[发明专利]无过量噪声的线性模式雪崩光电二极管

说明书

一种线性模式雪崩光电二极管通过以下方式来感测光并输出电流：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处于非低温温度或高于非低温温度时存在的热噪声的3倍。该线性模式雪崩光电二极管通过使用超晶格结构检测光中的一个或多个光子，对于线性模式雪崩光电二极管中的第一载流子，该超晶格结构被匹配以抑制碰撞电离，而对于第二载流子，进行以下中的至少一项：1)增加碰撞电离，2)基本上保持碰撞电离，以及3)在较小程度上抑制碰撞电离。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。

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，线性模式雪崩光电二极管通过以下方式来感测光并输出电流：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处于非低温温度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检测一个或多个光子，对于线性模式雪崩光电二极管中的第一载流子，该超晶格结构被匹配以抑制碰撞电离，而对于第二载流子进行以下中的至少一项：1)增加碰撞电离，2)基本上保持碰撞电离，以及3)在较小程度上抑制碰撞电离。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。

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。