Volume 50 Issue 1
Jan.  2021
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Liu Qiaoli, Liu Chang, Wang Yitong, Hao Lingxiang, Huang Yongqing, Hu Anqi, Guo Xia. Development of silicon single photon detector and its application in high-precision satellite-to-ground time comparison (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(1): 20211004. doi: 10.3788/IRLA20211004
Citation: Liu Qiaoli, Liu Chang, Wang Yitong, Hao Lingxiang, Huang Yongqing, Hu Anqi, Guo Xia. Development of silicon single photon detector and its application in high-precision satellite-to-ground time comparison (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(1): 20211004. doi: 10.3788/IRLA20211004

Development of silicon single photon detector and its application in high-precision satellite-to-ground time comparison (Invited)

doi: 10.3788/IRLA20211004
  • Received Date: 2020-11-13
  • Rev Recd Date: 2020-12-21
  • Available Online: 2021-01-22
  • Publish Date: 2021-01-22
  • High-precision comparison of time-frequency is an important technology to achieve high-precision time-space consistency and time-frequency stability of the whole society information system, and provides a unified time guarantee for key areas of national economic development. Owing to its high detection efficiency, low noise, low timing jitter, and easy integration, silicon single photon detector is the key core chip in the high-precision satellite-to-ground time comparison system. The interrelationship between photon detection efficiency, dark count rate and timing jitter of the silicon single photon detector was analyzed in this paper. Based on the in-depth review of the research of the silicon single photon detector, the relationship between photon detection efficiency and timing jitter was effectively overcome. A silicon single photon detector with a photosensitive diameter of 200 μm, photon detection efficiency of 50% at room temperature, and the timing jitter of 46 ps was developed. Its application in the satellite-to-ground time comparison was briefly introduced finally.
  • [1] Zhang Haifeng, Cheng Zhien, Long Mingliang, et al. Applications of satellite laser ranging and laser time transfer in BeiDou navigation satellite system [J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics, 2019, 188: 251-262. doi:  10.1016/j.ijleo.2019.04.131
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    [14] Datasheet of PDM Series. Micro Photon Devices[EB/OL].[2019-11]http://www.micro-photon-devices.com/MPD/media/Datasheet/PDM.pdf.
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    [16] SPCM-AQRH-TR. Excelitas[EB/OL].https://www.excelitas.com/product/spcm-aqrh-tr.
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Development of silicon single photon detector and its application in high-precision satellite-to-ground time comparison (Invited)

doi: 10.3788/IRLA20211004
  • School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

Abstract: High-precision comparison of time-frequency is an important technology to achieve high-precision time-space consistency and time-frequency stability of the whole society information system, and provides a unified time guarantee for key areas of national economic development. Owing to its high detection efficiency, low noise, low timing jitter, and easy integration, silicon single photon detector is the key core chip in the high-precision satellite-to-ground time comparison system. The interrelationship between photon detection efficiency, dark count rate and timing jitter of the silicon single photon detector was analyzed in this paper. Based on the in-depth review of the research of the silicon single photon detector, the relationship between photon detection efficiency and timing jitter was effectively overcome. A silicon single photon detector with a photosensitive diameter of 200 μm, photon detection efficiency of 50% at room temperature, and the timing jitter of 46 ps was developed. Its application in the satellite-to-ground time comparison was briefly introduced finally.

    • 时间是目前七个基本物理量中测量精度最高的物理量,是现代信息系统、基础科学、精密定位等重大基础领域的基石。保障各个系统内部和各个系统之间时间统一的高精密时频系统从基础研究到工程技术领域被广泛应用,尤其是空间高技术领域,已经成为国家重要战略资源。作为我国高精密时频体系建设的基础和核心,守时系统的基本目标是实现高精度的时空一致性和时频稳定性,为全社会信息化系统提供基本支撑,为电力、电信、交通、金融、能源等国民经济发展的关键领域提供统一的时间保障。

      相比于微波,由于光学波长短,基于激光测距原理的时频比对是目前精度最高的时频比对技术,国际上已经达到亚厘米精度。由于激光路径中光散射、吸收等效应,根据激光雷达方程,${P_R} \propto \dfrac{1}{{{R^2}}}$,返回探测器的光功率PR与探测距离R的平方成反比。对于一定的激光功率,距离越远,返回的光功率越小,因此对探测器灵敏度提出了更高的要求[1]。对于卫星和地面之间距离,能够接收到的光子数目有限,因此高精密星地时频比对系统中广泛采用的是具有极高灵敏度的单光子探测器。影响时间测量精度的主要因素是测量过程中的不确定性,通常用时间抖动(Timing Jitter)或时间分辨率(Timing Resolution)来表征。在实际的激光测距系统中,时间抖动通常主要由原子钟、激光器、计时器和光电探测器四部分引起,其中光电探测器是影响系统总时间抖动的主要因素,因此降低光电探测器的时间抖动是提高时频比对精度的关键。

