[发明专利]延伸波长台面型雪崩光电二极管及其制备方法

说明书

本发明属于光电检测以及图像传感器领域，为在降低器件暗电流的同时保证器件具有较高的光电流，为产业应用提供参考依据。本发明，延伸波长台面型雪崩光电二极管，自下而上结构依次为N+‑InP衬底、N‑InP缓冲层、N‑铟铝砷In(1‑x)AlxAs渐变层、N‑In0.83Ga0.17As吸收层、N‑In0.66Ga0.34As/InAs超晶格、N‑In0.83Ga0.17As吸收层、N‑铟镓砷磷In(1‑x)GaxAsyP(1‑y)组分渐变层、N‑InP电荷层、i‑InP倍增层以及P+‑InP接触层；光生载流子在倍增层不断碰撞电离，引发雪崩倍增。本发明主要应用于光电检测、光电传感器设计制造场合。

技术领域

本发明属于光电检测以及图像传感器领域，具体讲,涉及降低台面型InGaAs/InP(铟镓砷/铟磷)雪崩光电二极管暗电流的方法。

背景技术

单光子探测是将单个光子信号加以放大，并通过脉冲甄别和数字计数等技术进行识别，从而达到光电探测的极限灵敏度。单光子探测在高分辨率的光谱测量、微弱光成像、高速成像以及量子通信等领域都有广泛的应用，设计出高效、可靠的单光子探测器是单光子探测技术的关键问题之一。

目前，常用的单光子探测器主要有光电倍增管(PMT)、单光子雪崩二极管(SPAD)、真空雪崩光电二极管(VAPD)和超导单光子探测器(SSPD)等。其中，光电倍增管(PMT)需要较高的工作电压，抗外磁场性能差，且体积笨重，无法进行大规模集成；单光子雪崩二极管(SPAD)，即工作在盖革模式的雪崩光电二极管(GM-APD)，具有灵敏度高、响应速度快、体积小、结构紧凑、集成度高等优点；真空雪崩光电二极管(VAPD)是将PMT和APD结合而产生的一种单光子探测器件，制作工艺复杂、价格昂贵且难以集成；超导光电子探测器(SSPD)对工作环境要求极其苛刻，需要冷却至低温(<4K)才能工作，故至今无法实际应用。综上所述，单光子雪崩二极管(SPAD)是目前最有应用前景的一种单光子探测器，已经成为当前的研究热点之一。

近年来，量子保密通信得到迅猛发展，尤其是远距离量子密钥分发的研究取得极大进展，这使得工作在红外波段的单光子探测器越来越受到人们的重视。与InP(铟磷)衬底晶格匹配的InGaAs(铟镓砷)探测器的长波限为1.7μm，故不能满足短波红外(1～3μm)的应用需求。因此，发展高铟组分的InGaAs探测器具有重要的研究价值。然而，随着铟组分的增加，InGaAs与InP衬底之间的晶格失配加剧，容易使材料中产生缺陷和位错，从而使InGaAs探测器的暗电流迅速增大。近年来，研究人员为提高延伸波长InGaAs探测器的器件性能，进行了多方面的研究。例如，吉林大学马军等人分别采用InP、InAsP(铟砷磷)以及InAlAs(铟铝砷)作为盖帽层制备了延伸波长的PIN型InGaAs探测器，结果表明，InAlAs盖帽层制备的器件有更低的暗电流和更高的量子效率，反偏电压为0.5V时的暗电流可降至173μA/cm2。南京大学纪晓丽等人分析了感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术和等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术对延伸波长PIN型InGaAs探测器的性能影响，采用ICP技术制备器件的暗电流仅为PECVD技术制备器件的1/4。上述研究结果表明，目前降低延伸波长InGaAs探测器暗电流的主要方法是提高外延材料的生长质量，并采用先进工艺设备降低器件的缺陷，而从器件内部结构出发，通过优化器件结构降低暗电流的方式还鲜有研究。

发明内容