TW200300614A - Avalanche photodiode for photon counting applications and method thereof - Google Patents
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Description
200300614 A7 B7 五、發明説明（） 發明領域匕 本發明係關於崩潰光二極體及光子計數之技術。 發明背景=_ 崩潰光二極體（APD)係將光訊號轉換成電子訊號的 習知感光元件。APD之行為類似標準光二極體，因為APD 和光二極體均將光能轉變成電子訊號。然而，APD額外 納入存在於其内部的增益機制而使感光性更高。換言 之，在習知的-η光二極體中，單一先子被轉換成一個 電子-電洞對；在APD中，單一光子能被吸收而形成多個 電子-電洞對。然而此倍增現象會使APD之輸出產生不需 要的雜訊。因此，APD的研發人員及製造者持續致力於 開發一種具高感性並能降低雜訊的APD。 第1圖描繪一種經過簡化的崩潰光二極體 (APD)IOO。雖然第1圖所示APD 100為蝕刻高台型 (etched mesa-form)，但在此討論的整體内容同樣適用於 體型平面。APD 1〇〇包含：一 p-lnp基材1 1〇 ; 一 p-jnp 緩衝層120及一 n-InP層130，其形成寬能帶間隙倍增 區；一中間能帶之n-InGaAsP階段層咸能帶間隙轉變層 140 ;以及一 n-InGaAs窄能帶間隙吸收層150。中間能帶 間隙轉變層140係為降低倍增區130與吸收區150之界 面上的電荷累積。層105和1 15為接點，其可由AulnZn 或AuSn製成。在此例中，光子hv係在基材側邊被收集。 第1圖所示APD 100為分隔吸收倍增型（SAM)崩潰 第4頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ^4· 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 200300614 A7 ___ B7 五、發明説明（） 光二極體。亦即利用窄能帶間隙InGaAs材料丨5〇來建構 APD吸收區，以便能獲得對紅外光具更高的感光性。若 採用能帶間隙較寬的材料（例如InP)來建構吸收區，將無 法獲得對紅外光具相當感光性的APD。同樣地，為了在 APD倍增區1 3 0獲得足夠的增益性質，利用寬能帶間隙 半導體當作倍增材料最為理想；以Inp為例，其能透過 電場輔助方法（穿隧效應）來支援達到電荷倍增效果所需 要的強電場，而不會產生過多不需要的載子。在上述情 況中，載子之光形成過程發生在吸收區的最佳材料内， 且不會在倍增區發生。最後，由於SAM APD含有兩種不 同的半導體材料，一或多中間能帶間隙材料階段層14〇 可用來避免電荷載子陷入現象，否則會在不同區域13〇 與1 5 0間的異質界面上發生電荷陷入現象。 APD之倍增雜訊為APD倍增介質内的電洞離子化常 數與電子離子化常數比率k之函數（k==p/a)。然而應注意 的是，在某些出版刊物中，k為電子離子化常數與電洞離 子化常數之比率k ’即k = a/p。無論如何，除非另有明確 指示，否則在此揭露内容中的k = p/a。在一系列論文中， McIntyre等人證明：若要改善APD之性能，吾人必須盡 可能降低k值。例如，McIntyre等人證明：k值接近i 的APD會有較小的增益能帶寬度，而k值較低（遠小於 1)的APD則會有較大的增益能帶寬度。
McIntyre，R.J·， 「均向崩潰光二極體之倍增雜訊 (Multiplication Noise in Uniform Avalanche Di〇des)」， 第5頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公釐) 、可 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 200300614 A7 B7 五、發明説明（） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) IEEE Transaction on Electron Devices, ED 13, 164-168 (1966) ; McIntyre R· J·，「衝擊離子化新觀一第一部：增 益、雜訊、崩潰機率與頻率響應之理論（A New Look at Impact ionization - Part I: A Theory of Gain, Noise, Breakdown Probability，and Frequency Response)」，IEEE Transaction on Electron Devices, 46， 1623-163 1 (1999); Yuan，P·，Anselm，Κ· A·，Hu，C·，Nie，H·，Lenox， C·，Holms，A· L·，Streetman，B. G.，Campbell, J· C·，and McIntyre，R· J·，「衝擊離子化新觀一第二部：短崩潰光 二極體之增益及雜訊（A New Look at Impact Ioni'zation -Part II: Gain and Noise in Short Avalanche
Photodiodes)」’ IEEE Transactions on Electron Devices， 46， 1632-1639 (1999)。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 以上著作引導研究人員尋求能運用在APD倍增區的 低k值材料及結構。例如，Campbell等人已證明：利用 非常薄的倍增區可大幅改進雜訊及增益能帶寬之效能。 Campbell等人強調：InP之電洞與電子離子化比率約等於 1(即k=l)，因此’ InP APD具有高倍增雜訊。Campbell 等人提出一種具In0.52Al0.48As薄（20Qnm-400nm)倍增區 的APD，結果呈現k = 0· 18。然而Campbell等人同時強調： 使倍增區變薄時’必須附帶增加倍增區内的載子濃度。 否則，窄能帶間隙吸收層内的電場可能會過高而產生穿 隧效應，並導致過多的暗電流。
Campbell，J.C·，Nie H·，Lenox，C·，Kinsey，g·，Yuan， 第6頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210乂297公愛） 200300614 A7 B7 五、發明説明（） P., Holmes, A. L., Jr. and Streetman, B. G. » 「高速共振 腔 InGaAs/In A1 As 崩潰光二極體（High Speed (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
Resonant -Cavity InGaAs/InAlAs Avalanche
Photodiodes)」，IEEE Journal of High Speed Electronics and Systems 10，327-337 (2000) ; Campbell，J· C·，
Chandrasekhar， S.， Tsang， W. T·， Qua, G. J·， and Johnson, B. C .，「寬能帶 InP/InGaAsP/InGaAs 崩潰光二 極體之倍增雜訊（Multiplication Noise of Wide-Bandwidth InP/InGaAsP/InGaAs Avalanche Photodiodes)」，Journal of Lightwave technology 7, 473-477，（1989) ; Kinsey，G. S·，Hansing，C. C,，Holmes， A. L. Jr.，Streetman，B. G·，Campbell，J. C·，and Dentai， A. G·，「波導 In0.53Ga0.47As-In0.52Al0.48As 崩潰光二極體 (Waveguide In〇,53 Ga〇.47 As-In〇. 52 A1〇.4b As Avalanche 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
