JP2013511854A - 光子検出器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光子検出器 光子検出システムはアバランシェフォトダイオードを具備し、アバランシェフォトダイオードは、第１導電型を有する第１半導体層と第２導電型を有する第２半導体層とから形成されたｐｎ接合を具備し、第１導電型はｎ型またはｐ型から選択され、第２導電型は第１導電型とは異なりかつｎ型またはｐ型から選択され、第１半導体層は第１導電型のドーパントでドープされるドープ層であり、低い場の複数ゾーンに囲まれた高い場の複数ゾーンの複数のアイランドを第１層が具備するように、第１導電型のドーパントの濃度に変化があり、高いおよび低い場の複数ゾーンは、ｐｎ接合の平面で横方向に分布していて、ドーパント濃度は、高い場の複数ゾーンでは低い場の複数ゾーンよりも高く、前記システムは、さらにバイアス部を具備し、前記バイアス部は、時間に関して静的である電圧、および時間変動する電圧を印加する。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
一般に本明細書で説明される実施形態は、弱い光信号を検出するための光子検出器および方法に関する。
個々の光子のレベルへの応答を記録することができる光学的な光検出器に関する多くの応用において差し迫った必要がある。単一光子検出器は、デバイス上の１以上の光子の存在を検出するが光子の数を判定することができない閾値デバイスである。それらは、検出器で光子の到着時刻を判定することに基づく様々な応用のためと同様に、一般的な低い光レベル検出に用いられる。
単一光子検出器の応用は工業用の検査、環境モニタリング、光ファイバーケーブルおよび成分の試験、医学画像、化学分析および科学的調査を含んでいる。
これらの応用の多くは、単一光子検出器が単一光子の到達時刻を測定する能力を用いる。工業用の検査システムでは、明るいレーザパルスは検査の下の物体に向けられる。また、反射されるパルスからの複数の単一光子に関する時刻が記録される。飛行データの時間から、物体の３Ｄ画像を構築することは可能である。単一光子検出器に関連する同様の技術は、光ファイバーとコンポーネントの障害の位置を判定し、かつ大気中の粒子を測定するために用いられる。
単一光子検出もまた、赤外波長でのレーザー光学画像でと同様に、医学画像での放射性同位体およびＸ線の様々な形式で使用される。単一光子検出を用いる寿命蛍光測定を、ある病状の診断に用いることができる。それは、サンプルの化学的なレシピを判定する分析化学において使用される。単一光子検出はまた、素粒子物理学、宇宙物理学および材料科学の分野における科学研究において使用される。
光子数検出器は、光子の存在を検出するだけでなく、入射光パルスにおける光子数を数えることもできる。単一光子検出器のように、それらは、検出器での光子の到達時刻を判定することができる。光子数検出器は、光子計数に基づいた低ノイズ光検出に必要である。ここでそれらは、より強い光の強度で操作することができる単一光子検出器よりも優位にある。
入射パルスでの光子数を解明する能力はまた、量子情報技術での多くの応用にとって非常に重要である。量子中継では、例えば、各検出器において０，１，および２光子検出イベントを区別する必要がある。同様の検出器能力は、線形光学量子計算において用いられるゲートの多くに必要とされる。
可視／近赤外線の波長（３００−１１００ｎｍ）で作動することができる光子数検出器は、線形の光学的な量子計算、量子リレーおよびリピーター、量子暗号、光子数状態の生成および調整、および、光源の光子放射統計の特性への応用を有する。
現在、ガイガーモードシリコンアバランシェフォトダイオード（Geiger Mode Silicon Avalanche Photodiodes）（ＡＰＤ）は可視／近赤外線の波長（３００−１１００ｎｍ）で低ノイズ光検出に用いられる。
本発明は、次の限定されない実施形態を参照して記述される：
図１は、本発明の実施形態に従う光子検出システムの断面である；
図２は、図１のシステムの平面図を示す；
図３は、図１および２を参照して記述される構造にバイアスをかけるために用いられたバイアス回路を示す；
図４は、図１から３を参照して記述される検出システムに関して時間上でのＡＰＤバイアスのプロットである；
図５は、図１から３のデバイスの時間上での出力バイアスのプロットである；
図６は、出力が図３の回路を用いて自己差分化された後に時間上での出力電圧の概略図である；
図７は、自己差分化出力の関数としての確率分布のプロットである；
図８は、出力信号の測定された確率分布の概略図である；
図９は、出力の依存および光子フラックスへのその依存を示すグレースケールである；
図１０は、印加された複数のＤＣバイアスの関数として固定された入射光子フラックスに関する確率分布のプロットである；
図１１は、印加されたＤＣバイアスの関数である０、１、２、３および４光子ピークの平均電圧のプロットである；
図１２は、本発明のさらなる実施形態に従うシステムを示す；
図１３ａおよび１３ｂは、本発明のさらなる実施形態に従うシステムについての２つの視界を示す。
