本發(fā)明屬于半導體雪崩光電探測器領域，特別涉及一種采用低維量子點倍增層的半導體雪崩光電探測器。

背景技術：

半導體雪崩光電探測器(Avalanche Photodiode，APD)是一種利用載流子碰撞離化倍增效應實現(xiàn)內部光電流放大的高靈敏型光探測器。其基本結構是一個工作于大反向偏壓下的半導體光電二極管，通過利用耗盡區(qū)內光生載流子的碰撞離化倍增效應實現(xiàn)器件內光電流增益?？商峁┍萈IN型探測器高5dB甚至以上的光電流增益。APD還具有更低的結電容，因此能同時滿足高速響應和高探測靈敏度。根據(jù)所用半導體材料的不同，APD可以覆蓋不同的光探測波段。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二類超晶格APD、GaSb/InAs超晶格APD，2-3.3μm波段的InAs APD和4μm波段的HgCdTe APD等。根據(jù)工作電壓的不同，可以將APD工作模式分為線性模式蓋革模式。在線性模式下，工作電壓小于擊穿電壓。通?？梢詫崿F(xiàn)1-100之間的增益系數(shù)。根據(jù)工作波長的不同，可以被應用于自由空間光通信、光纖通訊、激光測距、醫(yī)療檢測、氣體含量分析等等領域。而在蓋革模式下，工作電壓大于擊穿電壓，可實現(xiàn)>10⁵的光電流增益，實現(xiàn)對單光子的靈敏探測。蓋革模式APD器件具有結構簡單可靠、可室溫工作無需制冷、低成本和易于系統(tǒng)集成等突出優(yōu)勢。此外，APD器件具有比傳統(tǒng)PIN更小的結電容和更高的增益帶寬積，蓋革APD在傳統(tǒng)光纖通訊和航天三維激光雷達成像、單光子計數(shù)、量子密鑰分發(fā)等前沿光子學領域均已經獲得了重要應用。以InP基InGaAs、InGaAsP APD為例，其峰值探測波長分別位于1.55μm和1.06μm附近，分別被應用于光通信和激光雷達成像領域。盡管APD器件的研究和應用已經取得了較大發(fā)展，但是，目前其器件性能已經達到瓶頸。其線性模式下的增益帶寬積、增益系數(shù)、過剩噪聲，蓋革模式下的光探測效率、暗計數(shù)等性能均難以再通過常規(guī)的材料和器件結構優(yōu)化進一步提升，因此也對實際應用產生了較大限制。根本原因在于InP、InAlAs、InAs等倍增層材料的載流子碰撞離化幾率難以進一步提升，且碰撞離化發(fā)生的位置不確定性高，進而限制了APD的增益系數(shù)和過剩噪聲性能的提升。

為了突破APD器件的性能瓶頸，人們相繼探索并提出了一系列方法，包括利用薄倍增層的“死空間”效應降低過剩噪聲因子(Applied Physics Letters,82(13),2175-2177(2003))，利用漸變禁帶寬度倍增層的低碰撞離化閾值能量增強增益(IEEE Photonics Technology Letters14(12),1722-1724(2002))，利用晶片鍵合技術鍵合晶格失配的高效倍增材料提高雪崩特性(《光電器件》，31卷第5期，702-758(2010))，以及利用多級pin級聯(lián)倍增增強碰撞離化系數(shù)(美國專利Voxtel,Inc.US 7432537B1)等。以上探索均對APD性能有一定提升，并分別顯現(xiàn)出了它們的應用價值。然而也都分別存在一定的問題，如材料制備工藝復雜、暗電流大、器件可靠性低等。進一步尋求新的提升雪崩幾率、降低過剩噪聲的新型材料或器件結構仍然有重要意義。半導體量子點是一類載流子三維受限的量子結構，其具有許多優(yōu)異的物理特性，如量子結構內的能級分立，存在聲子瓶頸效應和增強的庫侖相互作用，且其內部電聲子散射能量弛豫較體材料大大降低。因此量子點在光電能量轉換方面具有重要應用價值。有關量子點中雪崩效應的研究始于2004年(Physical Review Letters 92(18)186601(2004))，但該類研究報道所述及的“雪崩”本質上是指高能光子輻射半導體材料所產生的“多激子激發(fā)”效應，研究其用于提升太陽能電池光電效率。并非是指電子或空穴在量子點中的碰撞離化效應。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種采用低維量子點倍增層的半導體雪崩光電探測器，該半導體雪崩光電探測器增益系數(shù)顯著提升、過剩噪聲得到抑制，可廣泛應用于增強Si-Ge、GaAs-InAs、InP-InGaAs、InAlAs-InGaAs、GaAs-AlSb等不同波段的雪崩探測器性能，提升高速光通訊、單光子計數(shù)、激光雷達、量子信息等雪崩探測器系統(tǒng)的應用水平。