Photodiode)」’ IEEE Photonics Technology Letters 12, 416-418 (2000) ; Kinsey，G. S·，Campbell，J. C·，and Dentai，A. G· ’ 「在1.55 m操作具增益頻寬320 GHz之 波導朋潰光二極體（Waveguide Avalanche Photodiode Operating at 1.55m with a gain-Bandwidth Product of 320 GHz)」’ IEEE Photonics Tachnology Letters 13, 842-844 (2001)。 APD有兩種操作模式：線性模式及崩潰模式，後者 常被稱為蓋革（Geiger)模式。在線性模式中，apd之偏壓 低於其崩潰電壓；APD之輸出光電流正比於衝擊吸收區 第頂 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(2i〇x297公釐) 614 03 200 A7 B7 發明説明（ 150的光強度，而且正比於倍增區13〇内的apd增益。 在蓋革操作模式中，APD之偏壓高於其崩潰電壓。在此 種操作模式中，單一光子能夠導致崩潰而產生流過元件 的可偵測電流，而後仍處於傳導狀態。因此，在蓋革模 式中的輸出訊號振幅為常數，而且與吸收到的光子數目 不成正比。無論如何，蓋革模式讓APD能作為單一光子 偵測之用。 在各種用途當中，APD係用於债測單一光子。各式 應用均需要準確偵測單一光子。摘測切換半導體元件所 產生的光子放射係其中一種應用。特別是在積體電路（IC) 當中，此種放射之偵測可用來測試、偵錯及測定此類元 件之特性。一種能偵測此類放射的系統已描述於美國專 利申请案第09/995,548號’該申請案與本案具共同受讓 人’在此以引用方式併入前揭案之完整内容。其它系統 已描述於如美國專利第4,680,635號、第4,811，090號、 第 5,475,3 16 號、第 5,940,545 號、第 5,208,648 號、第 5,220,403號；以及Khurana等人之「門控放射顯微鏡所 引發之熱電子問題分析（Analysis 〇f pr〇duct Hot Electron Problem by Gated Emission Microscope)」， IEEE/IRPS (1986);在此以引用方式併入上述參考資料之 完整内容。 由上述參考資料可知’大量人力物力已投入尋求改 善APD，期能提昇APD在各種應用場合（包括單一光子 偵測）之效能。 第8頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) .......I......I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、可 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 200300614 五、發明説明（
I 發明目的及概沭： 本發明提供改良式崩潰光二極體（APD)結構及APD 操作方式之改良，其對單一光子偵測應用尤有助益。本 發明之基本原理係基於下述事實之瞭解··雖然習知技術 教示盡可能降低k值來減少ApD所產生之雜訊以增加其 操作能帶寬度，但k值約等於丨的ApD事實上對單一光 子偵测應用有所助益。因此，本發明之一技術形態提供 〜種單-光子偵測用之ApD，其中該APD之建構方式能 獲得高k值一例如約等於1。 在-實施例中，一種APD包含一吸收區及一分隔的 倍增區中該倍增區之電洞與電子離子化常數比率一 即k值一約等於卜在一具體實施例中，上述倍增區包含 一摻雜InP層。在其它實施射，倍增㈣由k值接近i 的材料所製成，例如k值為〇·82的Ga。uIn。8山。心… 在本發明之一技術形態中，一種APD包含：一吸收 區，一中間能帶間隙轉變層；一電場控制 值約等…倍增區。上述電場控制層之:計 產生一電場縮減量，使得該吸收區之電場約 ^lOV/μιη，同時使該倍增區之電場維持在大於其崩产 場的程度。 視 在本發明之另一技術形態中，一種APd包含··一 收區；一倍增區；一中間能帶間隙轉變層；以及—電 控制層。上述電場控制層之設計能產生一電場縮減量 讀 k 為 電 吸 場 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） 200300614 A7 B7 五、發明說明（） 該電場縮減量等於該倍增區之崩潰電場加上或減去該吸 收區的穿隧侵入電場（tunneling onset field)之一半。在 此，穿隧侵入電場定義為造成過度穿隧效應的場值，其 會導致多至無法接受程度的暗電流。穿隨侵入電場為吸 收區内之能帶間隙強作用。Campbell 等人在 In0.53Ga0.47As吸收層使用2〇ν/μιη。在本發明之各式實施 例中，本案發明人發現InGaAs吸收層之穿隧侵入電場約 為 1 0V/μηι 〇 將上述電場控制層設計成能產生一電場縮減量，且 該電場縮減量等於該倍增區之崩潰電場加上或減去該吸 收區之穿隧侵入電場之一半，其理由有二：第一，在製 造元件時，通常電場控制層之摻雜量不準確，而此為製 程之容限。第二，當APD以蓋革模式進行操作時，倍增 區内的電場會提升到超過崩潰場的程度，以便能產生崩 潰效應。此時，吸收區内的電場一增加量與倍增區内相 同一必須保持為正電場以維持感光性，且絕對不能超過 崩潰電壓，以避免產生過多的穿隧暗雜訊。 在本發明之另一技術形態中，一種APD包含：一吸 收區；一倍增區；一中間能帶間隙轉變層；以及一電場 控制層。上述電場控制層摻雜有一摻雜物，並被設計成 能在超過該電場控制層之厚度上產生一電場縮減量，且 該電場縮減量等於該倍增區之崩潰電場加上或減去 5ν/μιη。 在本發明之另一技術形態中，一種APD包含·· 第順 ..............I C請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、?τ· 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 社 印 製 200300614 A7 B7 五、發明説明（） 收區，一倍增區；一中間能帶間隙轉變層；以及一電場 控制層。上述電場控制層之設計係使其摻雜物濃度與其 厚度之乘積能產生一電場縮減量，且該電場縮減量等於 該倍增區之崩潰電場加上或減去約5ν/μηι。 在本發明之另一技術形態中，其提供一種APD包 含·一吸收區；一倍增區；一中間能帶間隙轉變層；以 及一電場控制層。上述電場控制層之設計能產生一電場 縮減量，該電場縮減量連同該倍增區之電場縮減量，能 使總場縮減量等於該倍增區之崩潰電場加上或減去該吸 收區之穿隧侵入電場。 ， 在本發明之另一技術形態中，其提供一種能有效偵 測單一光子之方法，該方法包含建構一 APD ,該APD有 一吸收區、一倍增區，以及一電場控制層。此種方法包 含：摻雜該電場控制層，以產生一電場縮減量，該場縮 減量等於該倍增區之崩潰電壓加上或減去約5ν/μπι。上 述方法另包含：在該APD上施加一電位以引發該倍增區 上的電場，並超過該崩潰電場。 在本發明之另一技術形態中，其提供一種偵測半導 體元件所射出之光子的系統。此種系統採用一 APD偵測 β ’該A P D偵測器有一吸收區、一倍增區，以及一電場 控制層。上述電場控制層之設計係使其摻雜物濃度與其 厚度之乘積能產生一電場縮減量，且該電場縮減量等於 該倍增區之崩潰電場加上或減去約5ν/μπι。 熟習相關技術者於參酌以下說明與後附圖式後，當能 第1頃 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210Χ 297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 费· 、1Τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 200300614 A7 B7 五、發明説明（） 瞭解本發明之其它技術形態及特點 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖式簡輩説明： 本發明係參考具體實施例加以說明，此等實施例顯示 於圖式。然而應暸解的是，圖式當中所描繪的各式實施例 僅為舉例之用，而不應視為本發明之限制條件；本發明之 範圍係由後附申請專利範圍予以界定。 第1圖為餘刻高台型APD之概要圖。 第2a圖為發生於k = 0的APD之倍增過程；第2b圖為發 生於k = l的APD之倍增過程。 ， 第3a圖為利用蒙地卡羅（Monte cari〇)模擬得到在k = 〇 2 時的崩潰形成時間圖；第3b圖為利用M〇nte Carl〇 模擬得到在k= 1時的崩潰形成時間圖。 第4a圖為習知APD之概略圖，另伴隨一圖形示出該ApD 各區所對應的電場；第4b圖為根據本發明實施 所建構的APD之概略圖，另伴隨一圖形示出 APD各區所對應的電場。 第5圖為各種不同層之概要圖，該等層建構出本發明 A P D實施例。 第6圖為光子計數裝置之概要圖，該裝置採用根據本發 明之實施例所建構的APD。 