      目前较为成熟的单光子探测器主要有光电倍增管、超导纳米线单光子探测器和半导体单光子探测器(Single-Photon Avalanche Photodiode, SPAD)等。半导体单光子探测器具有体积小、效率高、噪声低、不需要复杂庞大的制冷装备等优势,而硅单光子探测器凭借其完整的晶格质量、高的电子空穴离化比、易形成二维面阵、易与CMOS电路集成、成本低等优异性能,展示了高探测效率、低噪声、低后脉冲等优越特性,成为可见和近红外波段单光子探测不二的选择[2]

      文中首先分析评价硅单光子探测器性能的关键参数,针对器件各性能之间存在的相互制约关系,提出量子能态电场调控方法,实现了大光敏面、低抖动的硅单光子探测器,最后简单介绍了研制的单光子探测器在星地时间比对中的应用效果。

    • 光探测效率(Photon Detection Efficiency, PDE)、暗计数(Dark Count Rate, DCR)和时间抖动是衡量硅单光子探测器的关键参数[3]。光探测效率代表了光电转化概率,可以表示为量子效率和雪崩触发几率的乘积,与材料的吸收系数、器件结构、过偏压(Excess Voltage, Vex)等因素有关,随着偏压、雪崩长度增加而增加;暗计数是指在没有入射光信号的条件下引起的计数信号,是探测器的主要噪声之一。通常,由中性区扩散至高场区的少子、耗尽区内热激发产生的载流子、隧道效应产生的载流子都存在触发雪崩的几率,是引起暗计数的主要因素。因此,降低器件工作温度、减小器件尺寸、降低过偏压等都可以降低暗计数水平。时间抖动是触发的雪崩载流子到达时间的统计,通常用信号输出时刻统计分布上的半高宽去表征,决定了入射光子到达时间的精度,在激光雷达应用中决定了测量距离的精度。时间抖动指光子到达的时刻与探测器计数信号输出时刻的时间差异,光子吸收位置、雪崩过程本身的随机性都是影响时间抖动的关键因素。为减小时间抖动,通常降低倍增区外低电场区厚度,从而减小由于扩散慢过程导致的时间抖动高的问题,或者提高外加偏压降低时间抖动。然而,现有实现低时间抖动的方法是以降低吸收区厚度从而降低光探测效率为代价,而提高工作偏压也同时提高了暗计数,无法有效地解决时间抖动、探测效率和暗计数之间的矛盾。

    • 表1给出的是两种不同吸收区厚度下的硅单光子探测器关键指标对比结果。其中,M. Ghioni等人采用双外延结构以减少载流子的扩散效应,外延层总厚度约为5 μm[4]。光敏面直径d为200 μm的器件在550 nm下的探测效率达到52%,暗计数为50 kHz。由于结构中薄的吸收区厚度降低了雪崩过程随机性,并且双外延结构减少了衬底载流子的扩散效应,器件时间抖动低至35 ps,但薄的吸收区同时导致长波探测效率降低,该结构在820 nm波长下探测效率仅为15%。通过增加吸收区厚度可以使探测效率提高到50%以上,并使得响应峰值向长波移动。例如Excelitas Technologies研制的SPCM-AQ硅单光子探测器[5],吸收区厚度在30 μm以上,在540~850 nm范围内器件探测效率超过50%,由于采用吸杂工艺,暗计数<1 kHz。但较厚的吸收区同时也会增加器件的时间抖动,此类结构的时间抖动通常在300 ps,无法在高精密时间测量领域中应用。

      StructureM. GhioniSPCM-AQ
      Thickness of absorption layer/μm 5 >30
      Diameter/μm 200 100-500
      Breakdown voltage/V 36 100-500
      DCR/kHz 50 (20 ℃) <1
      PDE 52%@550 nm
      15%@820 nm
      >50%@540 nm-850 nm
      Timing jitter/ps ~35 ~300

      Table 1.  Comparison of key performance parameters of two kinds of SPADs with different thicknesses of absorption layer