本發(fā)明的一種采用低維量子點倍增層的半導體雪崩光電探測器，在半導體雪崩光電探測器的倍增層中包含有若干層量子點層，所述量子點層具有比倍增層更窄的禁帶寬度，且與倍增層材料形成I型能帶結構。

所述半導體雪崩光電探測器的結構如下：

倍增層材料碰撞離化系數(shù)比大于1(如Si、GaAs、InAlAs等)，采用電子倍增架構，P⁺-P^--P^+-P^--N⁺的整體摻雜構型：由下至上器件依次包含襯底層、P⁺緩沖層、P⁺接觸層、包含有量子點層的P^-倍增層、P⁺電場控制層、P^-能帶過渡層、P^-光吸收層、P⁺包覆層和P⁺接觸層；

或者倍增層材料碰撞離化系數(shù)比小于1(如InP等)，采用空穴倍增架構，P⁺-N^--N^+-N^--N⁺的整體摻雜構型：由下至上器件依次包含襯底層、N⁺緩沖層、N⁺接觸層、N⁺包覆層、N^-光吸收層、N^-能帶過渡層、N⁺電場控制層、包含有量子點層的N^-倍增層和N⁺接觸層。

采用電子倍增架構時，量子點與倍增層材料的導帶帶階大于價帶帶階；且導帶帶階與價帶帶階之差越大器件性能增強效果越好；

采用空穴倍增架構時，量子點與倍增層材料的價帶帶階大于導帶帶階；且導帶帶階與價帶帶階之差越大器件性能增強效果越好。

所述量子點層采用比倍增層材料晶格常數(shù)更大的材料制備。

所述量子點層為多層時，相鄰量子點層之間的間隔層厚度大于量子點之間的受限激子波函數(shù)相互作用距離(一般應大于20nm)，形成足夠高的勢壘，相鄰量子點層之間不耦合。

所述半導體雪崩光電探測器通過臺面結結構制備或者通過平面結結構制備。

所述半導體雪崩光電探測器為Si-Ge、GaAs-InAs、InP-InGaAs、InAlAs-InGaAs、GaAs-GaSb或GaAs-AlSb雪崩光電探測器。

本發(fā)明是利用量子點的低碰撞離化閾值特性，同時利用量子點內的聲子瓶頸效應和量子點與勢壘層之間的帶階，在量子點層內實現(xiàn)高效的載流子定域碰撞離化雪崩倍增，實現(xiàn)提升APD的增益，同時降低過剩噪聲。具體包括：

(1)材料的設計思路：

半導體量子點內由于載流子波函數(shù)在三維空間上受限，因此內部呈現(xiàn)量子化的分立能級。而由于載流子的能級分立，因此由躍遷定則可知，量子點內的躍遷能量也呈現(xiàn)量子化。由于聲子能量通常很小，因而聲子與晶格原子散射發(fā)射或者吸收一個聲子的動量能量守恒容易通過材料內連續(xù)能級的躍遷實現(xiàn)匹配。而在量子點內，由于量子化的躍遷能量通常大于一個聲子的能量，因此無法實現(xiàn)匹配，進而導致聲子散射被顯著抑制。這意味著在量子點內輸運的載流子的動能不再容易通過聲子散射而損失，因此更容易達到碰撞離化閾值能量，進而發(fā)生碰撞離化，產生雪崩倍增。

