[发明专利]半导体红外上转换单光子探测设备及方法

权利要求书

1.一种半导体红外上转换单光子探测设备，其特征在于，包括半导体红外单光子上转换器件和Si单光子雪崩二极管探测器SPAD，其中，半导体红外上转换器件用于将红外单光子转换为1微米以下的近红外光子或可见光子，Si SPAD用于探测近红外光子或可见光子，半导体红外单光子上转换器件和Si SPAD通过高效率光耦合方式进行耦合：利用光黏胶粘合或通过晶片键合的方式直接集成。

2.如权利要求1所述的半导体红外上转换单光子探测设备，其特征在于，所述半导体红外单光子上转换器件包括半导体红外探测器和发出1微米以下的近红外光子或可见光子的半导体发光二极管。

3.如权利要求1或2所述的半导体红外上转换单光子探测设备，其特征在于，所述半导体红外单光子上转换器件是基于III-V族半导体材料体系，材料组分和器件结构根据待测波长所确定。

4.如权利要求3所述的半导体红外上转换单光子探测设备，其特征在于，待测波长为1.2至1.6微米，采取InP材料体系或者GaAs材料体系，以InP或者GaAs材料为衬底，利用分子束外延生长技术或者金属有机化学气相沉积生长1.2至1.6微米光纤通信波段p-i-n近红外探测器，其光吸收层为InGaAs、InGaNAs、GaNAsSb或InAsSb。

5.如权利要求3所述的半导体红外上转换单光子探测设备，其特征在于，发光二极管发光为1微米以下近红外光或可见光，采用GaAs/AlGaAs材料体系，通过直接外延生长或晶片键合方式将近红外探测器与GaAs发光二极管集成，制备半导体红外单光子上转换器件：1.2至1.6微米波长光子被p-i-n近红外探测器吸收后，形成的电子-空穴对在外加偏压作用下迁移至GaAs 发光二极管功能层并复合发光，实现1.2至1.6微米波长光子向0.87微米波长光子的转换。

6.一种半导体红外上转换单光子探测方法，其特征在于：包括：

  设置半导体红外上转换单光子探测系统，其包括半导体红外单光子上转换器件和Si单光子雪崩二极管探测器SPAD，半导体红外单光子上转换器件和Si SPAD通过高效率光耦合方式进行耦合：利用光黏胶粘合或通过晶片键合的方式直接集成;

利用体红外上转换器件将红外单光子转换为1微米以下的近红外光子或可见光子，

 利用Si SPAD来探测近红外光子或可见光子。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括：

待测波长为1.2至1.6微米时，可采取InP材料体系或者GaAs材料体系，以InP或者GaAs材料为衬底，利用分子束外延生长技术或者金属有机化学气相沉积生长1.2至1.6微米光纤通信波段p-i-n近红外探测器，其光吸收层为InGaAs、InGaNAs、GaNAsSb或InAsSb。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括：

发光二极管发光为1微米以下近红外光或可见光，可采用GaAs/AlGaAs材料体系，通过直接外延生长或晶片键合方式将近红外探测器与GaAs发光二极管集成，制备半导体红外单光子上转换器件：1.2至1.6微米波长光子被p-i-n近红外探测器吸收后，形成的电子-空穴对在外加偏压作用下迁移至GaAs 发光二极管功能层并复合发光，实现1.2至1.6微米波长光子向0.87微米波长光子的转换。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括：

通过光黏胶将红外上转换器件与Si SPAD粘合集成，当光黏胶的厚度与出射近红外光子波长相当时，发生光子隧穿效应，保证很高的光耦合系数；或

 利用晶片键合技术，将红外上转换器件和Si SPAD键合成一个整体；

GaAs和Si的光折射系数相当，可以保证很高的光耦合系数。

10.如权利要求9所述的半导体红外上转换单光子探测方法，其特征在于：半导体红外单光子上转换器件的工作于小偏压状态，以最大程度的减少暗电流和暗电流噪声。