実施形態によれば、アバランシェフォトダイオードを具備する光子検出システムを具備する光子検出システムが提供される。前記アバランシェフォトダイオードは、第１導電型を有する第１半導体層と第１導電型を有する第２半導体層とから形成されるｐｎ接合を具備し、第１導電型はｎ型またはｐ型から選択されたものであり、第２導電型は第１導電型とは異なりかつｎ型またはｐ型から選択され、第１半導体層は、第１導電型のドーパントでドープされるドープ層であり、低い場の複数ゾーンに囲まれた高い場の複数ゾーンの複数のアイランドを第１層が具備するように、第１導電型のドーパントの濃度に変化があり、高いおよび低い場の複数ゾーンは、ｐｎ接合の平面で横方向に分布していて、ドーパント濃度は、高い場の複数ゾーンでは低い場の複数ゾーンよりも高い。前記システムは、さらにバイアス部を具備し、前記バイアス部は、時間に関して静的である電圧、および時間変動する電圧を印加する。
一実施形態では、第２層は高いまたは低い場の複数ゾーンをカバーする。さらなる実施形態では、ｐｎ接合が高い場の複数ゾーンでのみ形成されるように、第２層は高い場の複数ゾーンをちょうどカバーする。
一実施形態では、高い場の複数ゾーンは、アバランシェフォトダイオードの全範囲の０．５以上の幾何学的な充填率を有している。またさらなる実施形態では、幾何学的な充填率は０．８以上である。全範囲は、高い場ゾーンの複数領域と高い場ゾーンの複数領域の間の複数領域とである。
一実施形態では、隣接した高い場の複数ゾーン間での最短距離は５μｍ以下である。
本発明への実施形態に従う配置では、高い場の複数ゾーンは、第２半導体層を介して電気的に連結される。さらに、一実施形態では、低い場の複数ゾーンは一様な電気ポテンシャルを有するか、または均一なドーピング濃度を有する。
一実施形態では、高い場の複数ゾーンは側方のサイズおよび形が同一である。
本発明の実施形態は、放射の単一パルスにおいてアバランシェフォトダイオードに入射する光子数を数えるために用いられる。放射の一パルスがアバランシェフォトダイオードに入射するとき、アバランシェ効果はフォトダイオードの高い場の複数ゾーンにおいて経験される。一実施形態では、システムは、受信された光子パルスにおける光子数を判定するためにアバランシェイベントを測定するための計数回路をさらに具備する。この計数回路は、アバランシェ効果により引き起こされる信号のサイズを測定してもよく、他の実施形態では、それは、参照することによって本明細書に組み込まれるＧＢ２４６９９６１とＧＢ２４４７０５４に記述されるように、リセットパルス数をカウントする。
さらなる実施形態では、計数回路は、アバランシェイベントの測定を、多数の所定レベルと比較する弁別器を具備する。
さらなる実施形態では、システムは、前記アバランシェフォトダイオードからの出力信号を受け取り、かつ出力信号から時間変動する成分を取り除くために出力信号を処理する出力回路をさらに具備する。例えば、時間変動する成分が周期的な場合、出力回路は、ある周期でのアバランシェフォトダイオードの出力電圧を、前の周期での出力電圧と比較してもよい。ＡＰＤから出力を処理するための出力回路を持った光子検出器は、参照することによって本明細書に組込まれる、米国シリアル番号１２／５２９４９５、ＧＢ２４６６２９９に記述されている。
さらなる実施形態では、出力回路は、出力信号を分離して２つの部分に分ける信号分割器と、複数部分のうちの１つを他に比べて遅延させる電線と、２つの部分間での差を出力する信号差分器と、を具備する。これは、検出された複数の光子による信号を残すために、周期的なバックグラウンド信号がキャンセルされることを可能にする。
さらなる実施形態では、出力回路は、ゲーティングバイアス期間の前半および後半でのＡＰＤの出力電圧を合成する。さらなる実施形態では、遅延は、整数個のゲート期間を有している。電気回路は、信号の２つの部分のうちの１つの位相を１８０°だけ変えるために、信号分割器に加えて位相シフターをも具備してもよい。信号インバーターも同じ機能を行なうために提供されてもよい。信号合成器は、その後、２つの部分の合計を出力するために提供される。
時間変動するバイアスの周期の期間は、固定されてもよいが他の実施形態では、それは時間の関するとして変動してもよい。期間にジッタを引き起こすことによって、検出システムは疑似のＣＷタイプの動作を採用することができる。
さらなる実施形態では、コントローラーは２つの部分の強さの平衡を保つために提供される。コントローラーは、その場で検出システムのチューニングを許容するために、遅延の長さを変化させてもよい。
さらなる実施形態では、出力回路はアバランシェによる信号を分離するために帯域阻止フィルタを具備する。
一実施形態では、バイアス回路は、２つのレベル（高レベルおよび低レベル）を有する時間変動成分を印加する。さらなる実施形態では、電圧成分のより高いレベル部分の期間は、全デバイスのアバランシェ電流が飽和することを防ぐのに十分に短い。別の実施形態では、破壊電圧より上である時間変動成分の高い部分があり、アバランシェフォトダイオードの破壊より下である低い部分がある。
