CN102820365A

CN102820365A - 半导体红外上转换单光子探测设备及方法

Info

Publication number: CN102820365A
Application number: CN2012103003426A
Authority: CN
Inventors: 刘惠春; 杨耀
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明公开了一种半导体红外上转换单光子探测设备，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，SiSPAD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SiSPAD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，其所要解决的技术问题是提出的一种半导体红外单光子上转换探测技术。本发明所提出的方案具备探测效率高、最大计数率较高、暗计数率低、可以连续计数、室温或准室温工作，可显著降低红外单光子探测的技术难度和成本。

Description

半导体红外上转换单光子探测设备及方法

技术领域

本发明提出一种基于新型物理机制的高灵敏度红外光子探测技术，具体为半导体红外上转换单光子探测技术。

背景技术

少数光子探测技术尤其是红外单光子探测在量子信息处理、量子保密通信、激光测距、激光雷达、宇宙学等领域具备重要意义。目前最重要的单光子探测器件为雪崩二极管单光子探测器（SPAD）。雪崩二极管工作于非线性模式时，单个光子的吸收对应一个可测量的宏观电脉冲，其增益大于10⁶，从而可以实现单光子的探测。与其它单光子探测方案相比，SPAD具备单光子探测效率高、功耗低、可靠性和稳定性好、易于构建集成系统、工作温度高于热电制冷温度、计数率高等优点。

根据探测波段的不同，用于制备雪崩二极管吸收层的材料有Si、Ge和In_0.47Ga_0.53As（以下简写为InGaAs）等。在300-900纳米波段，Si SPAD性能优异：单光子量子探测效率最高可达70%，暗记数率小于50 Hz，后脉冲效应小，可连续计数，光子到达时间抖动半高宽在数百皮秒量级。Si SPAD优异的单光子探测性能主要来源于高质量的Si材料。但是Si的禁带宽度较大，当探测波长大于1微米时，其量子效率迅速降低至1%以下，失去实际应用价值。

1.2微米和1.6微米是现在光纤通信和传感系统两个窗口区，传输色散和损耗远小于其他波长区域，是光纤通信系统采用的载波波长。针对该波段的红外单光子探测，InGaAs雪崩二极管、超导临界温度跃迁单光子探测器、利用非线性光学技术频率上转换单光子探测系统是目前主要研究方向。其中， InGaAs/InP SPAD与现有光纤通信系统相容性高、工作温度处于热电制冷区，在量子保密通信应用中具备较为明显的优势。目前InGaAs/InP SPAD的单光子最佳探测效率为20%，暗计数率约为100 Hz，后脉冲效应远高于Si SPAD。

除了InGaAs/InP SPAD之外，人们还研究了以InGaAs为吸收层、Si为倍增层的雪崩二极管器件，但其器件性能有待优化，尚且不能满足高性能单光子探测器实际需要。此外，人们还研究了超导临界温度跃迁单光子探测器除了基于超导隧穿结和钨基跃迁边界传感器，以及 n-p-n单光子探测器。这些器件存在工作低（液氦温度）、器件制备工艺复杂等缺点，目前难以实现规模化应用。另一种有效的红外单光子探测方案是上转换单光子探测。利用非线性光学晶体，将待探测光和泵浦激光进行和频上转换，可以将长波长红外光子转换为1微米波长以下的近红外光子，再利用Si SPAD进行探测。但此类系统具有结构复杂、体积庞大、对环境要求高等缺点，限制了其应用。

综上所述，在1.2至1.6微米的光纤通信波段，急需出现一种紧凑便利、结构简单、探测效率高、工作温度高单光子探测手段。针对此问题，我们发明一种半导体红外上转换光子探测技术。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种半导体红外上转换单光子探测设备，以解决急需出现一种紧凑便利、结构简单、探测效率高、工作温度高单光子探测手段的技术问题。

一种半导体红外上转换单光子探测设备，包括半导体红外单光子上转换器件和Si 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：利用光黏胶粘合或晶片键合的方式直接集成。

一种半导体红外上转换单光子探测方法，包括：

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。

较佳地，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。

较佳地，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。

较佳地，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。

一种半导体红外上转换单光子探测方法，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Si SPAD来探测近红外光子或可见光子。

