[发明专利]一种近红外单光子探测器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种对近红外微弱光信号进行探测的近红外单光子探测器。

背景技术

单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。特别是近年来量子通信技术、量子密码术的研究不断引起各国的重视，对红外通信波段单光子探测器的研究也就显得尤为迫切。

现有的单光子探测器，对光信号的放大采用的是利用空穴引起雪崩倍增放大光信号，其倍增层材料为InP，然而空穴的迁移率较低，抑制探测器的探测频带，另外，InP材料的空穴与电子的离化率较接近，使得探测器有较大的噪声因素；利用InGaAs的厚度增加来提高探测器的量子效率，这同样也限制了探测频率。另外，由于制造工艺的要求较高，目前市场上的红外单光子探测器的探测效率低，噪声大且工艺复杂，可重复性低等缺点。为了克服这些缺点，我们提出了本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近红外单光子探测器结构，其具有量子效率高、增益带宽积大、噪声低的特点。特别是工艺要求低，可重复性好。

为了实现上述目的，本发明的一种近红外单光子探测器结构，其特征在于，包括：

(1)衬底，该衬底用于在其上进行探测器各层材料外延生长；

(2)缓冲层，该缓冲层制作在衬底上；

(3)N型欧姆接触层，该N型欧姆接触层制作在缓冲层上；

(4)超晶格倍增层，该超晶格倍增层制作在N型欧姆接触层上；

(5)电场控制层，该电场控制层制作在超晶格倍增层上；

(6)带隙渐变层，该带隙渐变层制作在电场控制层上；

(7)光吸收层，该光吸收层制作在带隙渐变层上；

(8)缓冲层，该缓冲层制作在光吸收层上；

(9)P型欧姆接触层，该P型欧姆接触层制作在缓冲层上；

其中该衬底为InP衬底；

其中该缓冲层为非掺杂的InP材料；

其中该N型欧姆接触层为N型InAlAs材料；

其中该超晶格倍增层为InAlAs/InAlGaAs材料；

其中该电场控制层为N型InAlAs材料；

其中该带隙渐变层为InAlGaAs四元化合物材料；

其中该吸收层为InGaAs材料；

其中该缓冲层为InP材料；

其中该P型欧姆接触层为InGaAs材料；

其中所描述的超晶格倍增层为InAlAs/InAlGaAs周期结构，其超晶格倍增层厚度为230nm到300nm之间，在每一周期中，InAlAs厚度为13nm，InAlGaAs厚度为8nm。由于超晶格的能带不连续性以及可以人为控制导带和价带值间的非对称性带边不连续性(ΔEc>>ΔEv)，使电子离化率的增加量远远大于空穴能量对空穴离化率的贡献，从而获得大的增益-带宽积和低噪声性能。

其中所描述的光吸收层为轻掺杂的P型InGaAs，该层设计采用掺杂浓度渐变的两层结构，首先在带隙渐变层上外延生长150nm厚的InGaAs，浓度为4.0×10¹⁶cm^-3，然后在继续外延生长650nm，浓度为1.0×10¹⁶cm^-3，其作用是使得吸收层电场向异质结界面处缓慢增加，可以减少载流子的渡越时间以及降低隧穿暗电流；光接收采用侧面边入射方式，利用器件的横向结构作为光吸收的路径，使得在不改变吸收层厚度时，器件有较高的量子效率。

附图说明

图1是根据本发明提出的近红外带单光子探测器的剖面图：

图2是根据本发明提出的近红外单光子探测器材料结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1详细说明依据本发明实施例的近红外单光子探测器细节。

衬底11，该衬底用于在其上进行探测器各层材料的外延生长；

缓冲层12，该缓冲层制作在衬底11上，为非掺杂的n型InP材料。其目的是形成高质量的外延表面，减小衬底与其它各层之间的应力，消除衬底的缺陷向其它各层的传播，以利于器件其它各层的生长；

N型欧姆接触层13，该N型欧姆接触层制作在缓冲层12上，为重掺杂的N型InAlAs，其目的是为了实现良好的欧姆接触，采用重掺杂是为了减小串联电阻，提高器件的转化效率；