      光敏面尺寸对后续应用具有重要意义,光敏面尺寸大,光学耦合相对容易,否则将会由于光学耦合带来效率损失。然而,硅单光子探测器的光探测效率、暗计数、时间抖动均强烈依赖于光敏面尺寸。图1(a)给出的是光探测效率、暗计数、时间抖动随着光敏面直径增加的实验结果[6]。起初,探测效率随着光敏面直径的增大而增大,这主要是由于耦合效率提高引起的,当光敏面尺寸进一步增大时,探测效率逐渐趋于饱和之后下降,这主要是由于光敏面直径增大导致暗计数增加速率更快引起的。暗计数随着光敏面直径的变化测试结果如图1(b)所示,随着光敏面直径的增加,暗计数拟合结果满足$DCR = 0.002 \times {d^{1.76}}$。光敏面直径从10 μm增加到500 μm,光敏面积增加2500倍,暗计数增加了2万倍,而时间抖动由于倍增辅助横向扩散效应,增加了80倍。因此,光敏面尺寸、探测效率、暗计数和时间抖动之间相互制约。由于过小的光敏面积不利于光学耦合,因此,具有大感光面积、高探测效率、低时间抖动的硅单光子探测器在实际应用中至关重要。

      Figure 1.  (a) Measured PDE, DCR and timing jitter of SPADs with different photosensitive diameters; (b) Fitting results of DCR with photosensitive diameters

      针对这一问题,1988年,M. Ghioni等人提出了外延结构,在n型衬底上外延厚度12 μm的p型外延层,并基于该外延层进行层结构设计[7]。在Haitz的平面结构基础上,该结构在有源区内引入p+层构建n+/p+主结,有利于增强雪崩电场和调控击穿电压。该结构中薄的外延层一方面保证了输出信号,另一方面削弱了载流子的扩散效应。此外,n型衬底和p型外延层之间处于反偏状态,一方面使得衬底中的载流子无法到达外延层,另一方面,这在某种程度上缩短了中性区厚度,最终器件的时间抖动缩短为30 ps。2009年,M. J. Hsu等人采用浅沟槽隔离保护环代替p阱保护环结构,避免了扩散保护环导致的低场区域,有效阻止了载流子的横向漂移和扩散,消除了扩散尾[8]。制备出的有源区尺寸为2 μm×2 μm和14 μm×14 μm器件的时间抖动分别为26.7 ps和27.4 ps。该结构具有更短的死时间和更高的填充因子,但是由于在SiO2/Si处引入的界面态,导致器件暗计数较大(104~106 Hz)。

      针对探测效率和时间抖动的矛盾,2012年,S. Cova教授领导的研究小组在二次外延结构的基础上提出了近红外增强结构[9]。一方面增加外延层吸收厚度,同时外延生长过程中在雪崩区和吸收区界面处通过扩散引入合适的掺杂区,进而调控雪崩区和吸收区的电场分布,降低吸收区额外的电场强度。最终,在过偏压20 V的条件下,800 nm器件探测效率由15%提高到40%,但时间抖动由30 ps增加到90 ps。这一结构明显提高了近红外波长下的探测效率,但是需要在外延生长的过程中精准控制引入的电场调控区的掺杂分布,增加了工艺复杂度和成本。类似于上述外延结构,捷克技术大学I. Prochazka教授的研究小组提出了K14结构,器件时间抖动低至~40 ps,500~800 nm波长范围内探测效率约为40%,−60 °C下器件暗计数低于60 kHz[10-11]

      为了完全消除扩散尾以获得更低的时间抖动,A. Spinelli教授研究小组在二次外延结构的基础上又发展了双结SPAD[12]。图形化的埋层p++层位于器件有缘区下方,n+/p+主结的耗尽区与n衬底/埋层p++层的耗尽区相连,消除了中性区,达到完全耗尽,消除了扩散尾。过偏压21 V的条件下,直径10 μm器件的时间抖动约为35 ps,主要是由载流子在上层n+层中的扩散引起的。随着微纳技术的发展,2017年,斯坦福大学K. Zang等人引入倒金字塔状的微纳结构作为光俘获层[13],将垂直光吸收衍射为水平光吸收,进而增加吸收长度,850 nm下的探测效率由13%提高到32%,同时,在940 nm下保持25 ps的低时间抖动基本不变。但是这类设计的工艺复杂,需要对微纳结构进行严格的理论计算,同时器件40 MHz的高暗计数也不利于高灵敏探测。

    • 为此,提出了量子能态电场调控的机理,通过有效提高雪崩区电场强度,抑制加速电荷输运过程中的波动性和随机性,减少了雪崩建立时间,因此不仅能够有效的提高时间分辨率,而且还缓解了探测效率和时间抖动之间的矛盾。