另一方面，半導體量子點的生長通常是通過在晶格更小的異質材料表面通過先層狀-后島狀(S-K)的生長模式實現(xiàn)。由于量子點材料的晶格通常大于基質材料，因此其禁帶寬度也小于基質材料。故量子點與基質材料之間通常存在大的帶階，且導帶和價帶的帶階通常不同。而從APD器件的角度出發(fā)，由于倍增層內存在高電場，因此通常要求倍增層材料具有較大的禁帶寬度(較小的晶格常數(shù))，以降低由于隧穿導致的暗電流。而由于碰撞離化閾值能量與禁帶寬度成正比，因此同時又要求倍增層材料具有較小的禁帶寬度(較大的晶格常數(shù))，以降低碰撞離化閾值能量，提高雪崩增益。在相互矛盾的要求下，作為平衡考慮，通常是選取一個具有中等禁帶寬度的材料作為倍增層。考慮到上述情況，將窄禁帶的量子點生長在寬禁帶的倍增層材料內，則一方面可以繼續(xù)保持低的倍增層隧穿暗電流，另一方面又可以同時利用量子點的窄帶隙和低碰撞離化閾值特性大大提升雪崩增益。此外，插入量子點的另一大利處在于，量子點和倍增層基質間存在大的帶階，因此載流子將在從倍增區(qū)基質進入量子點的界面處獲得能量等于帶階差的額外動能，進而進一步提升雪崩增益。

由于量子點倍增結構中，主要的載流子碰撞離化過程發(fā)生在極薄的量子點層，因此雪崩倍增在空間上的確定性大大提升，進而顯著降低了由于碰撞離化在雪崩層中位置不確定所產生的過剩噪聲。進一步提升APD性能。

量子點APD的基本結構仍然基于傳統(tǒng)的高性能吸收層倍增層分離架構。在寬禁帶的倍增區(qū)材料中，根據(jù)材料的具體晶格結構和厚度，插入相匹配的若干層窄禁帶量子點。間隔層厚度需要大于相鄰量子點層的激子波函數(shù)的耦合臨界厚度。一般應大于20nm。這是由于若間隔層厚度太薄，倍增層內的電壓會更多的降低到量子點層，進而導致器件暗電流明顯增加。

本發(fā)明的量子點倍增結構，廣泛適用于增強不同材料體系的雪崩探測器性能，進而可以被用于不同探測波段。如Si或者SiGe的APD器件可以在Si倍增層中插入Ge量子點層；GaAs的同質結APD器件則可以在GaAs倍增層中插入InAs或GaSb量子點層；InP/InGaAs或InAlAs/InGaAs的APD器件可以在InP倍增層中插入InAs量子點層；GaSb/AlSb的APD器件可以在AlSb倍增層中插入InSb量子點層，等等。根據(jù)倍增區(qū)基質材料的電子空穴碰撞離化系數(shù)，對于電子碰撞離化系數(shù)大于空穴的，選擇與倍增層基質具有更大導帶帶階的量子點材料；而對于空穴碰撞離化系數(shù)大于電子的，則選擇與倍增層基質具有更大價帶帶階的量子點材料；通過選擇合適的量子點材料，可以最大化的發(fā)揮量子點帶來的雪崩增益增加和過剩噪聲系數(shù)降低的優(yōu)勢。

