预期应用的细节。
应用
各种系统可以采用具有匹配超晶格结构的多个线性模式雪崩光电二极管的阵列。每个线性模式雪崩光电二极管被配置为感测光并通过以下方式输出电流：被配置为生成等于或大于1000倍放大的增益，同时由于来自放大的增益而引起的生成的过量噪声因子小于在处于或高于非低温温度时存在的热噪声的3倍。线性模式雪崩光电二极管通过使用超晶格结构来检测光中的一个或多个光子，该超晶格结构被匹配以抑制线性模式雪崩光电二极管中的第一载流子的碰撞电离，同时对于第二载流子进行以下中的至少一者：1)增加碰撞电离；2)基本上保持碰撞电离；以及3)较小程度抑制碰撞电离。其碰撞电离被抑制的第一载流子是i)电子或ii)空穴；并且然后，第二载流子是电子或空穴。电源用于为多个线性模式雪崩光电二极管供电。
系统可以包括：i)LIDAR系统，ii)夜视镜或头戴式耳机系统，iii)光通信系统，iv)光谱学系统，v)量子密钥分配系统，vi)使用高击穿电压晶体管的系统，vii)低噪声微波生成系统，以及vii)生物医学系统。
具有匹配超晶格结构的线性模式雪崩光电二极管被配置为使得仅在i)导带或ii)价带中发生放大，以生成等于或大于10,000倍放大的的增益，同时由于来自放大的增益而引起的生成的过量噪声小于在处于或高于室温时存在的热噪声的10％。具有增益为10,000倍放大的匹配超晶格结构的线性模式雪崩光电二极管被配置为能够检测单个光子，而不会在检测到单个光子后造成具有死区时间的损失，在死区时间中线性模式雪崩光电二极管直到设定时间段后才能检测到另一个光子。
此处描述的线性模式APD启用的示例性功能包括：
图8示出了具有匹配超晶格结构的线性模式APD阵列的图800的实施例，该匹配超晶格结构具有原位存储器和并行列读出。阵列中的每个像素看到不同的x-y方向并获取z方向。阵列被设计用于原位存储每个时间仓(bin)，从而顺序读出光脉冲之间的每个时间仓。可以在每个50μm×50μm像素中的100个时间仓中捕获诸如激光脉冲的光脉冲。每个时间仓都具有读出电路，该读出电路包含具有匹配超晶格结构的线性模式APD。图9示出了具有带匹配超晶格结构的线性模式APD的示例性读出电路示意图的图900的实施例。读出可能以100帧/秒发生。具有50μm×50μm像素结构的读出电路可以存储例如100个时间仓。
使用具有匹配超晶格结构的线性模式APD阵列的系统可以包括如下。
单发光检测和测距(LIDAR)—对于LIDAR，场景由来自激光的短光突发照亮并且该脉冲的反射被检测到。从发出激光到检测到反射之间的时间给出了到反射器的距离。SRI线性模式APD中没有死区时间允许通过单个APD连续获取反射光波形。具有适当光学器件的线性模式APD阵列中的每个APD都可以检测从不同方向到达的光。线性模式APD阵列中的每个APD都可以获取从位于由光学器件确定的唯一方向上的对象反射的光的完整波形。因此，线性模式APD阵列可以收集由光学器件确定的视场上单个激光照射的所有反射。所收集的数据表示场景的三维图像，其中到达时间给出z方向并且每个APD给出x和y方向。
可以将表示沿z方向的数据的波形分成多个时间仓，并且将在每个时间仓上积分的APD输出电流作为电荷存储在读出电路中的单独电容器中。我们已经确定，50μm×50μm的像素除了积分电流并读出电容器中的电荷所需的电子器件外，还可以具有100个存储电容器。
由于Geiger模式APD的死区时间，所以使用两种方法来获取所有反射。首先，可以使用并联连接的Geiger模式APD的阵列以形成超像素来改善死区时间。超像素的大尺寸将超像素的排列限制为线性阵列，因此，通过照亮整个场景并旋转窄视场APD阵列或通过照亮与宽视场APD阵列共线的场景的条带并移动条纹，在与线性阵列正交的方向上进行成像。这需要多次激光照射才能获取完整的三维图像。
第二方法使用单独Geiger模式APD的二维阵列。与线性模式APD阵列一样，每个APD收集来自不同方向的反射光。通过在激光照射后以预定延迟并在预定持续时间内将APD偏置在击穿以上，将Geiger模式APD全部选通打开。阵列的输出给出了在APD被选通打开的时间间隔期间的光子到达的x-y图像。无论一个还是许多个光子在该间隔期间到达，来自特定APD的输出都是相同的。通过改变选通延迟，可以用多次激光照射获得完整的三维图像。