      图2(a)为器件结构示意图,高场区主要集中在中心主结区域,单个入射光子被吸收转换成光生载流子,并在高场作用下触发雪崩,引起电流增加。图2(b)为器件的暗电流(黑色实线)、532 nm下的光电流(红色虚线)及增益曲线(红色方形)。击穿前器件暗电流低于0.1 nA,增益高于105。插图给出的是不同雪崩区掺杂浓度下器件的击穿电压分布,击穿电压随掺杂水平的升高而减小。图2(c)给出的是制备的光敏面直径分别为200 μm、100 μm和50 μm器件在532 nm下的探测效率随过偏压的变化曲线。探测效率首先随着过偏压Vex的增大而增加,在过偏压为1.35 V的条件下,200 μm器件的探测效率达到40.7%,之后由于暗计数随过偏压的增加速率较快,导致探测效率降低。而对于光敏面直径为100 μm和50 μm的器件,可能是由于光学耦合效率低导致的探测效率低。图2(d)给出的是光敏面直径分别为200 μm、100 μm和50 μm的器件分别在过偏压为0.3 V、0.6 V和0.9 V下的暗计数测试结果,在相同过偏压下,暗计数随光敏面直径的增大而增加,在过偏压为0.3 V、0.6 V和0.9 V下分别满足$DCR = 16.13 \times {d^{1.52}}$$DCR = $$ 13.43 \times {d^{1.45}}$$DCR = 9.48 \times {d^{1.41}}$。三种尺寸的器件暗计数均随过偏压的增加而增加,并且大尺寸器件的增加速率更明显,原因可能在于大尺寸器件缺陷存在的几率更大,额外引起暗计数。

      Figure 2.  (a) Cross section of the proposed device structure; (b) Measured dark current, photocurrents and the corresponding gain versus reverse bias voltage (Inset shows the breakdown voltage characteristics of the device under different doping level); (c) PDE as a function of Vex at 532 nm; (d) DCR of SPADs at different Vex as a function of photosensitive diameters

      表2给出的是笔者所在课题组研制的器件测试结果与部分商业化硅单光子探测器关键指标对比,可以看出,研制的器件具有明显的大光敏面、低时间抖动的特点。

      Diameter/μmDCR/HzPDETiming jitter/ps
      This work 200 3 k (13.7%@709 nm) 52.2%@709 nm
      38.2%@532 nm
      46 (Vex=1.07 V)
      Politecnico di MilanoK14[11] 200 ~2.5 k (T=−60 ℃,Vex=1 V) ≥40% (500-800 nm) ~47 (T=−60 ℃,Vex=3.8 V)
      MPDPDM series[14] 20-100 5-1000 24%@400 nm
      49%@550 nm
      37%@650 nm
      ~30 (Vex=5 V)
      Laser components COUNT-T-100[15] 100 ≤100 (Vex=12 V) 40%@405 nm
      75%@670 nm
      60%@810 nm
      350 (Vex=12 V)
      Excelitas SPCM-AQRH-XX-TR[16] 180 10-1500 (Vex=5.5 V) 75%@650 nm
      50%@830 nm
      225 (Vex=5.5 V)

      Table 2.  Performance comparison between commercialized devices and device developed by our group

    • 高精密时频传输技术是时频系统中一把“标尺”,标定各个时频系统的时间,提高“标尺”的精度是其关键科学问题,低时间抖动的硅单光子探测器是实现高精密时频传输的核心芯片。文中针对硅单光子探测器的关键参数间相互制约关系,通过电场调控载流子的能态占据行为,有效缩短了雪崩建立时间从而降低了时间抖动性能,对于200 μm的硅单光子探测器,探测效率达50%,时间抖动为46 ps。目前,该芯片在电路的支持下,在天文台多次顺利完成了星地时间比对测试,与国际上通用的单光子探测器相比,展示了更高的激光回波率和测量精度。在2020年10月28日紫金山天文台德令哈青海观测站进行示范应用实验中,德令哈青海观测站首次成功实现对低轨到同步轨道带有合作目标卫星激光观测,最远测量距离超过四万公里。该芯片的研制成功,不仅提高了我国单光子探测器在国际上的研究地位,也为增强我国激光测距网观测能力和目标覆盖范围提供有力的技术支持。

      致 谢 感谢华东师范大学吴光教授和中国科学院上海天文台张忠萍研究员在硅单光子探测器芯片测试及应用方面的合作。

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