CN105206702B - 一种新型结构的单光子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型结构的单光子探测器，其主体结构是一个共振隧穿二极管，并在双势垒结构上方依次外延生长隔离层、n⁺‑i‑p⁺倍增区和吸收层。探测器工作时加正向偏压，单光子从集电极入射，并在吸收层产生光生电子‑空穴对，光生空穴在电场作用下进入倍增区获得倍增，并在隔离层累积，进而改变双势垒两侧的电势，增大了隧穿电流。本发明采用n⁺‑i‑p⁺倍增区的设计方案，通过调节n⁺层和p⁺层的厚度及掺杂浓度，能够有效地调节倍增区内部的电场强度，从而达到对倍增区倍增倍数的灵活控制。通过加入倍增区，有效地提高了探测器的峰值电流。与未添加倍增区的单光子探测器相比，其工作温度可以大幅提高。

Description

一种新型结构的单光子探测器

技术领域

本发明涉及单光子探测器，特指一种基于共振隧穿效应，并结合倍增层实现单光子探测的器件结构设计。

背景技术

作为一项重要的极微弱信号检测技术，单光子探测由于其拥有的巨大科研价值和战略地位已经成为近年来国际研究最活跃的领域之一，其在量子通信、天文观测、医学成像、隐身探测等方面拥有广阔的应用前景。经过多年的发展，单光子探测器已有许多种成熟的类型，其中以光电倍增管和雪崩二极管为典型代表，这些探测器自出现之日起就一直支撑着最前沿的科学研究，并在众多领域得到了广泛的应用。然而，随着近些年来信息技术的不断进步，特别是包括量子计算、量子密钥分发等在内的量子信息技术的飞速发展，对单光子探测的性能要求越来越高。传统的单光子探测器由于其探测机理的限制，在暗计数率、光子数分辨率等方面已经难以满足这些新兴技术的性能要求。因此，高性能新型单光子探测器的探索和研究，已经成为单光子探测技术发展亟待解决的关键问题，也是目前国内外光电子学界重点研究的课题之一。

2005年，J.C.Blakesley首次提出基于共振隧穿效应的单光子探测器，其探测原理基于隧穿电流对入射光子的灵敏性，相比传统类型的单光子探测器，其在工作电压、量子效率、暗计数等方面，均具有独特的优势。之后，世界各地的多个研究小组对这种类型的探测器进行了探索，包括更换吸收层材料以提高探测波长、改进探测器结构设计以提高探测动态范围等。但是，由于单光子引起的信号较弱，为了抑制噪声的影响，这种类型的探测器需要极低的工作温度，甚至需要达到4K以下，这对于其将来的实用化进程是一个重大的阻碍。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有结构存在的制约因素，本发明提供了一种基于共振隧穿效应，并具有倍增层的单光子探测器新型结构。

(二)技术方案

本发明所设计的单光子探测器结构的主体结构是一个共振隧穿二极管，并在双势垒结构上方依次外延生长隔离层、n⁺-i-p⁺倍增区和吸收层。隔离层采用窄带隙材料，并生长较薄的厚度，从而具有一定的载流子束缚能力。探测器工作时加正向偏压，单光子从集电极入射，并在吸收层产生光生电子-空穴对，光生电子在电场作用下向集电极方向移动，光生空穴在电场作用下进入倍增区获得倍增，从而产生更多的电子-空穴对，倍增后的电子在电场作用下向集电极方向移动，倍增后的空穴则进入隔离层，并在隔离层累积，这将改变双势垒两侧的电势，进而增大隧穿电流，产生可探测的电信号。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

