[发明专利]一种基于微腔的量子点场效应单光子探测器

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子器件领域，特别涉及一种对极微弱光信号进行探测的基于微腔的量子点场效应单光子探测器。

背景技术

作为一种极微弱光信号探测技术，高效率单光子探测由于其巨大的理论价值和战略研究意义已经成为近年国际研究的最热门领域之一。单光子探测技术不仅是现代光学、信息科学、量子通信、精密光电测量、超高灵敏度探测等前沿学位领域的迫切需要，该技术的迅猛发展同时也带来了系列化新原理、新概念和新器件的突破，已经形成一个崭新的学科分支——单光子探测和操控物理学，并正在持续地推动分子电子学、表面等离子激光学、红外光子学等新兴学科以及相关高新技术领域的发展。

经过多年的发展，目前单光子探测器已有多种成熟的类型，其中以光电倍增管和雪崩二极管为典型代表，这些探测器自出现之日起就一直支撑着最前沿的科学研究，并在众多领域得到了广泛的应用。然而，近些年来随着信息技术的不断进步，对光信号的探测灵敏度要求越来越高。特别是包括量子密钥分发、量子计算等在内的量子信息技术飞速发展，对单光子探测器提出了极其苛刻的性能要求，如光子数分辨率、计数率及探测效率等都远远超出了现有的器件性能。因此，高性能新型单光子探测器的探索和研究，已经成为单光子探测技术发展亟待解决的关键问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于微腔的量子点场效应单光子探测器，器件结构简单，体积很小，易于与其它光电子器件进行集成。其技术方案是：探测器采用δ掺杂技术，在吸收层与隔离层界面处形成一个二维电子气结构，并作为导电通道，器件工作时栅极施加负偏压，光子入射后在吸收层被吸收，产生电子空穴对，空穴被量子点俘获，电子进入导电通道，利用量子点俘获空穴对导电通道的调控作用来实现单光子探测；同时利用空气/半导体界面作为上反射镜，与下反射镜之间形成一个微腔结构，使入射光子进入腔内以后得到共振增强，从而大幅度提高探测器的光吸收能力和光响应能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于微腔的量子点场效应单光子探测器结构，其特征在于，包括：

(1)衬底，该衬底为GaAs衬底，用于在其上进行探测器各层材料的外延生长；

(2)缓冲层，该缓冲层为GaAs材料，生长于衬底上；

(3)下反射镜多层膜，该下反射镜多层膜为AlAs/Al_0.15G_a0.85As材料，生长于缓冲层上；

(4)势垒层，该势垒层为Al_0.26Ga_0.74As材料，生长于下反射镜多层膜上；

(5)δ掺杂层，该掺杂层为Si-δ掺杂，生长于势垒层上；

(6)隔离层，该隔离层为Al_0.26Ga_0.74As材料，生长于掺杂层上；

(7)吸收层，该吸收层为GaAs材料，生长于隔离层上；

(8)量子点层，该量子点层为InAs量子点，生长于吸收层上；

(9)接触层，该接触层GaAs材料，生长于量子点层上；

(10)源电极、漏电极和栅电极，通过光刻腐蚀后在接触层上淀积而成。

本发明的特点及效果如下：

1。本发明涉及的基于微腔的量子点场效应单光子探测器采用的是二阶光电导机制，其增益源自于载流子电导率对量子点束缚光生载流子的敏感性，因而具有极高的光电导增益和光子分辨能力。

2。本发明涉及的基于微腔的量子点场效应单光子探测器以二维电子气作为导电通道，其中二维电子气的形成采用的是δ掺杂GaAs/Al_0.26Ga_0.74As异质结构，即GaAs层不掺杂，宽带隙的Al_0.26Ga_0.74As材料层一侧设有一个δ掺杂层，δ掺杂层与GaAs层的二维电子气通过空间隔离层隔开，从而避免了电离杂质对二维电子气的影响，使导电通道内具有很高的电子迁移率。

3。本发明涉及的基于微腔的量子点场效应单光子探测器采用了一种无上反射镜的微腔结构设计，实际上是利用了空气/半导体界面作为微腔上反射镜，同时微腔下反射镜置于缓冲层和隔离层之间，从而避免了微腔反射镜的串联电阻对探测器光电响应的影响。由于微腔的作用，一方面使入射光子进入腔内以后得到共振增强，能够极大的提高探测器的光吸收能力和光响应能力；另一方面由于微腔的波长选择性，能够大幅度减少外界噪声的干扰，降低探测器的暗计数率。

附图说明