第7a圖為電子電路之電路圖，該電子電路能在蓋革模 下操作根據本發明之一實施例所建構的ApD ; 7b圖為第7a圖所示電路當中出現的各電位之圖 第12頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇χ297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 例 該 之 式 第 200300614 A7 B7 五、發明説明（） 示。 圖號對照說明： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 100 崩潰光二極體（APD) 105 層 110 p-InP基材 115 層 120 p-InP緩衝層 130 n-InP層（倍增區） 140 階段層 150 吸收層 400 APD 500 基材 510 緩衝層 520 吸收層 530 吸收層 540 階段層 。 550 控制層 560 倍增層 570 轉變層 580 金屬層 600 腔室 _ 605 自動化測試設備（ATE) 610 待測元件（DUT) 615 測試台 620 聚光元件 625 配接器 630 照射源 635 面鏡 640 聚光系統 645 成像器 650 紅外感光偵測器 655 電子裝置 660 分光器 665 分光面鏡 670 光孔 675 台座 680 電腦（控制器） 685 開口 695 視野鏡（透鏡組） 700 APD 710 差動放大器 第13頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 200300614 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7五、發明説明（） 發明詳細說明： 儘管相關技術領域内的工作人員持續追求具低k值 的APD，本案發明人已發現：以蓋革（Geiger)操作模式為 例，對單一光子偵測應用（例如光子計數）而言，k值約等 於1的APD事實上更符合需求。為了解上述事實，首先 檢視APD之k值等於0與k值等於！的操作情況。第以 圖為發生於k = 0的APD之倍增過程；第2b圖為發生於 k=l的APD之倍增過程。在第2a圖與第孔圖中，以空 圈表示電洞，電子則以實圈來表示。頂軸代表進入倍增 區的厚度，左侧由上至下的軸線代表時間。 ， 在第2a圖中’電子ei進入倍增區並衝擊離子化而 生電子-電洞對e-h。由於在此例中k = 0，電洞^無法 擊離子化，所以電洞h行進到左邊而離開倍增區。因此 現在有兩個電子行進到右邊，且各電子再次衝擊離子 而產生另外兩個電子-電洞對。兩個電洞行進到左邊並 開該區，四個電子則行進到右邊而可能會再次造成離 化。在此種情況下，注入到倍增區的單一電子將會掃 該區’並沿路收集更多電子，因而許多電子約略在相 時間離開該區並形成一訊號。應注意的是，由於二維 式之限制的緣故，第2a圖中的時間標示有某種程度上 誤導。無論如何，依照以上之解說，讀者當能確知進 左邊的單一電子會造成許多電子約略在同一時間從右 離開。 在第2b圖中，電子進入倍增區並衝擊離子化而 第14頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) 產 化 離 子 過 同 圖 的 入 邊 ..............磬......…、一叮......... (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 200300614 A7 ---—___B7 、發明説明（） 產生電子·電洞對e_h2 ^由於此時k=l，電洞正如電子一 樣會衝擊離子化。因此，當電洞h行進到左邊時，其會 衝擊離子化並產生另-電子·電洞對，即如同行進到左邊 的電子衝擊離子化並產生一個電子電洞對一般。如此一 來，成群的電子將會連續地從右邊離開。換言之，在此 例中可觀察到帶電粒子能在情況穩定之冑「嗔療」來回 行進。因此，由於倍增時間較長的緣故，此偵測器之頻 率響應較低。&外，在此例巾，若偵測器在蓋格模式中 產生偏壓，此過程將不會「自我平息」，且帶電粒子之 形成會變成流過偵測器的可偵測崩潰電流。， 參照第2a圖與第2b圖，本案發明人發現：當k=1 時，崩潰效應發生最迅速且最不具隨機性（即不穩定狀態 (Jitter))。此項發現之重要性在於：儘管研究人員一直在 哥找低k值偵測器以減少雜訊，但本案發明人瞭解到， 右吾人利用k=l的倍增區，則能改善單一光子偵測所用 的偵測器之時脈準確度。換言之，雖然k = 〇與k==1兩者 均扣出光子偵測之時脈，但k=1時能提供較低的隨機性， 因此能提供較準確的時脈。 此項結果圖示於第3a圖與第3b圖，各圖係利用 Monte Carlo模擬所描繪的崩潰形成時間圖。在第圖 與第3b圖中，倍增區厚度設定為lOOOnm。然而在第3a 圖中，k值被設定為〇·2;在第儿圖中，让值被設定為1〇。 吾人可觀察到：k=l時在崩潰形成時間内的不穩定情況遠 低於k = 0.2時的不穩定情況（39 9ps相於65 〇p 因 第15頁 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS)A4規格(210x297公复) ..............Ac: (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 200300614 A7 ____ B7_ 五、發明説明（） 此，對準確的光子時脈而言，k=1的ApD能提供較佳的 準確度。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在本說明書中，不穩定度（jiUer)定義為事件發生精 確時間的不確定性。換言之，不穩定狀態即為偵測器對 事件發生時間之「報告」的不確定性。更確切而言，若 光子在時間t = 0時進入偵測器，則偵測器之響應一即偵測 訊號一將會出現在稍後的時間T。若重複數次，吾人將會 發現時間T有些許變化。此變化在此稱為不穩定度。基 本上’不穩定度係由APD内部的電子所造成；每當偵測 到一個光子時，電子會沿不同路徑行進，因而導致從崩 潰至形成所耗用的時間變化。在本說明書中，不穩定度 係測量為分布之半功率頻寬（FWHM)。觀察第3b圖之模 擬結果可知，利用本發明之設計能使不穩定度降低至 3 9_9ps。在實際操作當中，習知APD之不穩定度超過 1 〇〇ps ;然而，若利用本發明之設計，本案發明人已證明 APD 之 jitter 為 80ps—甚至小於 65ps。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另一項研究結果發現到：對k值約等於1的倍增區 而言’大部分的時間不穩定度係起因於崩潰區内的倍增 形成時間，而不是起因於APD吸收區内的轉變時間變 化。若要暸解此項結果，可考慮載子通過APD結構的轉 變時間。舉例來說，當吸收區所產生的载子行進到倍增 區時，其只會通過吸收區一次。然而’到達倍增區後， 載子會「喀嚓」來回行進（如第2b圖所示）統計上無法確 定的次數而形成崩潰電流。因此，APD上的轉變時間分 第16頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 200300614 A7 B7 五、發明説明（） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 散（即jitter)貢獻大部分由倍增區決定。故此，對光子計 數應用而言，如習知技術所教示者，必須建構較薄的吸 收區。此外，建構完整的吸收區能獲得較佳的量子效率。 事實上’以下將會詳細解說各式不同的高效率Apd，且 其不穩定度時間為g〇ps —甚至小於65ps。 如以上解說的發現及先前的報告，在蓋革模式中操 作APD會增加偵測器之雜訊。亦即，施加高過崩潰電壓 的電場來操作偵測器時，將會在吸收區產生過多的穿隨 電流。本案發明人已仔細探究在蓋革模式中操作APD來 進行單一光子之計數。吾人皆知，單一光子計數應用會 受到穿隧電流的不良影響，因為此效應會大幅降低儀器 的準確度。因此，本案發明人仔細探究APD内部產生的 電場並提供解決方案，其能以低穿隧電流進行蓋革模式 操作。以下將參照第4a圖與第4b圖解說此研究及解決 方案。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在第4a圖中，區塊400代表APD，其有一吸收層 AL(例如InGaAs)、一中間能帶間隙轉變層TL(例如 InGaAsP)，以及一倍增層ML(例如InP)。各層之相對厚 度僅為解說而任意選取。上述各層沿圖式之γ軸方向排 列，其代表APD主體上的位置。X軸代表施加在apd上 的電壓所產生的電場。線段4 1 0代表產生不能接受的穿 隧電流（即穿隧侵入電塲）之電場值。線段420代表倍增區 崩潰點之電場值。從APD之一般操作方式開始一亦即施 加在APD的電壓低於倍增區之崩潰電壓，形成的電場標 第17頁