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。

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。

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。利用分子束外延设备（MBE）或金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）技术生长获得，随后利用光刻、刻饰等标准半导体制程制备。

一种1.2–1.6微米光纤通信波段半导体上转换单光子探测方法，包括：

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。利用基于InP衬底的InGaAs近红外探测器和基于GaAs材料的InGaAsSb、InAsSb、GaNAsSb近红外探测器，我们已经实现了吸收效率高于90%的红外光吸收。目前InGaAs/InP p-i-n近红外探测器已经发展到比较成熟的地步，我们制备的InGaAs/InP近红外探测器，除去表面反射部分，吸收效率接近100%。与此同时，我们研制出与GaAs材料晶格匹配的GaAs/GaNAsSb p-i-n近红外探测器，其吸收系数也高于90%。

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。针对小注入条件对GaAs/AlGaAs发光二极管加以优化，获取了效率接近100%的高效注入和辐射复合。在发光二极管有效复合层中主要有三种复合方式：自发辐射复合、肖克莱-霍尔-里德非辐射复合和俄歇非辐射复合。发光二极管发光内量子效率由自发辐射复合速率与总的复合速率的比值决定。上转换器件中的电流密度通常比较小，我们针对小电流注入条件对发光二极管开展了最优化研究和设计，在小电流注入以及室温条件下的内量子效率接近100%。除此之外，我们还研究了光子循环效应的发光二极管，器件的内量子效率可以得到进一步提升。

通过晶片键合技术或者光黏胶将半导体红外单光子上转换器件与Si SPAD粘合集成，上转换而成0.87微米波长光子耦合进入Si SPAD并为其所探测，进而实现1.2至1.6微米波长单光子的探测。利用我们提出的高效光耦合方案，红外上转换器件与Si SPAD之间的光耦合效率可达90%以上。我们提出两种光耦合互联方式，其一是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，会发生光子隧穿效应、，研究表明此时的光耦合效率可达90%以上。该耦合方案的优点在于，频率上转换单元与Si SPAD间完全电隔离，上转换单元为低场、低电流区，最大限度去除高电场、高电流对上转换单元的影响；另一种方案是利用晶片键合技术，将红外上转换器件和Si SPAD键合成一个整体。通过理论分析可知，利用这两种方案，都可以获得90%以上的光耦合效率。

本发明提出的1.2至1.6微米波长单光子探测方案和器件目前在世界范围内未见公开报道，属于首次提出。

本发明具有以下优点：

1. 本发明所提出的半导体红外上转换单光子探测方法具备很高的（可达50%以上）红外单光子探测效率，显著高于其他光纤通信波段的单光子探测技术。

2. 本发明所提出的半导体红外上转换单光子探测方法最大计数率较高（可达10MHz以上）、同时暗计数率低（可小于1KHz），可以连续计数。

3. 本发明所提出的半导体红外上转换单光子探测器件可以在室温或准室温下工作，无需杜瓦或者循环制冷设备，可以大大降低技术难度和成本。

4. 本发明中的半导体红外上转换单光子探测器件基于半导体III-V材料，可以利用金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）直接在半导体衬底上生长，然后利用光刻、刻饰等标准的半导体技术手段制备，其流程标准结构稳定，有益于大批量、低成本生产。

附图说明

图1是本发明的半导体红外上转换单光子探测技术

图2是本发明的半导体红外单光子上转换器件实例

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1显示了本发明的半导体红外上转换单光子探测器件，由（1）半导体红外探测器件，和（2）近红外或者可见光发光二极管，由（1）和（2）集成构成（3）半导体红外单光子上转换器件，以及（4）Si SPAD构成。结构（3）和结构（4）之间通过晶片键合的方式集成（如左图所示），或者利用光黏胶进行粘合（如右图所示），从而实现高效率光耦合。

主要由利用（3）半导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，具体过程为半导体红外探测器件（1）吸收红外单光子，并且产生光生载流子，光生载流子输运到近红外或者可见光发光二极管（2）中，进行电子-空穴对复合产生1微米以下波长或者可见光子。随后（2）所产生的可见光子被（4）Si SPAD所探测，Si SPAD具备极微弱光子甚至是单光子的探测能力，从而实现对红外光子的间接探测。其中，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。待测波长为1.2至1.6微米时，一般采取InP或者GaAs材料体系；发光二极管发光为1微米以下近红外光或可见光，一般采用GaAs/AlGaAs材料体系。

