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砷化銦鎵/砷化銦鋁單光子崩潰二極體的設計與特性探討

為了解決車高1550mm以下的問題，作者張世承 這樣論述：

單光子雪崩崩潰光二極體 (Single-photon Avalanche Diode, SPAD) 是利用一光子吸收產生載子觸發衝擊游離的機制來偵測低強度的光，它在自動駕駛車的光達 (Light Detection And Ranging, LiDAR) 系統、三維影像 (3D imaging) 、光纖通訊 (Fiber-optic communication) 等近紅外光 (Near-Infrared) 偵測的領域皆有應用。砷化銦鎵/砷化銦鋁 (In0.47Ga0.53As/In0.48Al0.52As) 單光子崩潰二極體分別以砷化銦鎵作為吸收層偵測波長 1550 奈米的光，而砷化銦鋁作為

累増層使電子加速並達到衝擊游離 (impact ionization) ，與較早開始研究的磷化銦 (InP) 來比較，砷化銦鋁有著以下潛力，以崩潰電壓隨溫度變化來說，擁有相同厚度的砷化銦鋁累増層的元件對溫度比較不靈敏，所以可操作溫度比較彈性;還有因為砷化銦鋁有較高雪崩崩潰機率 (avalanche breakdown probability) ，所以在相同暗計數率 (dark count rate) 下，光偵測效率 (photo detection efficiency) 會比較高，以上兩點使砷化銦鋁成為砷化銦鎵單光子崩潰二極體中累増層材料的另一選擇。本研究中設計與製作正面收光且分離吸收、電荷

、累增層 (separate absorption, charge and multiplication, SACM) 的平台式 (mesa type) 雪崩崩潰光二極體 (avalanche photodiode, APD) ，嘗試優化電荷層中的摻雜濃度來達到想要的電場分布、適當的崩潰電壓和擊穿電壓，使累増層的電場大於雪崩閥值且同時吸收層的電場小於雪崩閥值，製程上有在沉積保護層前使用硫化銨 ((NH4)2S) 對裸露的側壁硫化處理來減少表面漏電流。選用適當的保護層與金屬層厚度，製作出SPAD元件並量測其電流-電壓特性，在室溫下崩潰電壓約為 47 伏，隨著溫度下降，崩潰電壓的溫度係數在200K

以下為 52 mV/K 和 200K以上為 16 mV/K，另一顆為 60 和 21 mV/K，由活化能大小分析其漏電流來源；為降低二次崩潰的影響，我們以閘控模式電路 (gated mode circuit) 操作，先紀錄崩潰訊號之波形，再進一步降溫至 77 K量測暗計數率與光計數率，並探討造成暗計數隨溫度變化趨勢的主要因素，以及討論元件光偵測效率低的原因。