バイアスの形状は正弦波（方形波など）でもよい。
さらなる実施形態では、レンズおよびコリメーションオプティックス（optics）は、アバランシェフォトダイオードの活動範囲にわたって入射光を一様に分散させるために提供される。またさらなる実施形態では、マイクロレンズアレイあるいはバイナリ回折ビームスプリッターは、構造化した多地点の照明によって複数の高い電場ゾーンを照らすために用いられる。
光子検出システムを作り上げる方法は、さらなる実施形態によって提供され、方法は以下を具備する：次のものによってｐｎ接合を形成すること：第１導電型を有する第１半導体層を形成すること、ここで第１半導体層は第１導電型のドーパントでドープされたドープ層であり、低い場の複数ゾーンに囲まれた高い場の複数ゾーンのアイランドを第１層が具備するように第１導電型のドーパントの濃度に変動があり、ドーパント濃度は、高い場の複数ゾーンでは低い場の複数ゾーンよりも高く、高いおよび低い場の複数ゾーンはｐｎ接合の平面で横方向に分布している；前記第１半導体層に接して、第２導電型を有する第２の単一半導体層を形成すること、ここで第１導電型はｎ型またはｐ型から選択されるものであり、第２導電型は第１導電型とは異なりかつｎ型またはｐ型から選択される。方法は、時間に関して静的である電圧と時間変動する電圧をｐｎ接合にわたって印加することをさらに具備する。
一実施形態では、第１半導体層を形成することは、より低いドーパント濃度を持った物質の中へより高いドーパント濃度を持った物質を埋め込むために、ガス浸漬レーザーのドーピング、注入または拡散を使用して、高い場の複数ゾーンを形成することを具備する。したがって、高濃度にドープした物質の領域は、より低くドープした物質の領域によって囲まれて形成される。
さらなる実施形態では、第１半導体層は前記層にピットを形成するためにエッチングされ、同じ導電型のより高いドーピング濃度を持った物質が、前記ピットにおいて提供される。
図１は、発明の実施形態に従ってシステムにおいて用いられることになっているアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の概略の断面視図である。
ＡＰＤは、第１導電型１０３の層と、第１導電型１０３の層に接して覆っている第２導電型１０７の層と、を具備する。この特別な実施形態では、第１導電型１０３の層は基板１０１に重なって接している。この特別な実施形態では、第１導電型１０３の層はｐ型層であり、第２導電型１０７の層はｎ型層である。しかしながら、複数の層の順序を変さらすることは、理解されるだろう。ｐｎ接合は、第１層１０３と第２層１０７との接点で形成される。
第１層１０３は、層１０３の残りよりもより高いドーパント濃度を有している複数の領域１０５を具備する。これらの領域は、複数のアイランドとして形成され、その結果それらは他の高いドーパント濃度領域から横方向に分離されている。疑問の回避のために、用語「高いドーパント濃度領域」は、ドーパントによって提供されたキャリアの濃度をしめし、必ずしもドーパントそれ自体の濃度を示さない。２つのキャリアを提供するドーパントが、１つのキャリアを与えるドーパントよりも僅かに低い濃度で提供されて、それでもより高いキャリア濃度を提供してもよいことは、当業者によって理解されるだろう。
図１の構造の製造をここで説明する。
ヘテロ構造の基底は、ｐ型の基板１０１であり、この基板上では続く層構造が製造される。一様なｐ型ヘテロ層１０３は、前記基板１０１上に置かれる。高濃度にドープしたｐ型物質１０５の範囲は前記層１０３に組み込まれる。前記範囲は、例えばガス浸漬レーザー（Gas Immersion Laser）ドーピング、イオン注入あるいはドライブイン拡散によって組み込まれてもよい。
高濃度にドープしたｐ型領域１０５をすべて包含するために、高濃度にドープしたｎ型物質１０７の層は、例えばガス浸漬レーザーのドーピング、注入あるいは拡散によって範囲にわたって次々に成長する。
高い電場は、高濃度にドープしたｐ型の複数アイランド１０５とこれらの領域でのｎ型物質との接点と交わるように生成される。この領域では、適切なバイアスが接合と交わるように印加されると、アバランシェの増大が起こりうる。したがって、これらの領域１０５は、複数の単一光子に敏感なデバイスの複数の活性ゾーンを構成する。これは、適度にドープしたｐ型層１０３と、ｎドープ層１０７との間で形成される低電場とは対照的である。これはアバランシェすることを十分にサポートできず、したがって、後述するガイガーモードで動作する場合に活性のある複数ゾーン間での光学的に非活性のスペーサーとして作用する。高濃度にドープした層１０５および１０７の深さは、浅い空乏領域を有する薄い接合が実現するように、対応する低い破壊電圧を有するＡＰＤで、４μｍよりも小さくなりうる。接合深さは、これよりも大きくてもよく、例えば３０μｍ以上であり、この結果、深い結合デバイスが大きな破壊電圧を満たす。