200300614 A7 _ B7 五、發明説明（） 示為曲線430。如圖所示，由於施加的電壓低於崩潰電 壓’倍增區内的電場低於崩潰值。同樣地，吸收區内的 電場低於不能接受的穿隧電流值。此為習知技術研發人 員所尋求的「最佳」狀態，亦即APD之雜訊低且響應快 速。類似敘述請參閱Torbjoern Nesheim之碩士論文：「運 用朋潰光二極體之單一光子偵測」第3.4圖（可由 WWW·vad 1 .com/qcr/torbjoern 網址下载）。 然而’當APD在蓋革模式中操作時一亦即施加在 APD的電壓超過崩潰電壓，倍增區的電場會超過崩潰 值’如曲線440所標示。因此，吸收區内的電場亦增加 並超過可接受的穿隧電流值。對許多單一光子計數應用 而a ，此結果無法接受，因為雜訊程度將會過高。根據 本發明之一技術形態，為了獲得一種能在蓋革模式中操 作且具可接受雜訊程度的Apd，需要設計一摻雜電場控 制層CL(第4b圖），以便能「保護」吸收區，且同時能讓 倍增區内的電場超過崩潰值。第4b圖之曲線450呈現此 結果，其中電場控制層CL產生一電場縮減量，以使吸收 區内的電場維持在低值。 需注意的是’倍增區内的崩潰電場為倍增區厚度及 其構成材料之函數。因此，對任何一種ApD設計，吾人 可藉考慮倍增區之材料及厚度來決定其崩潰電場。對許 多常見材料而言（例如InP),其崩潰電場可輕易從文獻刊 物中查知。取得崩潰電場值後，控制層需加以設計， 使其此確保在蓋革模式中，吸收區内的電場能維持在低 第18頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公變) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 200300614 A7 __ B7 五、發明説明（） 於穿隨侵入電場的程度。若要達到此功效，APD需加以 設計’使得當APD在蓋革模式中的偏壓超過崩潰電位 時’倍增區電場與電場控制層電場之總電位降足以確保 吸收區内的電場低於穿隧侵入電場。電場之總電位降可 表示為： (方程式 1) AEt=AEml+AEcl 其中Δ Ετ為倍增區與電場控制層内電場之總電位降，△ Eml為倍增層之電位降，△ Ecl則為電場控制層之電位降。 需要的電場總電位降已證明為倍增區之崩潰電場加 上或減去吸收區之穿隧電流臨界場的一半，亦即，··
(方程式 2) △ET = Ebd土（1/2)E TC 其中Ebd為倍增區内的崩潰電場，ETC為穿隧電流臨界電 場一即穿隧電流侵入值。另一方面，倍增區與控制層内 的電場變化亦能以與其有關的因子加以表示： (方程式 3) Δ EMl= p ml e't/ ε (方程式 4) △ E c l = p c l e t / £ 其中P為層内載子密度，e_為電子電荷，t為層厚，^為 各層材料之介電常數。ML代表倍增層内的值，CL代表 關於電場控制層的值。在某些APD設計中，倍增區通常 未予以摻雜，因此會盡可能降低載子密度p ML。在此類 設計當中，△ EML遠小於△ ECL ;實際上所有電場縮減量 係由控制層CL連成。 倍增區材料及厚度之選定係依據倍增區之最佳效能 加以選擇。因此，對某一種倍增層設計而言，方程式3 第19頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 身. -訂· 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 200300614 A7 B7 五、發明説明（） 可用來決定倍增區之電場縮減量。此後，控制層需加以 設計’使其能提供所需要的額外電場縮減量。亦即： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) (方程式 5) △Eci^ZXEt-AEml 將方程式2代入，可得： (方程式 6) △ECL=Ebd±(l/2)ETC-AEML 然後將方程式4代入，得到： (方程式 7) p CL t = ( ε /e')[Ebd±(l/2)ETC-A EMl] 方程式7表出電場控制層摻雜量與厚度之乘積，使其能 在蓋革模式中以非常低的雜訊進行操作。 概括而言，吾人可利用由方程式7所得到的△ Eml 值。然而，當倍增區内的電場縮減量很小時（例如因為其 為標稱化本徵倍增區），或為了獲得較大的安全界線，吾 人可將△ EML設定為1，以使控制區内的電場縮減量等於 低雜訊操作所需要的總電場縮減量。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 方程式7所表示的關係已被用來建構本發明之APD 實施例。此種APD實施例係為光子計數應用而設計，並 採用InGaAs吸收層與經過摻雜的inP倍增層。第5圖繪 出根據本發明之實施例所建構的APD各層。第5圖所描 繪的各層可製成體型平面或蝕刻高台；圖中各層厚度僅 為舉例說明。基材500由n + InP製成；由n + InP製成的緩 衝層510沉積於基材500之上，或在其上長晶。吸收層 520 可由 i-lnGaAs 或 i-InGaAsP 製成；接著形成 n-InGaAs 或n-InGaAsP吸收層530。然後形成n-InGaAsP中間能帶 間隙階段層540。需注意的是，雖然此實施例係使用單一 第20頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） 614 03 200 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 發明説明（ 階段層，但其它實施例可視需要情況使用許多階段層， 使其能更平順地從低能帶間隙吸收區遷移到高能帶間隙 倍增區。習知技術已知，階段層係用於避免電荷陷在能 帶間隙不同的材料界面上。例如，可採用三層化學式為 GaxInhAsyPH的階段層而達此目的，其能帶間隙吸收係 數又c分別為1.1、1 ·3及1.5 /z m。形成階段層後，接著 為經過摻雜的控制層550—由n-lnp製成。控制層54〇之 摻雜量及厚度係利用方程式7之關係加以設計。倍增層 560由i-lnP製成；接著形成轉變層57〇一由pMnp製成。 金屬層580係作為電性接點。 ， 需注意的是，為使APD能在蓋革模式操作，元件上 必須施加較高的電壓，例如25-65伏。如此即能在apd 上形成高電場。然而，高電場會在吸收區52〇内誘發過 多的穿隧電流，進而產生無法接受的雜訊。所以在此提 供經過摻雜的電場控制層550。電場控制層55〇維持倍增 區内的向電場，但會「保護」吸收區52〇免受該電場之 影響。換言之，摻雜控制層550與其厚度之乘積（即peL) 的a又计方式能使吸收區5 2 0的電場維持在低於穿隧侵入 的程度。根據具體實施例，控制層55〇之摻雜-厚度乘積 為2.7x1 012cm 2 ;其厚度約0.1从m。在此實施例中，ApD 係在崩潰電壓上運作；吸收區的電場維持在5V//Zm，其 約為容許穿隧效應值10V/# m(以InGaAS吸收層為例）的 一半。在此實施例中’控制區550在其厚度上提供約4〇v/ V m的電場縮減量。 第21頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 、一一ΰ 200300614 A7 B7 五、發明説明（） 且 在其它實施例中，各式控制層之厚度設計為〇1〇^ Π1，摻雜量範圍為2·8_3 4xl〇i7cm-3。同樣地，在此等實 施例中，崩潰電壓時的吸收層最大電場略高於5v/以瓜。 另一方面，對上面摻雜範圍而言，吸收區之電場實際上 約為負4.5V//Z m。因此，此種APD能在高於崩潰電壓下 操作，而且能在吸收區維持非常低的電場，所以雜訊量 極低。舉例而言，在此實施例中所提供的較高摻雜量一 端，吾人可在超過崩潰電壓10¥///111之下操作ApD， 許 在 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 吸收區内的電場仍能維持在約5 v/ M m一此電場低於容 的電場10V/ β m。故此，InP場控制區之換，雜量 1016-1018cnT3 較佳。 在本發明之另一實施例中，其設計一種具第5圖所 示結構的APD，此種APD能在低於室溫之下操作。以較 理想的情況而吕’偵測器約在_ 1 5 0 °C操作；最後當inp 處理技術足夠先進時，此溫度為最佳操作溫度。然而， 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 目前因雜質使其不可能在此低溫下進行操作。所以在本 實施例中，APD之操作溫度被設計成_90至-40°C或-80 至-50°C。需注意的是，在上述溫度下，控制層550内的 摻雜物會凝結，致使電場控制層5 5 0喪失降低吸收層5 2 0 電場之效用。因此，根據本發明之實施例，控制層5 5 0 内的摻雜物濃度會增加，以補償凝結損失的摻雜物。根 據此實施例，控制層550之摻雜濃度範圍約2.5X101 6至 3.5xl018cm·3。 