在单次照射中获取三维图像的优点是(1)更快的获取时间，以及(2)没有由于在场景内以及LIDAR系统与场景之间的运动引起的失真和模糊。更快的获取使三维视频成为可能。对运动的不敏感性提供更清晰的图像并放松了对LIDAR系统的非常稳定平台的要求。
通过遮蔽物成像—该原理与单次照射LIDAR的原理相同。区别在于，由于遮蔽物(诸如雾中的水滴或烟雾颗粒)而引起的反射随机发生，因为粒子经历布朗运动、沉降或对流，所以它们是随机分布的并且随时间推移快速变化。感兴趣的对象比遮蔽物要重得多，因此它们移动得更慢并且无法快速改变其速度。因此，通过仅保留源自同一点的反射或源自位于几个连续三维图像上的直线上的一系列点的反射，可以滤除来自遮蔽物的许多反射。
低光水平成像—在低光水平成像中，通常希望增加来自检测器的光电流，使其足以高于电子放大器的本底噪声。为此，线性模式APD可以适度增益操作(不足以检测单个光子)。用于这样做的替代方法是增加光收集孔径并增加积分时间。较大孔径导致较大光学部件以及更庞大、更昂贵的系统。增加的积分时间要求成像器位于稳定机械支撑件(诸如三脚架)上。积分不能用于比积分时间更快改变的动态场景。
低光水平成像的重要情况是夜视。没有阳光或照明器，唯一的照明源是月光、气辉和星光，其中气辉在可见光中发射，但主要在电离层中的近波和短波红外中发射，这是由当天早些时候的太阳光和宇宙射线产生的离子重组产生的。无增益成像需要满月的光以便使用普通手持相机的聚光光学器件以标准视频速率获得可用图像。增益为104到106以上的夜视镜和图像增强器可以用于在阴暗无月的夜晚成像，其中照明源为被云散射并衰减的气辉和星光。由无过量噪声的线性模式APD提供的增益与夜视镜和图像增强器的增益类似，因此预期在阴暗无月的夜晚成像。一个重要的区别是APD的尺寸要小得多。另一个重大区别是，夜视镜的输出是磷光屏上的图像，如果没有单独的相机，则无法读出该图像以进行存档或图像处理，而由线性模式APD阵列制成的成像器的输出将被数字化。
光谱学以及化学和生物制剂的检测—光谱学在操作上等同于低光水平成像，其中场景是诸如衍射光栅的色散元件的输出。可以调整线性模式APD阵列的增益以使适度的增益达到足够的增益以进行信号光子检测，从而提供较大的动态范围。此外，阵列中的单独APD所看到的波形可以像单照射LIDAR应用一样存储。类似于单照射LIDAR，此功能将使得能够获取由单个事件触发的整个时间分辨光谱。
在单光子检测水平上进行光谱技术的能力可以用于检测非常低的浓度水平的分子。时间分辨光谱技术增加了监测分子动力学的能力，其可以提供有关分子环境的信息。检测痕量特定化学和生物分子的能力有益于其中这些分子可能是非法药物、化学或生物战剂或爆炸物的安全领域，其中这些分子可能是制造过程的杂质或有害副产物的质量控制，以及其中这些分子可能成为正在开发的新药的生物医学研究。
量子密钥分配—这要求以高量子效率检测单个光子，优选是在室温附近。当前可用的室温单光子检测技术是光电倍增管和Geiger模式APD。光电倍增管具有非常低的量子效率，尤其是在通常用于电信的波长下。Geiger模式APD由于其死区时间而实际上具有低量子效率。无过量噪声的线性模式APD将能够以高量子效率检测单个光子。
光通信-在大多数(如果不是全部)光通信系统中，主要噪声是接收器电子器件中的热噪声，因此光通信的基本挑战是使光信号以足够的功率进入接收器以超过接收器噪声等效输入。确保这种情况的常用方法是增加由激光器产生的功率，减少光链路的长度以减少损耗并在链路中放置中继器。接收器处的没有过量噪声的线性模式APD将以较低的成本和较少的破坏性方式增加入射光信号：具有高功率输出的激光器价格昂贵，并且增加的激光器功率可以带来新的困难，诸如光纤或大气传输介质中的非线性效应，链路长度通常由应用或地理位置固定并且无法减小，并且中继器非常昂贵，特别是在电力不易获得的区域中(如海底)。