これらの範囲１０５および隣接したｎ型層は、装置の活発なアバランシェ領域を形成し、これらの領域のサイズ、形状、および配置は、中間の低い場の領域に関して、適用の要件にしたがってｐｎ接合面での２次元ドーピングプロファイルを操作することによって制御することができる。検出され識別されうる光子数は、これらの活性ゾーン数によって確定する。また、検出効率は幾何学的な充填率に依存をしている。実施形態では、活性ゾーンはピクセルである。
一実施形態では、Ｎがピクセル数である場合、検出された信号が入射信号に対して線型である光子の最大数はＮ／２である。この数値を超過する入射光子数については、単一のピクセル内に多重光子吸収が起こる可能性がより高く、続いて検出される光子数分布にエラーが発生するだろう。したがって、高い場の「ピクセル」数が高いほど、エラーなく検出される光子数も高くなる。
充填率は、デバイス全範囲に対する高い場の領域の範囲の比と見なすことができる。つまり、高い充填率は、高い場のゾーンの高密度を意味する。単一光子に敏感である高い場のピクセルに入射する光子の増加した確率を反映する充填率を持った検出効率は増加する。
実施形態では、ｐ型およびｎ型ドーピングはホウ素またはリン不純物をそれぞれ使用して達成されてもよい第１層１０３および第２層１０５は、シリコンでもよい。さらに、それはシリコン−ゲルマニウムヘテロ構造でもよいし、または特にｌｎＧａＡｓのような半導体のＩＩＩ−Ｖクラスに基づいていてもよい。
一実施形態では、光子吸収は、４００ｍｅＶより大きなエネルギーバンドギャップを持った層でのＡＰＤ内で起こる。さらなる実施形態では、ＡＰＤは、０．８以上の活発な高い場のゾーン１０５の幾何学的な充填率で１０〜２００ミクロンの全範囲を有している。一実施形態では、それは１０ｐＦ未満の接合キャパシタンスを有している。
別の実施形態では、ＡＰＤはｎにドープした基板１０１上で製造され、例えばガス浸漬レーザーのドーピング、注入または拡散によって、適度にドープしたｎ型ヘテロ層１０３に組み入れられる、高度にｎにドープした領域１０５を具備する。その後、活性領域は高濃度にドープしたｐ型の物質１０７の層によって形成される。以前のように、それはイオン注入または拡散によって組込まれる。これは上述の物質システムで達成されてもよい。
図２は、図１のＡＰＤの対応する平面図を示し、発明の一部を具備し、高濃度にドープされたｐ型１０５の層とｎ型１０７の層との間での半導体接合によって形成される活性領域は、マトリックス構造で配置されている。
高濃度にドープした領域１０５はアイランドを形成する。示された配置は、１６光子まで含む複数の光パルス間で識別することが許容され、好ましくは応用に依存してデバイスが４−１０００の単一光子に敏感な活性ゾーンから構成される。実施形態では、高濃度にドープした領域は、５から５０μｍの幅までであり、５μｍ未満で分離される。高い場の複数ゾーンは原理的に、多角形および円形を含む、照明源の強度およびビームプロフィールに適合する全体的な形状で、任意の形でよい。
実施形態では、高い場の複数ゾーンは、少なくとも１０１０ｃｍ−２のドーピング濃度を有し、さらなる実施形態では少なくとも１０１１ｃｍ−２あるいは１０１２ｃｍ−２のドーピング濃度を有する。低い場の複数ゾーンのドーピング濃度は、高い場の複数ゾーンでの濃度よりも少なくとも１０倍低く、さらなる実施形態では１００倍低い。
図３は図１および図２のＡＰＤを用いて、本発明の実施形態に従うシステムを示す。
ＡＰＤは、出力信号の自己差分化を許容する形態で配置される。自己差分化モードの動作では、出力信号のバックグラウンドは、信号の一部と信号の先立つ部分とを比較することによって、取り除かれる。
ＡＰＤ３１７は、それが逆バイアスされるように、接続される。バイアス電圧は、ＤＣバイアス源３１３からのＤＣ成分ＶＤＣ３１１、およびＡＣバイアス源３０９からのＡＣ成分ＶＡＣ３０７の両方を含む。
ＡＣ３０７およびＤＣ３１１の成分は、バイアスティー３０５を用いて合成される。バイアスティー３０５は、ティーの第１のアーム上でＡＣ源３０９に接続されたキャパシタ３０１と、ティーの第２のアーム上でＤＣ源３１３に接続されたインダクタ３０３とを具備する。
ＡＰＤ３１７の出力は、（地面に導く）抵抗３１９と自己差分回路３２３とに分割される。
光子がＡＰＤ３１７上に入射する場合、アバランシェ光電流は、出力電圧Ｖｏｕｔ３２１に対応する直列抵抗３１９にわたって電圧を導く光子検出に起因するアバランシェによって引き起こされる。
高速操作に起因する小さな複数のアバランシェを覆い隠すゲーティング変調に対して、ＡＰＤ３１７の周期的な容量性応答を分離させるために、信号分割器３２５、２つの電線３２７および３２９、および信号差分器３３１を具備する自己差分回路３２３が使用される。
ＡＰＤ出力電圧Ｖｏｕｔ３２１は、信号を等しい成分に近い２つに分割する信号分割器３２５に入力される。ポテンシオメーター３３５は、分割比の平衡を保ち、さらに２つの成分を均等にするために用いられる。電線のうちの１つ３２７が他の電線３２９より長いので、これらの成分のうちの１つは遅延する。
遅延は、ＡＣ電圧源３１１によって供給される整数個のゲーティング周期Ｔになるように選択され、遅延線３２７は、Ｔとは無関係に遅延を調整するために、調整可能になるように選択される。
