[实用新型]一种硅基III-V族轴向异质结垂直纳米线阵列APD器件

说明书

本实用新型公开了一种能够提高Si和InGaAs的异质结界面质量，并且具有低暗电流，低噪声，高性能的硅基III‑V族轴向异质结垂直纳米线阵列APD器件。该硅基III‑V族轴向异质结垂直纳米线阵列器件包括衬底；所述衬底上设置有绝缘介质层；所述绝缘介质层内设置有垂直纳米线阵列；采用该硅基III‑V轴向异质结垂直纳米线阵列器件以硅作衬底，工艺与现有集成电路工业兼容，具有产业化的前景。

技术领域

本实用新型涉及一种对光信号探测的半导体器件，尤其是一种硅基III-V族轴向异质结垂直纳米线阵列APD器件。

背景技术

雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)指的是利用半导体中的光生载流子在强电场下发生雪崩倍增效应，光信号得到放大，从而实现对微弱光信号探测的一种半导体器件。APD具有很高的灵敏度，不需额外的外部放大器就可以实现对微弱光信号的探测。近红外波段APD在量子通讯、大气监测、红外遥感、自动驾驶、生物医学和航空航天等军事与民用领域得到了广泛应用。由于近红外波段APD具有重要的应用与科学前景，受到了世界各国政府和产业界的普遍关注，是国际研究的热点前沿领域。

噪声和速度是近红外APD现阶段面临的重要瓶颈，且后脉冲效应也是影响盖革模式下APD工作速度的关键因素之一。针对后脉冲效应，虽然已开发出一些复杂的主动抑制系统，但探测器的计数率很少能超过100kHz。这对于高速探测和光子到达探测器时间是未知的系统，如激光雷达和时间分辨率荧光光谱等应用，是不合适的。

对于传统的平面型近红外雪崩光电探测器来说，如果异质结晶体材料生长超过临界厚度的话，晶格失配会导致材料中位错的形成，这将严重影响器件的性能。由于晶格匹配的限制，平面型近红外APD器件的设计及探测波长范围受到了很大的限制。

目前在近红外波段应用最广泛的是InP基InGaAs吸收层、渐变层、电荷层、倍增层分离结构(SeparateAbsorption Grading Charge andMultiplication，SAGCM)的APD，其具有高增益带宽积、高量子效率和低暗电流等优点。然而，平面InP/InGaAs SAGCM型APD以InGaAs为吸收层的高质量探测器，由于需要跟InP衬底晶格匹配，组分限制为In＝0.53，使得探测波长范围受到限制。如果晶格不匹配会产生大量位错，严重影响器件性能。在近红外波段，InGaAs吸收系数不够高，如光纤通信波段，～10⁴cm^-1，为了获得外量子效率90％，需要吸收区厚度达2.5μm，这限制了器件的工作速度。通常在InP外延材料中深能级缺陷较多，盖革工作模式下，雪崩产生的大量载流子被这些深能级缺陷捕获，待测光信号停止后，这些载流子逃逸出陷阱会继续引起雪崩，造成后脉冲效应比较严重，限制了器件的光子计数频率。InP作为倍增层，材料中的空穴和电子的碰撞电离系数相差小，器件噪声大，而且采用InP作为衬底，价格昂贵，限制了器件的使用范围，难以应用到低成本民用产品中。

综上所述，目前广泛应用的近红外平面型InP基InGaAsAPD存在探测波长范围受限、噪声大和后脉冲效应严重等瓶颈，大大限制了其进一步的发展。

而与之相比，对于纳米线近红外雪崩光电探测器来说，材料的晶格失配应力可在纳米线表面得到有效地释放。轴向(axial)型和核壳(core-shell)纳米线异质材料结构的临界厚度大于平面型生长的薄膜样品。由于纳米线可耐受的晶格失配比较大，这给衬底的选择和异质结的设计，带来了很大的灵活性。因此，采用纳米线材料可减小由晶格匹配造成的探测器波长范围受限问题。纳米线结构，为问题的解决提供了新思路。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够提高Si和InGaAs的异质结界面质量，并且具有低暗电流，低噪声，高性能的硅基III-V轴向异质结垂直纳米线阵列APD器件。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硅基III-V族轴向异质结垂直纳米线阵列APD器件，包括衬底；所述衬底上设置有绝缘介质层；所述绝缘介质层内设置有垂直纳米线阵列；