高击穿电压晶体管—晶体管的输出功率受其击穿电压限制。如上所讨论，由单个载流子(α＝0或β＝0)引发的碰撞电离导致载流子密度呈指数增长，但不会任意变大。此外，通过设计导带和价带两者中的局部Wannier-Stark状态，将针对实现a＝β＝0的超晶格抑制载流子密度的指数增长。通过超晶格的载流子传输是通过跳跃进行的。通过增加相邻的Wannier-Stark状态之间的波函数重叠，可以减少跳跃时间以使载流子的有效速度与饱和速度相当。
双极型晶体管中的最高电场发生在集电极-基极结附近的集电极中。由于双极型晶体管中的电流通常垂直于半导体表面，因此可直接用α＝β＝0超晶格代替双极型晶体管的集电极，其中超晶格法线与电流重合。
低噪声微波生成—碰撞电离是一类微波二极管的操作的关键部分，该微波二极管包括读取二极管和碰撞电离雪崩渡越时间(IMPATT)二极管。在碰撞电离提供增益并且载流子渡越时间提供适当相移的情况下，它们被用作负差分电阻元件以生成微波。这些发生器价格低廉并且可以产生高功率，但是其输出中的高相位噪声限制了它们的应用。噪声源是碰撞电离机制中的过量噪声。通过将此处描述的超晶格作为二极管的碰撞电离层，将抑制过量噪声并且围绕这些二极管构建的微波发生器可以实现低成本、高功率和低噪声。
说明书中对“实施例”、“示例”等的引用指示所描述的实施例或示例可以包括特定的特征、结构或特性，但每个实施例可以不必包括特定的特征、结构或特性。这样的短语可以不必指代相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，无论是否明确指出，与其他实施例结合来影响这种特征、结构或特性被认为在本领域技术人员的知识范围内。
尽管已经相当详细地提供了前述设计及其实施例，但本文提供的设计和实施例为限制性不是申请人的意图。附加的适配和/或修改是可能的，并且在更广泛的方面，也包括这些适配和/或修改。因此，在不脱离所附权利要求书提供的范围的情况下，可与前述设计和实施例有所不同，该范围仅在适当地解释时由权利要求限制。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
线性模式雪崩光电二极管，所述线性模式雪崩光电二极管通过以下来构造：
超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，当所述光电二极管被电偏置以传导电流时，所述超晶格倍增区仅允许选自i)电子或ii)空穴的一种电流载流子类型积聚足够的动能以进行碰撞电离，并且
其中具有匹配的超晶格结构的所述线性模式雪崩光电二极管使得放大被配置为仅在i)导带或ii)价带中发生以生成增益，同时从足够低以能够检测单个光子而不会造成具有死区时间的损失的碰撞电离生成过量噪声，从而允许在检测到所述单个光子之后基本上立即发生对后续光子的检测。
2.根据权利要求1的所述装置，其中具有匹配的超晶格的所述线性模式雪崩光电二极管被配置为检测所述单个光子而不会在检测到所述单个光子后造成具有所述死区时间的所述损失，其中具有所述死区时间的另一个线性模式雪崩光电二极管直到设定时间段后才能检测到另一个光子。
3.根据权利要求1所述的装置，其中具有匹配的超晶格的所述线性模式雪崩光电二极管被配置为在室温或更高温度下同时实现单光子灵敏度的检测，而无死区时间。
4.根据权利要求1所述的装置，其中具有匹配的超晶格的所述线性模式雪崩光电二极管被配置为解决多个光子的几乎同时到达，并且所述线性模式雪崩光电二极管在其检测到个体光子后没有死区时间。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述线性模式雪崩光电二极管被配置为室温、基于InP的线性模式雪崩光电二极管，其具有至少104个电子/光子的增益和受控量的过量噪声。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述线性模式雪崩光电二极管被配置为传递单极性增益，其输出耦合到电子放大器以产生波形，在所述波形中所述单个光子的到达可在噪声水平之上检测到并且能够区分多个光子的同时到达。