これらの２つの信号が信号差分器３３１に入力される場合、それらは他方から減じられたものであり、また、強い周期的な容量性バックグラウンドは、自己差分器出力電圧Ｖｓｄ３３３で大部分キャンセルされる。容量性バックグラウンドの遅延をさらに改善するために、７８０ＭＨｚのローパスフィルタ３３７および増幅器３３９は使用されてもよい。あるいは、フィルタ３３７は、取り消されていない信号に関連した周波数を除外するために、調整可能なバンドパスフィルタと取り替えることができる。
これは、小さな不飽和のアバランシェ関連の電圧信号が自己差分器出力Ｖｓｄ１３３で明らかにされることを可能にする。これらの小さな信号の振幅は、誘導される高い場のピクセルの数によれば、入射光子数に依存する。出力信号は、多数の誘導されたピクセルにおいて発生する疑似の飽和している信号の和を含む。
図３での設備の代わりとして、電線３２７と３２９との間での電気的遅延は、奇数個の、ゲーティング周期Ｔの半分になるように選択されてもよい。
この場合、信号差分器３３１は、２つの信号を足し合わせる信号合成器と取り替えられる。これはまた、弱い光子だけがアバランシェ信号を誘導するようにしておくＡＰＤ３１７の容量性応答をキャンセルする効果を有する。
さらなる実施形態では、帯域阻止フィルタは検出器電圧応答の振動部分を除外するために用いられてもよい。
もし本発明の実施形態に従うデバイスが従来のガイガーモードにおいて用いられれば、それらは、飽和している光電流による１つ以上の光子の吸収を区別しない大面積光子検出器として作用するだろう。
上記の実施形態では、それぞれの電圧周期中に高い場のピクセル１０５がそれぞれ単一光子に敏感な状態に誘導されるように、全デバイス電流が飽和しないように十分に短い時間だけバイアスは破壊電圧よりも上である。しかしながら、バイアスが破壊電圧よりも大きい時間は、それぞれの高い場のピクセル１０５で誘導されるアバランシェ光電流を事実上飽和させるのに十分かもしれない。その後、多数のピクセルからのそれぞれの疑似の飽和しているアバランシェ光電流信号は、誘導されたピクセル数を反映するために、デバイスによって合計される。この合計は、高い場の複数ゾーン１０５を電気的に並列に連結する、共通のコンタクト層１０７により明示される。
実施形態では、ピクセルがそれぞれ各周期に高々１つの光子を検出するであろうと推定される。したがって、多重光子検出は、多数のピクセルで受け取られる複数の光子と異なるピクセルからの出力の和によって、起こる。そのような実施形態の例では、単一のピクセル内では光子吸収による信号は疑似飽和していることが仮定される。
さらなる実施形態では、各ピクセルに到着する光子数を判定することができるように、検出器は構成される。そのような配置のさらなる例では、単一のピクセル内では、信号は吸収されたサブピクセル光子数（すなわち、単一光子信号の倍数）に対して線型に増加することが仮定される。
図４は、本発明の実施形態に従うＡＰＤから高い単一光子検出効率および光子数分解能を得るために使用されてもよいバイアス条件に示す。
ＡＰＤは、逆方向の破壊電圧Ｖｂｒ４０１を有する。この電圧より上では光励起キャリアの巨視的なアバランシェゲインが生じる。
ＡＰＤバイアス電圧Ｖａｐｄ３１５は、頂点間振幅Ｖａｃ３０７と周期Ｔ４０３を有するＡＣ電圧上に重ね合わせられたＤＣ電圧Ｖｄｃ３１１を具備する。ＡＣバイアスの周期はゲーティング周期あるいはクロック周期と時々呼ばれ、ゲーティング周波数かクロック周波数の逆数である。
ゲーティング周期またはクロック周期は光子源の周期と同期してもよい。
一実施形態では、検出器のゲーティング周波数は、検出器が光子を検出することができる時間窓を本質的に広げるために使用される僅かな量（例えば５０ｋＨｚ）によって変えられる。
その最高値Ｖｈｉｇｈ２０９では破壊電圧４０１より上にあり、その最低値Ｖｌｏｗ２０５では破壊電圧２０１より下にあるＡＰＤバイアス電圧３１５に起因する。Ｖｄｃはまた破壊電圧以下に設定することができる。
ＡＰＤがシリコンベースである実施形態では、ＤＣバイアスＶｄｃ３１１は逆方向破壊電圧Ｖｂｒ４０１より大きさにおいてより大きい場合は、好ましいことが実験的に見出された。
ＡＰＤは、（１ＧＨｚのゲーティング周波数に対応する）１ｎｓのＡＣゲーティング周期で操作されてもよい。
動作温度および実際のデバイス構造に依存して、ＡＰＤに関する破壊電圧は２０Ｖから３００Ｖまで変化する。（それは実際にＡＰＤのｐｎ接合に適用された逆バイアスであるが、これが正の数として書かれていることに注意する）。
ＡＰＤは、２９．３５ボルトのＤＣバイアスＶｄｃおよびＶａｃ＝７．０ＶのＡＣ電圧頂点間振幅で作動されてもよい。
図５は、シリコンに基づくＡＰＤの測定された電気的な回路への応答Ｖｏｕｔ３２１と、上述したバイアス条件Ｖａｐｄ３１５を示す。
Ｖｏｕｔ３２１で観察された強く振動する信号は、印加されたＡＣ電圧Ｖａｃ３０７に対するＡＰＤ３１７の容量性応答による。
これらの強い振動は、ＡＰＤ３１７に吸収された光子によって誘導された複数のアバランシェから信号への任意の寄与を隠す。
ＡＣバイアス３０７のリーディングエッジに反応する場合、正のピーク５０１は、ＡＰＤキャパシタンスの帯電に起因して、ＡＣバイアス３０７の立ち下がりから発生する容量性の放電に対応する負のピーク５０３が続く。