(2)材料的生長結構：

基于以上設計思路，以InGaAs/InAlAs吸收倍增分離型APD為例，具體給出一種采用量子點倍增區(qū)的APD器件結構。器件基本結構如圖1所示。由于InAlAs材料的電子比空穴具有更高的碰撞離化系數(shù)，因此采用電子作為倍增載流子，器件使用P⁺-P^--P^+-P^--N⁺的整體摻雜構型。在半絕緣或者N型導電InP襯底上，首先外延N型重摻雜(N⁺)的InAlAs緩沖層，同時該緩沖層作為N型金屬接觸層。然后外延P型低摻雜濃度(P^-)或者不摻雜的量子點倍增區(qū)，包含一定厚度的InAlAs基質和間隔厚度大于20nm的若干層InAs量子點。InAs量子點生長過程中不摻雜。接著生長一定厚度的中高摻雜(P)型InAlAs電荷層，以控制電場的分布，使得強電場分布在倍增區(qū)，而吸收層僅存在低電場。最后生長P型低摻雜濃度(P^-)或者不摻雜的InGaAs光吸收層區(qū)和P型重摻雜(P⁺)的InAlAs P區(qū)電極接觸層。

本發(fā)明所提出的量子點倍增APD結構，是一種基于傳統(tǒng)意義上強電場下載流子雪崩碰撞離化倍增概念的探測器器件結構，可以充分利用半導體量子點的量子效應優(yōu)勢，同時提升雪崩增益系數(shù)和降低過剩噪聲因子。這種量子點倍增結構適用于多種APD材料體系，對于提升APD的器件性能將十分有利。

有益效果

(1)本發(fā)明雪崩區(qū)內聲子散射被顯著抑制，載流子的動能損失更少，因此更容易達到碰撞離化閾值能量，產生雪崩倍增。

(2)本發(fā)明在保持低倍增層隧穿暗電流的前提下，利用量子點的窄帶隙和低碰撞離化閾值特性大大提升雪崩增益。

(3)本發(fā)明利用倍增層基質和量子點的導帶或者價帶帶階差，為電子或空穴提供額外的動能，提高雪崩增益。

(4)本發(fā)明碰撞離化在空間上發(fā)生的確定性大大提升，顯著降低雪崩過剩噪聲系數(shù)。

(5)本發(fā)明量子點和倍增區(qū)基質的帶階可以由量子點的種類控制，且可以增加插入層數(shù)產生級聯(lián)倍增，便于實現(xiàn)最優(yōu)化的雪崩性能增強。

(6)本發(fā)明的APD結構可廣泛應用于增強Si-Ge、GaAs-InAs、InP-InGaAs、InAlAs-InGaAs、GaAs-AlSb等不同波段的雪崩探測器性能，提升高速光通訊、單光子計數(shù)、激光雷達、量子信息等雪崩探測器系統(tǒng)的應用水平。

附圖說明

圖1為本發(fā)明以電子倍增APD器件為例時，P⁺-P^--P^+-P^--N⁺型量子點倍增APD器件結構示意圖；

圖2為以GaAs/InAs為例的量子點APD結構(左)及無量子點的對照APD器件結構(右)示意圖；

圖3為量子點APD與對照APD的雪崩增益的實際測量結果；其中黑色實線為量子點APD的光電流和暗電流曲線，灰色虛線為對照APD的光電流和暗電流曲線，黑色圓點為量子點APD的增益曲線，灰色菱形框為對照APD的增益曲線；

圖4為量子點APD與對照APD的過剩噪聲系數(shù)的實際測量結果；其中方形實心點為量子點APD的過剩噪聲數(shù)據(jù)，圓形實心點為對照APD的過剩噪聲數(shù)據(jù)；虛線為理論計算的不同碰撞離化系數(shù)比(k)下的過剩噪聲曲線。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。

實施例1

本實施例目的是用InAs量子點作為倍增材料提升GaAs APD的增益系數(shù)降低其過剩噪聲。器件為臺面結結構，采用吸收倍增分離型基本架構，采用電子作為倍增載流子，采用P⁺-P^--P^+-P^--N⁺的摻雜結構，器件材料使用分子束外延系統(tǒng)生長獲得。通過與無量子點倍增的對照器件對比，驗證本發(fā)明的可行性。量子點倍增與無量子點倍增APD的具體器件結構分別如圖2左右所示。兩者除倍增區(qū)外其余器件結構參數(shù)完全相同。其結構由下至上依次包含以下材料：