7.根据权利要求1所述的装置，其中具有匹配的超晶格结构的所述线性模式雪崩光电二极管被配置为使得放大仅在i)导带或ii)价带中发生，并且生成等于或大于10000倍(104)放大的增益，同时由于来自放大的增益而引起的生成的过量噪声小于在处于或高于室温时存在的热噪声的三倍。
8.根据权利要求1所述的装置，其中构成所述倍增区的所述第一半导体合金和所述第二半导体合金的所述晶格匹配对是InGaAsP-InAlAs超晶格。
9.根据权利要求1的所述装置，其中所述第二半导体合金是AlGaAsSb，并且
其中所述第一半导体合金与AlGaAsSb的所述第二半导体合金配对以构成所述倍增区。
10.根据权利要求1所述的装置，其中构成所述倍增区的所述第一半导体合金是InGaAsSb，其中所述超晶格被设置在导带中，使得电子碰撞电离。
11.一种用于线性模式雪崩光电二极管的方法，包括：
配置超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，以当所述光电二极管被电偏置以传导电流时，仅允许选自i)电子或ii)空穴的一种电流载流子类型积聚足够的动能以进行碰撞电离，以及
配置具有匹配的超晶格结构的所述线性模式雪崩光电二极管使得放大仅在i)导带或ii)价带中发生以生成增益，同时从足够低以能够检测单个光子而不会造成具有死区时间的损失的碰撞电离生成过量噪声，以及
配置对所述单个光子的所述检测而不会造成具有所述死区时间的所述损失允许在检测到所述单个光子之后基本上立即发生对后续光子的检测。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
配置具有匹配的超晶格的所述线性模式雪崩光电二极管以检测所述单个光子而不会在检测到所述单个光子后造成具有所述死区时间的所述损失，其中具有所述死区时间的另一个线性模式雪崩光电二极管直到设定时间段后才能检测到另一个光子。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
配置具有匹配的超晶格的所述线性模式雪崩光电二极管以在室温或更高温度下同时实现单光子灵敏度的检测，而无死区时间。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
配置具有匹配的超晶格的所述线性模式雪崩光电二极管以解决多个光子的几乎同时到达，并且所述线性模式雪崩光电二极管在其检测到个体光子后没有死区时间。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
将所述线性模式雪崩光电二极管配置为室温、基于InP的线性模式雪崩光电二极管，其具有至少104个电子/光子的增益和受控量的过量噪声。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
配置所述线性模式雪崩光电二极管以传递单极性增益，其输出耦合到电子放大器以产生波形，在所述波形中所述单个光子的到达可在噪声水平之上检测到并且能够区分多个光子的同时到达。
17.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
配置具有匹配的超晶格结构的所述线性模式雪崩光电二极管使得放大仅在i)导带或ii)价带中发生，并且生成等于或大于10000倍(104)放大的增益，同时由于来自放大的增益而引起的生成的过量噪声小于在处于或高于室温时存在的热噪声的三倍。
18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
将构成所述倍增区的所述第一半导体合金和所述第二半导体合金的所述晶格匹配对配置为InGaAsP-InAlAs超晶格。
19.根据权利要求11的所述方法，其中所述第二半导体合金是AlGaAsSb，并且
其中所述第一半导体合金与AlGaAsSb的所述第二半导体合金配对以构成所述倍增区。
20.根据权利要求11所述的方法，其中构成所述倍增区的所述第一半导体合金是InGaAsSb，其中所述超晶格被设置在导带中，使得电子碰撞电离。
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