明白に、ＡＰＤの容量性応答によるこれらの非常に強い振動は、単一光子検出用のゲート制御されたガイガーモード（Geiger Mode）におけるＡＰＤを操作することが通常望ましくないことを意味する。
図６は、速いディジタルオシロスコープを使用してサンプリングした、１つの光子６０３、２つの光子６０５、および検出された光子がない６０１に関して、測定された自己差分器出力Ｖａｄ１３３を示す。
０光子信号６０１は、自己差分回路の不完全なキャンセルが原因となって、有限の振幅を有することに注意する。
２光子ピーク６０５は、１光子ピーク６０３の振幅のほぼ２倍の振幅を有している。出力電圧Ｖｓｄ３３３が、低い光子数Ｎに関して検出された光子数にほぼ線形に依存していることを示している。これは、それぞれの高濃度にドープした領域１０５で検出される複数のアバランシェの和からマルチ光子信号が発生するという事実による。
これは、検出器が光子数検出器として動作することを示している。
上記の実施形態に従うシステムにおいて用いられるＡＰＤでは、ＤＣ電圧源およびＡＣ電圧源の両方が、その破壊電圧より上および下に周期的にバイアスをＡＰＤにかける、交互に起こるバイアスを提供するために用いられる。
上に記述されるＡＰＤでは、ＡＰＤの光に敏感な範囲の横方向の電場プロファイルは、より低い電場（より低いドープした領域）の範囲から分離された多くの高い電場ゾーン（高濃度にドープした領域）から成る単一のメサダイオード構造を製造するために、強く変さらされる。これは、ＡＰＤ吸収平面で一様でないドーピングの制御されたパターンを用いて達成することができる。これはガス浸漬レーザードーピング、イオン注入あるいは拡散を用いて行われてもよい。反対にドープした包含層と結合して、生成された高い電場ゾーンは、周期的なバイアス信号によって破壊の上の状態に上昇した場合に、単一光子に敏感である。したがって、これらのゾーンの各々は、局所的に励起した光キャリアの離散的ななだれ現象を、独立してサポートすることができる。これらの高い場のゾーンは、包含層を介して電気的に結合され、並列に接続されているように振る舞い、したがって、これらの活性ゾーンのそれぞれで吸収された光子からのアバランシェ光電流への寄与は足し合わされる。ＡＰＤ出力電圧を、整数個のゲート信号によって遅延された電圧と比較する自己差分回路が、使用される。結果は、非常に弱い信号を、全デバイス電流を飽和させない本発明の実施形態に従うシステムで検出することができる、ということである。生成された信号は、吸収された光子数に依存すると示される。
ＡＰＤでは、最大の動作速度は、作用面積のサイズに強く依存する。上記の実施形態に従うシステムは、作用面積のサイズが増加されることを可能にする。
さらに、増加する光子数に伴って統計的な広がりにより発生する測定された光子数におけるエラーは、減少する。
上記の実施形態に従うシステムでは、単一ＡＰＤメサのみからなる装置としては、集積回路は必要ではない。メサでは、複数の活性ゾーンは単一のヘテロ構造層を介しかつ別個の回路は介さないで結合する。したがって、これらの活性ゾーンは、一連の離散的な複数のダイオードによってではなく、電場分布の観点から定義される。
上記の実施形態に従うシステムでは、ＡＣおよびＤＣのバイアスを使用して、ＡＰＤは周期的に破壊より上でバイアスされ光に敏感な状態になる。クエンチング（quenching）は検出器のバイアス周期の低い電圧部分でのゲーティングを介して受動的に達成される。
上記の実施形態のシステムは、クエンチング回路、高濃度にドープした領域間での電気的な回路接続あるいは復帰時間を必要とせず、それを高スピードで動作することができる。
この高速動作によって、高濃度にドープした隣接した範囲から光生成された光子の吸収による光学的な漏話（cross-talk）が抑制されることが可能になる。さらに、電気的な漏話も、チップに搭載される電子部品がないことにより否定される。したがって、幾何学的な充填率も、高電場ゾーン（高濃度にドープした領域）の間での電気的な結合が単一の半導体層を介して、電子部品を必要とせずに達成されるという事実によって増加する。
さらに、高速動作は、増幅チャネルが飽和してそれ故リセットを必要とする場合であるかを決定する電子機器に対する要求を否定する。
上記の実施形態のシステムは、可視／短波長、赤外／近赤外波長（３００−３０００ｎｍ）での光子数検出器として操作することができる。
上記の実施形態に従うシステムは、良い光子数分解能、高い幾何学的な充填率を提供するために領域が密接して配置されることを許容する、高濃度にドープした領域間での低漏話、低ダークカウントノイズ率、低アフターパルス率、低タイミングジッタ、および高ダイナミックレンジを示すことができる。
システムは外部時計に同期されてもよい。さらに、システムは高度にコンパクトになることができ、安く、拡張可能に、チップ上に集積するために適合して、標準的な製作テクノロジーを使用することができる。
図７は、自己差分器出力Ｖｓｄの関数としてプロットされた信号確率に起因する、測定された統計を示す。