第22頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇X 297公釐) 200300614 A7 _______ B7 五、發明説明（） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 根據本發明之另一實施例，APD之建構包含第5圖 所示各層，但倍增層560係由高k值材料製成。 Ga0.18In0.82As0.39P〇.6i為適用於本實施例的高让值材料， 其k值為0.82。 第6圖為測試及除錯系統之主要部件概要圖，其中 該系統採用根據本發明之實施例所建構的APD。此系統 係與可購得的自動化測試設備（ATE)605共同運作。ATE 概括包含一控制器（例如預程式化電腦68〇)及一測試 頭，該測試頭包含配接器625，其以習知方式將控制器 680產生的訊號傳送到待測元件（Dut)610。確切而言， ATE係用於產生能刺激Dut的訊號，藉以執行晶片設計 人員為檢查及/或修正晶片所設計的各樣工作。控制器 680所產生的各種訊號經由配接器625傳送到DUT。配 接器625可包含習知的空間變壓器、DUT承载板及DUT 插槽。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在第ό圖所示實施例中，ATE測試頭置於振動絕緣 測試台615 ;其下方之腔室6〇〇覆蓋整個光學裝置、成像 及感測系統及X - Y台座6 7 5。此種配置能提供極大益處， 因其讓系統能與其它任何型式大小的ATE共用，而不會 干擾腔室600内的所有部件，亦毋須修改該等部件。此 外’ ATE可從上方放置待測元件，所以可透過開口 685 看到光學元件620。台座675能將聚光元件設於開口 685 内的任一位置。 第6圖所示系統各單元將參照其操作模式加以解 第23頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 200300614 A7 — B7 五、發明説明（） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 說概括而S ，上述系統在兩種模式中進行操作：導引 模式與偵測模式。說明當中的「導引模式」f則包括導 引、取得目標及成像。因此，在此將會交互使用此等用 語。在導引模式中使用照射源630來照射待測元件。照 射源630係利用如紅外雷射、鎢燈或鹵素燈發射出紅外 光。此光經過聚焦後，從待測元件反射而由聚光元件62〇 加以聚光，並可選擇經由分光器66〇導引到成像器645。 成像器645可為任何一種能使紅外光成像的二維偵測 器’例如攝像管（vidicon)。紅外光攝像管可自Hamamatsu 公司（http://usa.hamamatsu.com)購得。分光面鏡665係用 於將部分聚集而來的光偏向選用的聚光系統64〇。另一方 面，成像器645可用於聚光。 切換式面鏡635必須能選擇性地改變導引模式與偵 測模式之間的光路徑。為此目的，面鏡635可以機械方 式移動或旋轉，或者其可由能依照選定模式調整反射率 的主動元件製成，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。對旋轉實作而言，基材可 製成一半具穿透性、一半具反射性。此種基材可裝設旋 轉機構，並視需要情況將反射部或穿透部置入光路徑。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此外，機械式光孔670連同視野鏡695設於聚光元 件6 2 0之成像面。在此實施例中需注意的是，聚光元件 620之成像面在兩個位置上形成：在光孔670和透鏡組 6 95所在之處，以及偵測器所在之處。本實施例之特點在 於機械式光孔670係從後方被照射，並用於界定成像面 第24頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) 200300614 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（） 上的視域。換言之，吾人可依照需要執行的測試類型來 選定待測元件被照射的區域。使用错存在電腦輔助設計 軟體（例如Cadence)内的晶片設計及佈局圖，同時使用導 引軟體（例如可從 Knights Technology 公司 (www.electroglass.com)購得的 Merlin’s Framework)，吾 人即能選擇放射試驗所用的特定裝置。當使用者選定元 件或位置時，系統會啟用台座675，使聚光元件對準選定 的元件或位置之中心。接著調整光孔670來增加或縮小 視域，以適合特定測試所需要的視域。 完成設定適當的視域且影像聚焦後，面鏡63 5會旋 轉，以便能建立朝向紅外感光偵測器650的光路徑。此 外’在測試過程中最好關閉光源630或與其隔離。吾人 當能暸解，腔室600可防止任何外來的光到達包圍在其 中的任何光學元件、成像器或感應器。 偵測器650能在測試過程中進行光子感應，其中偵 測器650係根據上述實施例加以建構，並在蓋革模式下 操作。來自於彳貞測器6 5 0的訊號係由高速資料收集電子 裝置655進行取樣。控制器680(可為執行專用軟體的一 般用途電腦）係用於控制系統内的各式單元，例如台座與 樣本。控制器680接收來自於ATE 605的同步訊號。 第7a圖為電子電路之電路圖，該電子電路能在蓋革 模式下操作根據本發明之一實施例所建構的Apd ;第7b 圖為第7a圖所示電路當中出現的各電位之圖示。低於崩 潰電壓的電壓Vb施加在APD上，以限制雜訊量。接著， 第25頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNs)A4規格(210X 297公釐） ......................、可......... (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 200300614 A7 五、發明説明（） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 當預期會發生光子放射時（例如每個來自ATE的訊號）， APD上的電壓藉由脈衝產生器增加到超過崩潰電壓。脈 衝之時間長度τ可依照特定應用場合調整到需要的長 度。調整平行負載c，使得當APD7〇〇沒有偵測到光子時， 差動放大器710兩輸入端之電位相同。另一方面，若ApD 偵測到光子，且沒有發生崩潰情況，則通過ApD 7〇〇的 電流會比通過負載c的電流多，因而在差動放大器71〇 上會有偵測情況。 第7b圖顯示電路上的電位。γ軸代表電壓，χ軸則 代表時間。由於電壓和時間取決於特定應用場合而定， 因此圖中所顯示的尺度為任意選取。虛線代表倍增區之 崩潰電壓VBLVb為第7a圖之電壓供應器Vb所施加的 電壓，Va為差動放大器710之輸出電壓。如圖所示，在 第一時間週期，施加的電壓為Vb，其為低於崩潰電壓的 偏壓。然後，窗週期r藉著脈衝產生器所產生的電壓而 升至Vp。在第一窗中沒有偵測到光子，因此放大器71〇 之輸出維持不變。電位隨後降到偏壓Vb〇然後，脈衝產 生器幵> 成第二窗；在此週期，APD偵測到光子並發生崩 潰情況。因此，差動放大器輸出一脈衝。 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 在此，本發明已參照其實施例加以說明，然而熟習相 關技術者當能實施各式不同變更或修飾，而仍不脫離後附 申請專利範圍所界定之本發明精神及範圍。 第26頁
Claims (1)
