研究论文

6 高速正弦门控单光子探测器脉冲抖动抑制方案

单光子探测器是一种达到弱光探测极限的超灵敏探测器，可实现对单个光子能量捕获转换，是量子密钥分发系统（QKD）的关键组件。当前实用化QKD系统中主要使用单光子雪崩二极管（SPAD）实现单光子探测，由于注入光脉冲具有一定宽度、光子从吸收到产生雪崩的时间不一样，这就导致最终输出的探测信号前沿存在一定抖动。对于高速门控探测器，信号抖动可能会超过门控周期，从而会造成探测位置识别误码，此误码会计入探测后脉冲概率计算过程，从而造成QKD系统误码率上升。因此，需要采取合适的技术手段来降低探测脉冲抖动，从而支撑QKD系统实现安全成码能力。

科大国盾量子技术股份有限公司研发团队系统性研究了高速正弦门控单光子探测器中探测脉冲上升沿抖动的机理，并提出一种重定时方案来抑制QKD系统中由抖动引起的误差。通过分析光子吸收位置、载流子漂移时间、雪崩倍增路径和阈值判别过程的贡献，确定抖动是增加后脉冲概率和降低QKD性能的关键因素。所提出的采用与正弦门控信号同频同源的符合信号（Coin CLK）来重定时探测脉冲，有效地将它们的上升沿限制在预定义的时间窗口内。在门控频率1.25 GHz时，使用高精度时间数字转换器（TDC）进行测试，比较重定时前后的探测脉冲表现：抖动宽度（99%的数据）从1200 ps降低到300 ps，后脉冲概率也从10.7%显著降低到0.72%。同时，从安全性角度考虑，还设计了监测原始探测脉冲到达时间的机制，若识别存在非有效探测区域内的信号则产生告警并停止QKD过程，避免量子密钥信息泄露。

图1.（a）探测脉冲重定时工作原理（b）探测脉冲重定时工作时序。

图2.（a）重定时前探测脉冲抖动分布，计算后脉冲概率为10.7%（b）重定时后探测脉冲抖动分布，计算后脉冲概率为0.72%。

他们的研究成果对探测脉冲抖动抑制效果明显，直接提高了门控型单光子探测器的核心性能和QKD系统的整体性能，同时避免修改单光子探测器的固有探测机理，确保了与现有量子通信基础设施的兼容性。未来工作中将这种方法与先进的QKD协议（如测量设备无关的QKD）集成，并将探测器的工作频率提高到2.5 GHz或更高，一个重要的技术挑战是进一步降低重定时时钟（Coin CLK）的上升沿抖动和TDC测量抖动。此外，还将进一步优化相位对齐算法和电路小型化，以增强系统部署的鲁棒性和适用性。这项研究为高速单光子探测器的定时抖动缓解提供了一种可扩展且成本效益高的解决方案，为下一代量子通信性能提升奠定了坚实基础。

该文章以题为“Jitter suppression scheme for detection pulses in high-speed sinusoidal gated single-photon detectors”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Jitter suppression scheme for detection pulses in high-speed sinusoidal gated single-photon detectors

Lianjun Jiang, Dongdong Li, Dawei Li, Yuqiang Fang, Ming Liu, Wei Jiang, Zhilin Xie, Guoqing Liu, Rui Ma, Yukang Zhao, Jian Sun,  Lei Chang, Lin Yu, and Shibiao Tang

J. Semicond. 2025,  46(12), 122401  doi: 10.1088/1674-4926/25030031

Full Text 

7 经伽马辐照后，具有势垒高度下降的肖特基结与高击穿电压的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管

在长期高辐照的宇宙环境中，硅材料固有的窄带隙特性及其氧化物层中的辐照敏感缺陷，会导致器件性能发生严重退化，这极大限制了硅基器件在航天工程中的应用可靠性。而以氮化镓（GaN）为代表的第三代宽禁带半导体，凭借其卓越的物理特性，为开发新一代耐辐照、高性能空间电子器件提供了理想解决方案。首先，GaN具有高达3.3 MV/cm的临界击穿电场，这一数值约为硅材料的十倍，使其能够承受极高的工作电压，为实现高功率密度、高效率的能量转换系统奠定了物理基础。其次，AlGaN/GaN异质结强极化效应可在界面处诱导产生高浓度、高迁移率的二维电子气（2DEG），此为横向肖特基势垒二极管（SBD）优质导电沟道。此外，横向GaN SBD与高电子迁移率晶体管（HEMT）在外延结构上相似，使其具备优异的工艺兼容性与集成潜力。

近日，西安电子科技大学张进成教授与张涛副教授课题组就伽马射线辐照对自终止凹槽阳极与低功函数金属钨构成的横向AlGaN/GaN肖特基势垒二极管电学特性的影响开展了系统研究。为模拟深空环境中长期高剂量辐射的极端条件，实验在20小时内对器件样品施加了总剂量高达100 kGy的伽马射线辐照。研究结果显示，辐照显著影响了肖特基界面的物理特性，诱发了势垒高度的降低，且使得器件开启电压从辐照前的0.47 V下降至0.43 V。然而，尽管经历了如此高剂量的辐照，器件击穿电压仍保持在1.75 kV的高水平，未出现显著退化，此优异的耐压性能得益于阳极后退火工艺对阳极凹槽界面的强化。该项研究成果验证了自终止凹槽阳极结构的AlGaN/GaN SBD在深空探测、核电站监测等强辐射场景中具备出色的应用潜力与长期可靠性，为未来面向极端环境的高性能、高可靠氮化镓基功率电子器件的发展提供了重要的依据。

图1. 制备的横向自终止凹槽阳极AlGaN/GaN SBD的（a）三维截面结构及其（b）工艺流程。

图2. 横向AlGaN/GaN SBD的 (a) 击穿特性、(b) 击穿电压与比导通电阻、(c) 开启电压与反向电流的性能对比。

该文章作为封面文章，以题为“A γ-irradiated AlGaN/GaN Schottky barrier diode with barrier-decreased Schottky junction and high breakdown voltage”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

A γ-irradiated AlGaN/GaN Schottky barrier diode with barrier-decreased Schottky junction and high breakdown voltage

Jiahao Chen, Tao Zhang, Ziqi Tao, Kai Su, Shengrui Xu, Xiangdong Li, Huake Su, Yachao Zhang, Yue Hao, and Jincheng Zhang

J. Semicond. 2025, 46(12), 122501  doi: 10.1088/1674-4926/25040026

Full Text