①半絕緣(S.I.)GaAs(001)襯底。厚度350微米，電阻率ρ≥1MΩ·cm。

②N型重摻雜(N⁺)GaAs接觸層。厚度500nm，摻雜濃度4×10¹⁸cm^-3。

③電子倍增層。量子點APD的倍增層包括5層不摻雜的InAs量子點，每層量子點沉積量為2.25個原子層。相鄰量子點層之間為厚度50nm的P^-摻雜GaAs間隔層，摻雜濃度為8×10¹⁵cm^-3。總共6層間隔層，總厚度300nm。對照APD的倍增層包括厚度300nm的P^-摻雜GaAs層，摻雜濃度為8×10¹⁵cm^-3。

④P型中等摻雜GaAs電荷層。厚度70nm，摻雜濃度為6×10¹⁷cm^-3。

⑤P^-摻雜的GaAs光吸收層，厚度1500nm，摻雜濃度為8×10¹⁵cm^-3。

⑥P型重摻雜(P⁺)GaAs接觸層。厚度100nm，摻雜濃度為6×10¹⁸cm^-3。

器件材料的分子束外延生長過程如下：

(1)通過預備生長確定在GaAs(001)襯底上生長沉積量為2.25原子層的InAs量子點和摻雜濃度分別為N型4×10¹⁸cm^-3，P型6×10¹⁷、6×10¹⁸、8×10¹⁵cm^-3的GaAs單層材料的襯底溫度、束源爐溫度等生長條件；

(2)在對2片Epi-Ready GaAs(001)襯底(半絕緣)進行600℃脫附氧化物處理后，分別用于生長量子點APD器件和對照器件。量子點APD器件依次生長材料②至材料⑥，其中材料③的結構采用量子點倍增結構，每層的厚度、沉積量及摻雜濃度均如上所述。對照APD器件依生長材料②至材料⑥，其中材料③的結構采用無量子點的GaAs體材料，厚度及摻雜濃度均如上所述。

(3)生長完畢后結束生長，在As₂保護氣氛下降低襯底溫度和源爐溫度至200℃以下，取出外延材料。

臺面型APD器件的制備工藝過程如下：

(1)旋涂光刻膠，通過光刻工藝對材料進行圖形曝光、顯影，并進行化學溶液濕法腐蝕或者干法離子刻蝕，去除光刻膠，制備探測器臺面。

(2)ICP-CVD生長SiN_x鈍化膜300nm。

(3)再次進行涂膠、光刻套刻、顯影，獲得電極圖形，并進行CF₄反應離子刻蝕，去除臺面上和N型接觸層表面電極區(qū)域的SiN_x薄膜。

(4)第三次進行涂膠、光刻套刻、顯影，獲得電極圖形，并利用電子束蒸發(fā)蒸鍍Ti/Pt/Au金屬材料，厚度為20nm/20nm/300nm。并同通過剝離工藝，去除光刻膠，獲得完整的器件結構。

對所獲得的InAs/GaAs量子點APD器件和對照APD器件分別進行直流暗電流、光電流測試，獲得器件的增益系數(shù)，實際測量結果如圖3所示?？梢钥闯觯孔狱cAPD器件增益為100左右，而對照APD器件的增益僅為11左右，增益增強了約10倍。圖4為量子點APD和對照APD的實際過剩噪聲系數(shù)測量結果，可以看出，量子點APD的過剩噪聲系數(shù)下降至接近k＝0的理想值，比對照APD的過剩噪聲有顯著降低。圖3和4的測量結果，充分證實了本發(fā)明器件結構在增強雪崩探測器增益和降低過剩噪聲方面的可行性。