(1)采用n⁺-i-p⁺倍增区的设计方案，通过调节n⁺层和p⁺层的厚度及掺杂浓度，能够有效地调节倍增区内部的电场强度，从而达到对倍增区倍增倍数的灵活控制；

(2)通过加入倍增区，有效地增加了单光子产生的空穴数量，提高了隧穿电流的变化幅度；

(3)本发明所提出的单光子探测器，与未添加倍增区的单光子探测器相比，工作温度可以大幅提高；

(4)本发明的主体结构为共振隧穿二极管，这是电路中的一种常用元件，因此本发明便于与其它光电子器件集成。

附图说明

图1倍增型共振隧穿单光子探测器的结构图

图2倍增型共振隧穿单光子探测器的工作原理图

图3未加入倍增层的共振隧穿单光子探测器结构图

图4采用图1所述结构制备的样品在有、无光照时的伏安特性曲线

图5采用图3所述结构制备的样品在有、无光照时的伏安特性曲线

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种采用分子束外延技术，根据图1所示结构，制备探测波长为1310nm的单光子探测器的方法。

首先在InP衬底(1)上外延生长厚度为100nm、掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的n型In_0.53Ga_0.47As作为发射极(2)，然后生长20nm的In_0.53Ga_0.47As隔离层(3)，接下来依次生长5ML AlAs势垒层(4)、6nm In_0.53Ga_0.47As量子阱(5)、5MLAlAs势垒层(4)构成双势垒结构，然后生长10nm的In_0.53Ga_0.47As隔离层(6)，接着生长n⁺-i-p⁺倍增区，其结构依次为厚度为20nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的p⁺层(7)、厚度为360nm的In_0.52Al_0.48As倍增层(8)以及厚度为20nm、掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的n⁺层(9)，p⁺层、倍增层以及n⁺层的材料均采用In_0.52Al_0.48As，然后生长150nm的In_0.53Ga_0.47As吸收层(10)，接着生长厚度为100nm、掺杂浓度为1×10¹⁸～2×10¹⁸cm^-3的n型In_0.53Ga_0.47As作为集电极(11)，最后通过光刻后溅射剥离Au形成电极(12)。

倍增型单光子探测器的探测机理如图2所示，探测器工作时加正向偏压，光子(13)从集电极入射后，在吸收层(10)被吸收并产生光生电子(14)和光生空穴(15)。光生电子(14)在电场作用下向集电极(11)方向移动，光生空穴(15)在电场作用下进入倍增层(8)，并通过碰撞电离作用产生更多的电子(16)和空穴(17)，电子(16)在电场作用下向集电极(11)方向移动，并在集电极(11)复合，空穴(17)则进入隔离层(6)，并在隔离层(6)累积，这将改变双势垒结构两侧的电势，进而增大隧穿电流，产生可探测的电信号。

为了验证本发明的效果，申请人同时也对无倍增区的单光子探测器进行了制备，其结构如图3所示。图4、图5分别为采用图1、图3所述结构所生长样品在有、无光照时的伏安特性曲线。可以看出，相对无倍增区的单光子探测器，有倍增区的单光子探测器，其峰值电流强度提高了1。7倍，另外，在相同偏压下，有、无光照时探测器电流强度的差值提高了7倍。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种新型结构的单光子探测器，探测器从底层至上层依次为：衬底(1)、电极(12)、发射极(2)、发射极上隔离层(3)、势垒层(4)、量子阱(5)、势垒层(4)、势垒层上隔离层(6)、p⁺层(7)、倍增层(8)、n⁺层(9)、吸收层(10)、集电极(11)、电极(12)，其特征在于：

势垒层(4)、量子阱(5)、势垒层(4)构成双势垒结构，使探测器具有共振隧穿效应；

p⁺层(7)、倍增层(8)、n⁺层(9)构成倍增区，使探测器具有倍增效应；

探测器的光响应源于共振隧穿效应和倍增效应两种效应的叠加。

2.如权利要求1所述的一种新型结构的单光子探测器，其特征在于：势垒层上隔离层(6)位于势垒层(4)和p⁺层(7)之间，其厚度小于或等于10nm。

3.如权利要求2所述的一种新型结构的单光子探测器，其特征在于：势垒层上隔离层(6)所采用材料的能带间隙，小于吸收层(10)所采用材料的能带间隙。

4.如权利要求1所述的一种新型结构的单光子探测器，其特征在于：倍增区两端的电势差未达到倍增区的雪崩击穿电压。