- 200300614 ABCD 六、申請專利範圍 1 _種崩凊光二極體，設計用於單一光子偵測應用，其至 少包含： 一吸收層，界定一穿隧侵入電場； 至少一中間能帶間隙轉變層； 一電場控制層； 一倍增層，界定一崩潰電場； 其中’該電場控制層係設定用以產生下列其一： 該電場控制層内相當於該崩潰電場的電場縮減量；以及 該電場控制層内連同該倍增層内之電場縮減量，以提供相 當於該崩潰電場的總電場縮減量。 “ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)2·如申請專利範圍第i項所述之崩潰 ®體，具中上述 電場縮減量等於該崩潰電場加上或減去該吸收層之穿 随侵入電場的一半 訂 3·如申請專利範圍第2項所述之崩潰光二極體，其中上 吸收層穿隧侵入電場達到20V/ // m。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4·如申請專利範圍第2項所述之崩潰光二極體，其中上 吸收層穿隧侵入電場約5至10V/ μ m。 極體’其中上 ;·如申請專利範圍第1項所述之崩潰 電場控制層包含已摻雜的InP。 第27頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 200300614 ABCD 六、申請專利範圍 6·如申請專利範圍第5項所述之崩潰光二極體，其中上述 倍增層所界定的電子-電洞離子化常數約等於i。 (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 7·如申請專利範圍第6項所述之崩潰光二極體，其中上述 倍增層包含InP。 8·如申請專利範圍第5項所述之崩潰光二極體，其中上述 倍增層所界定的電子-電洞離子化常數約0.7至1.3。 9·如申請專利範圍第8項所述之崩潰光二極體，，其中上述 倍增層包含 GaxIni_xAsyPi-y。 10·如申請專利範圍第9項所述之崩潰光二極體，其中上述 倍增層包含 Ga〇.18In〇.82As〇.39P〇.6i。 11 ·如申請專利範圍第1項所述之崩潰光二極體，其中： 該吸收層包含InGaAs與InGaAsP其中之一； 該中間能帶間隙轉變層包含GaxIni-xAsyPi-y ; 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 該電場控制層包含n-InP ;以及 該倍增層包含i-InP。 12.如申請專利範圍第11項所述之崩潰光二極體，其中上 述中間能帶間隙轉變層包含化學式為GaJiM-xAsyPw的 三階段層，其能帶間隙吸收係數又c分別為1 ·1、1 ·3及 第28頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） 200300614 8 8 8 8 ABCD 六、申請專利範圍 1 ·5 e m。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 1 3 ·如申請專利範圍第11項所述之崩潰光二極體，其中上 述吸收層包含i-InGaAs與i-InGaAsP其中之一所構成的 第一吸收物，以及n-InGaAs與n-InGaAsP其中之一所 構成的第二吸收物。 1 4.如申請專利範圍第1項所述之崩潰光二極體，其中上述 電場控制層包含一特定厚度t與一特定摻雜量p，其滿 足下列關係式： ， P t = (e /e-) (Ebd±(l/2)ETc-AEML)； 其中ε為該電場控制層構成材料之介電常數；Ebd為 該朋潰電場；ETC為該吸收層内的穿隨電流臨界電場； △ EML為該倍增層之電位降，其值介於〇至Ebd〇 .15.—種崩潰光二極體，設計用於單一光子偵測應用，其至 少包含： 一吸收層，界定一穿隧電流臨界電場ETC ; 至少一中間能帶間隙轉變層； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一電場控制層，有一特定厚度t及一特定摻雜量p ; 一倍增層，界定一崩潰電場Ebd ; 其中，該電場控制層之特定厚度及特定摻雜量係被 選定藉以產生下列其一： 1· 該電場控制層内相當於Ebd土（1/2)ETC的電場縮 第29頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210χ 297公爱) ' '~ 200300614 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、申請專利範圍 減量；以及 u·該電場控制層内連同該倍增層内之電場縮減 量’以提供相當於Ebd±i/2ETC的總電場縮減量。 16·如申請專利範圍第15項所述之崩潰光二極體，其中上 述穿隨電流臨界電場ETC之值介於1至2〇ν/从m。 17·如申請專利範圍第15項所述之崩潰光二極體，其中上 述倍增層所界定的電子-電洞離子化常數約0·7至1<3。 18·如申請專利範圍第15項所述之崩潰光二極體，其中： 该吸收層包含InGaAs與InGaAsP其中之一； 該中間能帶間隙轉變層包含GaxIni_xASyPl y ; 該電場控制層包含InP ;以及 該倍增層包含InP。 9. 一種單一光子偵測系統，至少包含一聚光元件及一光子 偵測器’其中該光子偵測器包含一崩潰光二極體，設計 用於單一光子偵測應用，其至少包含： 一吸收層，界定一穿隧侵入場； 至少一中間能帶間隙轉變層，配置在該吸收層上； 一電場控制層，配置在該轉變層上； 一倍增層，配置在該電場控制層上，該倍增層界定 一崩潰電場； 第30頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公爱) .......................訂 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 8 8 8 8 ABCD 200300614 六、申請專利範圍 其中，該場控制層係設定用以產生下列其一： 該場控制層内相對於該崩潰電場之電場縮減 量；以及 該場控制層内連同該倍增層内之電場縮減 量，以相對於該崩潰電場提供一總電場縮減量。 2 0.如申請專利範圍第19項所述之崩潰光二極體，其中上 述電場縮減量等於該崩潰電場加上或減去該吸收層之 穿隧侵入場的一半。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 頃 3 第 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI458111B (zh) * | 2011-07-26 | 2014-10-21 | Univ Nat Central | 水平式累崩型光檢測器結構 |
Families Citing this family (54)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003168818A (ja) * | 2001-09-18 | 2003-06-13 | Anritsu Corp | 順メサ型アバランシェフォトダイオード及びその製造方法 |
| US20060222180A1 (en) * | 2002-10-15 | 2006-10-05 | Elliott Brig B | Chip-scale transmitter for quantum cryptography |
| US7087882B1 (en) * | 2002-10-31 | 2006-08-08 | Finisar Corporation | Controlling the dynamic range of an avalanche photodiode |
| WO2004100200A2 (en) * | 2003-05-01 | 2004-11-18 | Yale University | Solid state microchannel plate photodetector |
| US7202511B2 (en) * | 2003-08-21 | 2007-04-10 | Drs Sensors & Targeting Systems, Inc. | Near-infrared visible light photon counter |
| US7683308B2 (en) * | 2004-01-12 | 2010-03-23 | Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EFPL | Controlling spectral response of photodetector for an image sensor |
| US20050191058A1 (en) * | 2004-02-26 | 2005-09-01 | Hunt Jeffrey H. | High speed active optical system to change an image wavelength |
| US7067793B2 (en) * | 2004-06-07 | 2006-06-27 | The Boeing Company | High speed self-pixelating low light level optical system |
| US7045761B2 (en) * | 2004-06-21 | 2006-05-16 | The Boeing Company | Self-pixelating focal plane array with electronic output |
| US7009173B2 (en) * | 2004-06-22 | 2006-03-07 | Credence Systems Corporation | Lens mount integrated with a thermoelectrically cooled photodetector module |