確率分布は６００万のサンプルから得られ、速いディジタルオシロスコープを用いてリアルタイムで累積する。
０ｍＶのピーク７０１は、光子が検出されなかったゲートからの０光子寄与に相当する。
この特徴の幅（〜７ｍＶ）は、図３を参照して記述した自己差分器回路の不完全なキャンセルによりダイオードの容量性応答の残余の成分に起因する。
５３．０ｍＶ付近の特徴、ピーク７０３は、１つの光子の吸収から発生する複数の信号に起因し、９１．８ｍＶ、１２０．０ｍＶおよび１４０．４ｍＶでのピーク７０５、７０７および７０９は、それぞれ２つ、３つおよび４つの光子の検出に対応する。
これらの特徴のほぼ線形の間隔（sub-linear spacing）は、入射光子数でのＡＰＤの飽和していない自己差分器出力の線型依存性が、ダイオードの全面的な直列抵抗によって影響を受けるという証拠である。
図８は、１および２光子ピーク８０３および８０５はｍＶでの自己差分化出力に対して０光子ピーク８０１から完全に分離される、出力信号（灰色の円）の測定された確率分布を示す。
これは、ＡＰＤゲート３１５に関する光子の到達時刻と、自己差分化条件、バイアスＶｄｃ３１１およびＶａｃ３０７とを調整することによって達成される。黒い点の曲線は、ガウシアンを使用したフィットに対応し、それぞれの光子ピークを記述する。ピークの複数の範囲は、検出された同じ光子フラックスに関する源のポアソン統計によく合う。
光子数分解能は、隣接した複数の光子数状態８０１、８０３、８０５の間での数的なオーバーラップに関して定量化され、自己差分化出力電圧Ｖｓｄ３３３から入射光子数εＮを判定する際のエラーに対応する。計算値は、記述されたバイアス条件に関して、ε０＝２．２ｘ１０−８％、ε１＝１．１ｘ１０−２％およびε２＝４．３ｘ１０−３％に対応する。
図９は、検出された光子フラックスμでの自己差分ＥＦＤ−ＡＰＤ光子数検出器からの出力の依存を確認するグレースケール画像を示す。
ここで、確率は、光子フラックスμおよび自己差分器出力Ｖｓｄ３３３の関数としてページから出て来てプロットされる。
ホワイトは高い強度に相当し、また黒は低い強度に相当する。０光子ピーク９０１の平均電圧位置は固定されているが、１，２，３，および４光子ピーク（それぞれ９０３、９０５、９０７および９０９）の平均位置は、増加した光電流によって引き起こされるサンプルヒーティングが原因となって、光子フラックスの増加と共に僅かに低い電圧にシフトする。
ピークの相対強度は、検出された光子フラックスの関数として、源のポアソン統計によく合う。
図１０は、印加されたＤＣのバイアス（２６．９５Ｖから２９．３５ＶまでのＶｄｃ３１１）の関数として、固定された入射光子フラックスに関して測定された、確率分布を示す。複数の光子数ピークの平均電圧が、より低いＮに関して完全に解明することを可能にする強化された分離に対応する印加されたＤＣバイアス３１１と共に強く増加することは明らかである。
図１１は、図１０に示されたアバランシェ確率分布に対応する印加ＤＣバイアスＶｄｃ３１１の関数として、０、１、２、３、および４光子ピークの平均電圧を示す。我々は、活発なＡＰＤ接合にわたる電場の依存に従って、各特徴に関する依存が線型であることを明らかにする。
図１２は本発明のさらなる実施形態に従うシステムを示す。
ここで、図３の電線３２７および３２９は、パワースプリッター３２５の２つの出力（１２０５、１２０７）のうちの１つ（１２０５）で１８０度の位相ずれを生成するように、位相シフター１２０１に置き換えられる。１８０度位相シフターは、信号インバーターとして動作する。
図３の信号差分器３３１は、その関数が２つの信号を加算する信号コンバイナー（signal combiner）１２０３に置き換えられる。
それらは１８０°の相対的な位相シフトがあるので、これはＡＰＤの容量性応答を取り消す効果がある。
これは、前の説明で述べられたものと同様の方法で、弱い複数のアバランシェの検出を許容する。
図１３ａは、本発明のさらなる実施形態に従って熱電冷却器１３０７上に搭載されたアバランシェフォトダイオード３１７を示す。図１３ｂは、９０°回転された図１３ａのシステムを示す。
熱接触は銅ヒートシンク１３０３および導電性ねじ１３０５によってパッケージにされたデバイス１１７のケースに提供される。Ｔ＝−３０℃の温度が一般に用いられる。
サンプルへの光学的接続は光ファイバーピグテール１３０１によって提供される。光信号はレンズ１３０９を用いて焦点がずらされ、それは、ＥＦＤ−ＡＰＤを具備する高い場の活性領域の構造にわたって信号が拡散的に分散されることを可能にする。ＳｉＡＰＤ、Ｖａｐｄ３１５およびＶｏｕｔ３２１への電気的なアクセスは、金属ピンによって提供される。
ある実施形態では記述されているが、これらの実施形態はほんの一例として示されており、発明の範囲を制限するようには意図されない。実際、本明細書で記述された新しい方法およびシステムは様々な他の形式で具体化されてもよい。さらに、本明細書で説明される方法およびシステムの形式では様々な省略、置換および変さらは、発明の精神から外れずになされてもよい。添付のクレームおよびその均等物は、発明の範囲および精神内にあるように、そのような形式あるいは変さらをカバーするように意図される。
