[发明专利]基于表面等离子体激元增强吸收的铟镓砷雪崩光电探测器

说明书

本发明公开了一种基于表面等离子体激元的铟镓砷雪崩光电探测器，包括包括InP衬底和由下至上依次形成在InP衬底上的第一InP过渡层、第一InP接触层、InP倍增层、InP电荷层、nGaAsP能带过渡层、InGaAs光吸收层、第二InP过渡层、第二InP接触层，第二InP接触层上形成正电极和金属二维孔阵列结构，第一InP接触层上形成负电极。本发明金属二维孔阵列结构可以使得表面等离子体激元与入射光耦合，增强光吸收，由于表面等离子体激元的局域性在亚波长范围，因此设计铟镓砷雪崩光电探测器的结构时接触层和吸收区要薄，使得耦合光可以局域在吸收区附近，从而增强光吸收。

技术领域

本发明属于近红外雪崩光电探测器技术领域，涉及一种基于表面等离子体激元增强吸收的铟镓砷雪崩光电探测器。

背景技术

表面等离子体激元主要研究亚波长金属纳米结构独特的光学特性及其在纳米尺寸上对光的操控。通过改变亚波长结构的形状、材料、分布以及所处的介电环境可以对表面等离子体激元的共振波长、场增强因子、场分布、辐射等特性进行有效调控。表面等离子体激元光电探测器的研究发展体现为其光电性能的提高，尤其是提升器件的近红外探测能力。从改善金属微纳结构的角度进行优化，如通过在有源层上构造随机或规则金属纳米颗粒阵列来提高器件的光吸收，构造一维或二维金属光栅来提升热载流子传输效率，从而提升器件的综合性能。

雪崩探测器是目前量子信息领域、激光雷达和生物医学等领域的关键器件。基于铟镓砷雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器适用于近红外波段，响应速度快，体积小巧，易于和光纤与器件耦合，实用性较强。然而，基于铟镓砷APD的单光子探测器的主要缺点在于其吸收区较宽、吸收系数较小，由吸收区的隧穿效应带来的暗电流和暗计数较大，探测效率相对偏低。

由于传统光电探测器件功能单一，已无法满足应用需求。而将表面等离子体激元效应应用到传统光电探测器中，能够给予传统探测器更强的性能和更多的功能，例如实现偏振、角度或光谱的选择以及增强探测器的吸收率等。表面等离子体激元激发的热载流子光电探测在理论与应用上有着广泛的发展前景，为研发具有超紧凑、高灵敏度、高响应率等一系列优良特性的光电器件提供依据，有望在图像传感、通信、医学诊断等领域发挥重要作用。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提出可以用于铟镓砷雪崩光电探测器(APD)上的薄膜金属结构，主要是基于表面等离子体激元增强吸收的铟镓砷雪崩光电探测器结构。由于传统铟镓砷雪崩光电探测器的吸收区较宽、吸收系数较小，由吸收区的隧穿效应带来的暗电流和暗计数较大，探测效率相对偏低，因此，发明一种基于表面等离子体激元的金属二维孔阵列来增强吸收，减小吸收区厚度，又可以保证探测效率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于表面等离子体激元的铟镓砷雪崩光电探测器，为台面结构，其包括InP衬底和由下至上依次形成在InP衬底上的第一InP过渡层、第一InP接触层、InP倍增层、InP电荷层、nGaAsP能带过渡层、InGaAs光吸收层、第二InP过渡层、第二InP接触层，第二InP接触层上形成正电极和金属二维孔阵列结构，第一InP接触层上形成负电极。

各层结构为：

InP衬底，厚度150um-300um，掺杂浓度为3-8×10¹⁸/cm³；

第一InP过渡层，厚度0.5-2um，本征掺杂；

第一InP接触层，厚度0.5-2um，掺杂浓度为1-5×10¹⁸/cm³；

InP倍增层，厚度为0.5-2um，本征掺杂；

InP电荷层，厚度为0.1-0.2um，掺杂浓度为1-3×10¹⁷/cm³；