| JP2006040919A (ja) * | 2004-07-22 | 2006-02-09 | Mitsubishi Electric Corp | アバランシェフォトダイオード |
| CN101002326B (zh) * | 2004-07-28 | 2012-07-18 | 量子半导体有限公司 | 与cmos单片集成的光子器件 |
| CN101232057B (zh) * | 2004-10-25 | 2012-05-09 | 三菱电机株式会社 | 雪崩光电二极管 |
| CN100557826C (zh) * | 2004-10-25 | 2009-11-04 | 三菱电机株式会社 | 雪崩光电二极管 |
| US7301608B1 (en) | 2005-01-11 | 2007-11-27 | Itt Manufacturing Enterprises, Inc. | Photon-counting, non-imaging, direct-detect LADAR |
| WO2006080153A1 (ja) * | 2005-01-28 | 2006-08-03 | Nec Corporation | 半導体受光素子及びその製造方法 |
| US7547872B2 (en) * | 2005-02-14 | 2009-06-16 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne | Integrated circuit comprising an array of single photon avalanche diodes |
| US7501628B2 (en) * | 2005-02-14 | 2009-03-10 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne Epfl | Transducer for reading information stored on an optical record carrier, single photon detector based storage system and method for reading data from an optical record carrier |
| GB2426575A (en) * | 2005-05-27 | 2006-11-29 | Sensl Technologies Ltd | Photon detector using controlled sequences of reset and discharge of a capacitor to sense photons |
| US7314767B2 (en) * | 2005-05-27 | 2008-01-01 | Credence Systems Corporation | Method for local wafer thinning and reinforcement |
| US7233051B2 (en) * | 2005-06-28 | 2007-06-19 | Intel Corporation | Germanium/silicon avalanche photodetector with separate absorption and multiplication regions |
| US7450245B2 (en) * | 2005-06-29 | 2008-11-11 | Dcg Systems, Inc. | Method and apparatus for measuring high-bandwidth electrical signals using modulation in an optical probing system |
| US7659981B2 (en) * | 2005-08-26 | 2010-02-09 | Dcg Systems, Inc. | Apparatus and method for probing integrated circuits using polarization difference probing |
| US7616312B2 (en) * | 2005-06-29 | 2009-11-10 | Dcg Systems, Inc. | Apparatus and method for probing integrated circuits using laser illumination |
| US7733100B2 (en) * | 2005-08-26 | 2010-06-08 | Dcg Systems, Inc. | System and method for modulation mapping |
| US7553734B2 (en) * | 2005-10-17 | 2009-06-30 | Princeton Lightwave, Inc. | Method for forming an avalanche photodiode |
| US7378689B2 (en) * | 2005-10-17 | 2008-05-27 | Princeton Lightwave, Inc. | Apparatus comprising an avalanche photodiode |
| US20070130455A1 (en) * | 2005-12-06 | 2007-06-07 | Elliott Brig B | Series encryption in a quantum cryptographic system |
| US20070133798A1 (en) * | 2005-12-14 | 2007-06-14 | Elliott Brig B | Quantum cryptography on a multi-drop optical network |
| US8082443B2 (en) * | 2006-01-09 | 2011-12-20 | Bbnt Solutions Llc. | Pedigrees for quantum cryptography |
| US7605357B2 (en) * | 2006-03-21 | 2009-10-20 | Epitaxial Technologies | Photon counting optically preamplified photoreceivers with micro-digitized pixels |
| US7741657B2 (en) * | 2006-07-17 | 2010-06-22 | Intel Corporation | Inverted planar avalanche photodiode |
| US7683397B2 (en) * | 2006-07-20 | 2010-03-23 | Intel Corporation | Semi-planar avalanche photodiode |
| US8188563B2 (en) * | 2006-07-21 | 2012-05-29 | The Regents Of The University Of California | Shallow-trench-isolation (STI)-bounded single-photon CMOS photodetector |
| US8259293B2 (en) * | 2007-03-15 | 2012-09-04 | Johns Hopkins University | Deep submicron and nano CMOS single photon photodetector pixel with event based circuits for readout data-rate reduction communication system |
| SE531025C2 (sv) * | 2007-04-02 | 2008-11-25 | Bo Cederwall | System och metod för fotondetektion och för mätning av fotonflöden |
| US8239176B2 (en) * | 2008-02-13 | 2012-08-07 | Feng Ma | Simulation methods and systems for carriers having multiplications |
| WO2009139936A2 (en) * | 2008-02-14 | 2009-11-19 | California Institute Of Technology | Single photon detection with self-quenching multiplication |