Claims (19)
- アバランシェフォトダイオードを具備する光子検出システムであって、
前記アバランシェフォトダイオードは、第１導電型を有する第１半導体層と第２導電型を有する第２半導体層とから形成されたｐｎ接合を具備し、
前記第１導電型はｎ型またはｐ型から選択され、前記第２導電型は前記第１導電型とは異なりかつｎ型またはｐ型から選択され、前記第１半導体層は第１導電型のドーパントでドープされるドープ層であり、
低い場の複数ゾーンに囲まれた高い場の複数ゾーンの複数のアイランドを第１層が具備するように、第１導電型のドーパントの濃度に変化があり、高いおよび低い場の複数ゾーンは、ｐｎ接合の平面で横方向に分布していて、ドーパント濃度は、高い場の複数ゾーンでは低い場の複数ゾーンよりも高く、
前記システムは、さらにバイアス部を具備し、前記バイアス部は、時間に関して静的である電圧、および時間変動する電圧を印加する光子検出システム。 - 前記第２層は、前記第１層と境界を接して、前記第１層の高い場および低い場の複数ゾーンの両方でｐｎ接合を形成する請求項１の光子検出システム。
- 前記高い場の複数ゾーンは、ｐｎ接合の全範囲の０．５以上の幾何学的な充填率を有している請求項１の光子検出システム。
- 隣接する高い場の複数ゾーン間の最短距離は、５μｍ以下である請求項１の光子検出システム。
- 前記高い場の複数ゾーンは、前記第２半導体層を介して電気的に結合される請求項１の光子検出システム。
- 複数の高い場のゾーンは、均一な電気ポテンシャルの単一層によって接続されている請求項１の光子検出システム。
- 前記高い場の複数ゾーンは、側方のサイズおよび形が同一である請求項１の光子検出システム。
- 前記アバランシェフォトダイオードは、光子パルスが受け取られる場合、アバランシェ効果を受け、前記システムは、受け取った光子パルスの中の光子数を判定するために前記アバランシェイベントを測定する計数回路をさらに具備する請求項１の光子検出システム。
- 前記計数回路は、前記アバランシェイベントの測定を多数の所定レベルと比較する弁別器を具備する請求項８の光子検出システム。
- 前記アバランシェフォトダイオードからの出力信号を受け取り、前記出力信号から時間変動成分を取り除くために前記出力信号を処理する出力回路をさらに具備する請求項１の光子検出システム。
- 前記時間変動成分は周期的であり、前記出力回路は、あるサイクルでの前記アバランシェフォトダイオードの前記出力電圧を、前の周期での出力電圧と比較する請求項１０に記載の光子検出システム。
- 前記出力回路は、
前記信号を２つの部分に分離する信号分割器と、
ある部分を他の部分に対して遅延させる電線と、
前記２つの部分間での差を出力する信号差分器と、を具備する光子検出システム。 - 前記バイアス回路は、前記アバランシェフォトダイオードの破壊電圧よりも上である高い部分と、前記アバランシェフォトダイオードの破壊電圧よりも下である低い部分とを有するように前記時間変動成分を印加し、前記電圧成分の前記高い部分の時間は、全装置のアバランシェ電流が飽和しないように十分短い、請求項１の光子検出システム。
- 前記出力回路は、帯域阻止フィルタを具備する請求項１０の光子検出システム。
- 前記アバランシェフォトダイオードにわたって入射光を一様に分散させるレンズおよびコリメーションオプティックスをさらに具備する請求項１の光子検出システム。
- 前記バイアス回路は、前記検出器を介して全電流が飽和する時間よりも短い前記時間変動成分の前記高い部分に印加する請求項１３の光子検出システム。
- 光子検出システムを製造する方法であって、
次によってｐｎ接合を形成することを具備し：
第１導電型を有する第１半導体層を形成すること、
ここで第１半導体層は第１導電型のドーパントでドープされたドープ層であり、低い場の複数ゾーンに囲まれた高い場の複数ゾーンのアイランドを第１層が具備するように第１導電型のドーパントの濃度に変動があり、ドーパント濃度は、高い場の複数ゾーンでは低い場の複数ゾーンよりも高く、高いおよび低い場の複数ゾーンはｐｎ接合の平面で横方向に分布していて；
前記第１半導体層に接して、第２導電型を有する第２の単一半導体層を形成すること、を具備し、
ここで第１導電型はｎ型またはｐ型から選択されるものであり、第２導電型は第１導電型とは異なりかつｎ型またはｐ型から選択され、
方法は、時間に関して静的である電圧と時間変動する電圧をｐｎ接合にわたって印加することをさらに具備する方法。 - 前記第１半導体層を形成することは、より低いドーパント濃度を持った物質の中へより高いドーパント濃度の物質を埋め込むために、ガス浸漬レーザーのドーピング、イオン注入または拡散を使用して、前記高い場の複数ゾーンを形成することを具備する請求項１７の方法。
- 前記第１半導体層を形成することは、第１型のより高濃度にドープした物質がエピタキシャルに沈着する第１型の半導体物質へ複数のピットをエッチングすることによって前記高い場の複数ゾーンを形成することを具備する請求項１７の方法。
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