雪崩光电二极管专利技术综述

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1、雪崩光电二极管专利技术综述　　摘要：本文对雪崩光电二极管（APD）的专利申请趋势出发，对国外申请的APD相关专利的技术主题及申请人进行统计和分析，并结合今年来APD研究热点对其发展进行分析。　　1.引言　　近50年来，雪崩光电二极管（APD）在商业、军事和科研领域有着广泛的应用[1]。在通信领域，高速APD因为其更高的灵敏度和足够的速率被列入下一代光传输系统的规划中。在10G光接入网（IEEE802.3av），40G和100G光以太网链接（IEEE802.3ba）中，雪崩光电二极管被作为可采用的解决方案。此外，工作在盖革模式（Gei

2、gerMode）下的APD，其工作在高于击穿电压而获得极高的增益和高灵敏度，从而被作为微弱信号探测并投入产业化，其相关技术已非常成熟。近年来，随着量子保密通信[2]的兴起，APD作为可选的单光子探测器方案，在成熟的产业制备技术的支持下，其在量子保密通信的研发也方兴未艾。本文从APD在各个方面应用的专利分布对APD的发展趋势及现状进行分析。　　2.APD专利发展趋势分析5　　图1为APD国内外专利申请趋势图，国外专利在申请量上较国内有绝对的优势，该申请趋势图中未包含1990年以前申请的专利，但必须提到，在上世纪70年代左右由于激光测距

3、和激光雷达的兴起[3]，APD作为其关键器件之一，其研究和产业化出现了迅速的提升并于90年代逐渐下滑，该时期的专利申请量也从反映出了该发展趋势。紧接着，随着光通信产业的兴起，APD作为PON技术的接收机解决方案，依托于半导体材料生长技术的不断进步，对APD外延层结构的改进逐渐兴起，使其满足高速高灵敏度需求，该阶段APD相关专利的申请量出现了稳步的提升。技术主题上，材料从硅到III-V族材料、磷化铟、铟铝砷、碲镉汞、锑化物等，结构从吸收倍增分离，引入渐变层、纳米尺度的多层复杂结构等，随着研究的不断深入，APD的发展进入新的瓶颈期，从而

4、其申请量于近些年出现了滑落。5　　从国内外研究的方向来看，图2为根据专利的分类号做出的发展主题的统计分析图。根据该图，APD的专利发明点可分为三大类：APD的器件结构，APD的外部电路、光路，以及将APD在其他领域的应用。其中跟APD的器件结构相关的分类号有H01L，该分类号涉及半导体器件；Y10S则涉及半导体工艺，如电极制作、表面钝化处理等；B82Y与外延层纳米结构相关；Y02E则涉及半导体材料，H01S则为将APD作为激光器的背光探测器。H03F涉及将雪崩效应转用至放大器中，H01J则是将半导体雪崩效应与电子管在器件层面上的结合

5、，实现两级放大。跟APD外部电路、光路相关的有H04N，其涉及阵列APD生成图像以及阵列信号的读取；G01R涉及APD的芯片测试；G01J、G02B和G02F则涉及APD单片集成波导以及器件入射光的耦合、采用端面反射以提高吸收效率等；H03K涉及盖革模式下的门信号脉冲技术。跟APD应用相关的有H04B，其涉及通信传输领域，以及与其密切相关的H04Q、H04J，其将APD与波分复用器件单片集成；G01T与G01S涉及将APD作为激光雷达的探测器，G01C为APD作为激光测距的探测器；G01N、C12Q、C12M则采用APD进行酶或者微

6、生物的测量，如对材料的拉曼光谱、荧光光谱的探测；A61B涉及APD作为层析X射线扫描的探测器；G01K涉及APD作为光纤温度传感器的探测器。　　总的来看，APD器件上的创新为其主要的发明点，而相比于国外申请，国内申请更偏向于APD的应用方面，这主要还是因为国内在半导体工艺技术方面还明显的滞后于国外。而在外部电路、光路的设计上，虽然国外有较为深厚的技术积累，但国内在部分技术领域上已经有所突破。从图3的国内外APD专利申请人分布上来看，国内申请前三均为日本公司，随后为中科院半导体所、中山大学，而已将APD产业化的武汉通信器件公司在国内申

7、请中也占有一席之地。此外，根据图4可以看出日本在世界范围内的半导体技术优势。　　3.单光子探测器专利申请分析　　APD技术的最新热门应用当属于单光子探测，在“棱镜门”曝光之后，保密通信成为进入了公众视野。目前，研发中单光子探测器有许多种，包括碳纳米管（CNT），超导纳米线（SNSPD）[4]，光电倍增管（PMT）[5]等，其中较为热门且具有产业应用前景的为，光电倍增管、超导纳米线以及单光子雪崩光电二极管（SPADs）。而在这3种单光子探测器中，单光子雪崩光电二极管的偏置电压，工作温度方面要求都比较低，在探测效率，时间抖动，暗计数等方

8、面有显著地优势。其中，硅基SPADs因其成熟的研究和良好的工艺制造技术，器件性能优于InGaAs/InPSPADs，但仅适于小于1.1um的波长；而InGaAs/InPSPADs能够在红外波段探测，在红外单光子领域特别是通信有着重要的