| TW201001736A (en) * | 2008-06-19 | 2010-01-01 | Univ Nat Central | A high-speed avalanche photodiode |
| US8637875B2 (en) | 2008-07-11 | 2014-01-28 | The Regents Of The University Of California | Single photon IR detectors and their integration with silicon detectors |
| US8405019B2 (en) * | 2008-09-12 | 2013-03-26 | Mitsubishi Electric Corporation | Photon detector |
| JP2010135360A (ja) * | 2008-12-02 | 2010-06-17 | Mitsubishi Electric Corp | アバランシェフォトダイオード |
| SG10201506637YA (en) | 2009-05-01 | 2015-10-29 | Dcg Systems Inc | Systems and method for laser voltage imaging state mapping |
| US8324554B2 (en) | 2010-03-23 | 2012-12-04 | Massachusetts Institute Of Technology | Single-electron detection method and apparatus for solid-state intensity image sensors with a charge-metering device |
| CN102230828B (zh) * | 2011-04-07 | 2012-08-08 | 华东师范大学 | 一种低时间抖动低噪的吉赫兹单光子探测方法 |
| JP2015170686A (ja) * | 2014-03-06 | 2015-09-28 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
| CN104617181B (zh) * | 2015-01-22 | 2017-05-24 | 苏州苏纳光电有限公司 | 基于ITO电流扩展层的InGaAs雪崩红外探测器及其制备方法 |
| CN105118886A (zh) * | 2015-08-31 | 2015-12-02 | 中国科学院半导体研究所 | 一种高响应度雪崩光电二极管制备方法 |
| KR101933777B1 (ko) * | 2017-01-23 | 2019-04-05 | 서울시립대학교 산학협력단 | 양자우물 구조를 채용한 광자 검출기 |
| US10797193B2 (en) * | 2018-01-23 | 2020-10-06 | Lumentum Operations Llc | Bias control structure for avalanche photodiodes |
| GB2576491A (en) * | 2018-07-17 | 2020-02-26 | Cambridge Entpr Ltd | A photodetector |
| TWI728694B (zh) * | 2020-02-12 | 2021-05-21 | 國立中央大學 | 混層複合式充電層累增崩潰光二極體 |
| TWI768831B (zh) * | 2021-04-16 | 2022-06-21 | 聯亞光電工業股份有限公司 | 非擴散型光電二極體 |
| JP7433540B1 (ja) | 2023-02-06 | 2024-02-19 | 三菱電機株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2518817A1 (fr) | 1981-12-23 | 1983-06-24 | Thomson Csf | Photodiode a zones d'absorption et d'avalanche separees |
| JP2941349B2 (ja) | 1990-04-06 | 1999-08-25 | 株式会社日立製作所 | 超格子ａｐｄ |
| JP2934294B2 (ja) | 1990-04-09 | 1999-08-16 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
| JP2998375B2 (ja) | 1991-12-20 | 2000-01-11 | 日本電気株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
| JPH06232442A (ja) | 1993-02-04 | 1994-08-19 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
| JP2845081B2 (ja) | 1993-04-07 | 1999-01-13 | 日本電気株式会社 | 半導体受光素子 |
| FR2756420B1 (fr) | 1996-11-27 | 1999-02-12 | France Telecom | Photodiodes a avalanche |
| US6218657B1 (en) | 1998-10-15 | 2001-04-17 | International Business Machines Corporation | System for gated detection of optical pulses containing a small number of photons using an avalanche photodiode |
| US6342701B1 (en) | 1999-07-08 | 2002-01-29 | International Business Machines Corporation | Time correlated photon counting |
| JP2001237453A (ja) * | 2000-02-22 | 2001-08-31 | Hamamatsu Photonics Kk | 半導体受光素子 |
| JP2001332759A (ja) | 2000-03-16 | 2001-11-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | アバランシェフォトダイオード |
-
2002
- 2002-11-13 US US10/294,434 patent/US6720588B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2002-11-19 TW TW091133774A patent/TW586242B/zh not_active IP Right Cessation
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-
2003
- 2003-11-24 US US10/721,915 patent/US6797581B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI458111B (zh) * | 2011-07-26 | 2014-10-21 | Univ Nat Central | 水平式累崩型光檢測器結構 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1610977A (zh) | 2005-04-27 |
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| US20030098463A1 (en) | 2003-05-29 |
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| TW586242B (en) | 2004-05-01 |
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| KR20040064277A (ko) | 2004-07-16 |
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| US20040106265A1 (en) | 2004-06-03 |
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