[发明专利]一种采用低维量子点倍增层的半导体雪崩光电探测器

说明书

技术领域

本发明属于半导体雪崩光电探测器领域，特别涉及一种采用低维量子点倍增层的半导体雪崩光电探测器。

背景技术

半导体雪崩光电探测器(Avalanche Photodiode，APD)是一种利用载流子碰撞离化倍增效应实现内部光电流放大的高灵敏型光探测器。其基本结构是一个工作于大反向偏压下的半导体光电二极管，通过利用耗尽区内光生载流子的碰撞离化倍增效应实现器件内光电流增益。可提供比PIN型探测器高5dB甚至以上的光电流增益。APD还具有更低的结电容，因此能同时满足高速响应和高探测灵敏度。根据所用半导体材料的不同，APD可以覆盖不同的光探测波段。如200-1000nm波段的Si APD，0.9-1.7μm波段的Ge/Si、InP/InGaAsP、InP/InGaAs及InAlAs/InGaAs APD，1.8-2.5μm波段的InP/InGaAs/GaAsSb二类超晶格APD、GaSb/InAs超晶格APD，2-3.3μm波段的InAs APD和4μm波段的HgCdTe APD等。根据工作电压的不同，可以将APD工作模式分为线性模式盖革模式。在线性模式下，工作电压小于击穿电压。通常可以实现1-100之间的增益系数。根据工作波长的不同，可以被应用于自由空间光通信、光纤通讯、激光测距、医疗检测、气体含量分析等等领域。而在盖革模式下，工作电压大于击穿电压，可实现>10⁵的光电流增益，实现对单光子的灵敏探测。盖革模式APD器件具有结构简单可靠、可室温工作无需制冷、低成本和易于系统集成等突出优势。此外，APD器件具有比传统PIN更小的结电容和更高的增益带宽积，盖革APD在传统光纤通讯和航天三维激光雷达成像、单光子计数、量子密钥分发等前沿光子学领域均已经获得了重要应用。以InP基InGaAs、InGaAsP APD为例，其峰值探测波长分别位于1.55μm和1.06μm附近，分别被应用于光通信和激光雷达成像领域。尽管APD器件的研究和应用已经取得了较大发展，但是，目前其器件性能已经达到瓶颈。其线性模式下的增益带宽积、增益系数、过剩噪声，盖革模式下的光探测效率、暗计数等性能均难以再通过常规的材料和器件结构优化进一步提升，因此也对实际应用产生了较大限制。根本原因在于InP、InAlAs、InAs等倍增层材料的载流子碰撞离化几率难以进一步提升，且碰撞离化发生的位置不确定性高，进而限制了APD的增益系数和过剩噪声性能的提升。

为了突破APD器件的性能瓶颈，人们相继探索并提出了一系列方法，包括利用薄倍增层的“死空间”效应降低过剩噪声因子(Applied Physics Letters,82(13),2175-2177(2003))，利用渐变禁带宽度倍增层的低碰撞离化阈值能量增强增益(IEEE Photonics Technology Letters14(12),1722-1724(2002))，利用晶片键合技术键合晶格失配的高效倍增材料提高雪崩特性(《光电器件》，31卷第5期，702-758(2010))，以及利用多级pin级联倍增增强碰撞离化系数(美国专利Voxtel,Inc.US 7432537B1)等。以上探索均对APD性能有一定提升，并分别显现出了它们的应用价值。然而也都分别存在一定的问题，如材料制备工艺复杂、暗电流大、器件可靠性低等。进一步寻求新的提升雪崩几率、降低过剩噪声的新型材料或器件结构仍然有重要意义。半导体量子点是一类载流子三维受限的量子结构，其具有许多优异的物理特性，如量子结构内的能级分立，存在声子瓶颈效应和增强的库仑相互作用，且其内部电声子散射能量弛豫较体材料大大降低。因此量子点在光电能量转换方面具有重要应用价值。有关量子点中雪崩效应的研究始于2004年(Physical Review Letters 92(18)186601(2004))，但该类研究报道所述及的“雪崩”本质上是指高能光子辐射半导体材料所产生的“多激子激发”效应，研究其用于提升太阳能电池光电效率。并非是指电子或空穴在量子点中的碰撞离化效应。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用低维量子点倍增层的半导体雪崩光电探测器，该半导体雪崩光电探测器增益系数显著提升、过剩噪声得到抑制，可广泛应用于增强Si-Ge、GaAs-InAs、InP-InGaAs、InAlAs-InGaAs、GaAs-AlSb等不同波段的雪崩探测器性能，提升高速光通讯、单光子计数、激光雷达、量子信息等雪崩探测器系统的应用水平。