具体的实现方式如下：

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；

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。

随后，通过晶片键合技术或者光黏胶将半导体红外单光子上转换器件与Si SPAD粘合集成，上转换而成0.87微米波长光子耦合进入Si SPAD并为其所探测，进而实现1.2至1.6微米波长单光子的探测。

利用基于InP衬底的InGaAs近红外探测器和基于GaAs材料的InGaAsSb、InAsSb、GaNAsSb近红外探测器，我们已经实现了吸收效率高于90%的红外光吸收。目前InGaAs/InP p-i-n近红外探测器已经发展到比较成熟的地步，我们制备的InGaAs/InP近红外探测器，除去表面反射部分，吸收效率接近100%。与此同时，我们研制出与GaAs材料晶格匹配的GaAs/GaNAsSb p-i-n近红外探测器，其吸收系数也高于90%。

针对小注入条件对GaAs/AlGaAs发光二极管加以优化，获取了效率接近100%的高效注入和辐射复合。在发光二极管有效复合层中主要有三种复合方式：自发辐射复合、肖克莱-霍尔-里德非辐射复合和俄歇非辐射复合。发光二极管发光内量子效率由自发辐射复合速率与总的复合速率的比值决定。上转换器件中的电流密度通常比较小，我们针对小电流注入条件对发光二极管开展了最优化研究和设计，在小电流注入以及室温条件下的内量子效率接近100%。除此之外，我们还研究了光子循环效应的发光二极管，器件的内量子效率可以得到进一步提升。

利用我们提出的高效光耦合方案，红外上转换器件与Si SPAD之间的光耦合效率可达90%以上。我们提出两种光耦合互联方式，其一是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，会发生光子隧穿效应、，研究表明此时的光耦合效率可达90%以上。该耦合方案的优点在于，频率上转换单元与Si SPAD间完全电隔离，上转换单元为低场、低电流区，最大限度去除高电场、高电流对上转换单元的影响；另一种方案是利用晶片键合技术，将红外上转换器件和Si SPAD键合成一个整体。通过理论分析可知，利用这两种方案，都可以获得90%以上的光耦合效率。

图2显示了本发明的半导体红外单光子上转换器件的制作实例。作为一个应用实例，这里给出了具体的参数加以说明。但本专利同样保护其他基于同样或者类似原理，但是具体参数不同的半导体上转换单光子探测方法和器件。

在GaAs衬底（5）上依次生长：

（6）未掺杂的GaAs缓冲层

（7）n型掺杂的GaAs下电极层

（8）Al_xGa_1-xAs势垒层；

（9）GaNAsSb光吸收层

（10）Al_xGa_1-xAs势垒层；

（9） 400 nm厚的p型掺杂GaAs，掺杂成分为Ge

（10） 350 nm厚度的AlGaAs层（x=0.1），Be掺杂浓度2×10¹⁹ cm^-3

（11） 50 nm的渐变AlGaAs层（x=0.1至0.3），Be掺杂浓度为2×10¹⁹ cm^-3；

（12） 100 nm的AlGaAs层（x=0.3），Be掺杂浓度渐变，渐变范围为2×10¹⁹ cm^-3至2×10¹⁸ cm^-3；

（13） 40 nm的渐变AlGaAs层（x=0.3至0.15），未掺杂；

（14） 400 nm的GaAs层，发光二极管发光功能层，Be掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3；

（15） 40 nm的渐变AlGaAs层（x=0.15至0.3），未掺杂；

（16） 100 nm的AlGaAs层（x=0.3），Si掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3；

（17） 50 nm的渐变AlGaAs层（x=0.3至0.1），Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸ cm^-3

（18） 350 nm的AlGaAs层（x=0.3至0.1），Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸ cm^-3

（19） p型掺杂的GaAs下电极层

随后，利用标准的半导体工艺（光刻、刻蚀、切割、封装等）制备尺寸和形状符合要求的器件，在电极层（7）和（19）可以沉积电极，引出引线，用以对器件施加偏压。这样，我们就获得了能够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。

Claims

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：

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：

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。