CN105981179B - 低噪声量子探测元件及制作该光电探测元件的方法 - Google Patents

低噪声量子探测元件及制作该光电探测元件的方法 Download PDF

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Abstract

根据一个方面，本发明涉及一种用于对以中心波长λ0为中心的光谱带中的入射辐射进行量子光电探测的元件，具有旨在用于接收所述辐射的正面，且包括：半导体材料的层的堆叠，其形成PN或PIN结且包括由截止波长为λc>λ0的吸收半导体材料制成的至少一层，所述半导体材料的层的堆叠形成谐振光学腔；以及用于将入射辐射与所述光学腔耦合的结构，从而形成：所述中心波长λ0处的谐振，使得在所述中心波长处所述吸收材料层中的吸收大于80％；和在辐射波长λrad处不存在谐振，其中所述辐射波长λrad是在操作温度下辐射复合率最高的波长。

Description

低噪声量子探测元件及制作该光电探测元件的方法
技术领域
本发明涉及一种低噪声量子光电探测元件及制作该光电探测元件的方法。本发明尤其应用于具有很高灵敏度的红外光电探测器的设计。
背景技术
光探测器将光辐射转换成电信号。这种光子-电子转换可以是间接的：例如在热探测器的情况下，光吸收表现为吸收材料的温度上升，其随后被转换成电信号。相反，光子(或量子)探测器涉及在感光材料(半导体材料的情况)内直接产生可以被射出(光电发射效应)或释放的电荷。
光敏电阻器和光电二极管在半导体探测器中尤其占重要位置。光敏电阻器(或LDR)包括半导体材料层；它们表现为根据光照而允许较大或较小电流通过的电阻器。光电二极管是在给定电偏压下由取决于光照的电流导通的面结型二极管。它们包括例如P型掺杂半导体和N型掺杂半导体，它们在其界面处形成结(所谓的PN结)。N型掺杂是通过将增加负电荷(电子)密度的电子供体杂质加入晶体中进行的。P型掺杂是借助于增加正电荷(空穴)密度的电子受体杂质进行的。图1A示出PN结中的电子的能量图。在结的附近，存在耗尽区(缺乏自由载流子)，也称作空间电荷区(SCZ)。能量比半导体禁带(“间隙”)的能量更大的光子(即波长比所谓的截止波长(λc)更短的光子)被吸收并引发电子从价带跃迁到导带，这表现为出现额外的可移动电荷对：导带中的电子和价带中的空穴。在空间电荷区，在该区中占优势的电场的作用下，空穴会被朝向P型区加速且电子会被朝向N区加速，它们各自增加了这些区的多数载流子。这导致电子-空穴对的分离且电流在装置中从N型区流向P型区，即光电流，其增加了二极管的反向电流。此方案有时通过在这两个区之间增加非有意掺杂层(泛称为“本征”)来得以改善，使得可能增加SCZ的厚度，从而使其更接近半导体(“PIN”结)中的光子的吸收波长。
图1B示出被光通量E照射的光电二极管的电流/电压特性，所述光通量E可取几个值E1、E2、E3，使得E1<E2<E3。强度I对应于从其中流过的、根据其端子间电压V变化的电流的强度。如图1B所示，光电二极管的特征在于：其电流/电压特性取决于其接收的光通量。在没有光照的情况下，所述特性是面结型二极管特别针对零施加电压具有零电流时的特性。随着光通量增加，可观察到负向电流强度的增加，特别是针对负电压。根据针对I和V方向选择的惯例，如果乘积P＝I*V是正的，则偶极子接收能量并作为接收器。如果所述乘积是负的，则偶极子提供能量；其作为发生器。发生器象限对应于光伏域。
当偶极子作为接收器时，所述装置的特征在于其探测灵敏度：其中ηext是该装置的量子产率，且jobs是暗电流密度，暗电流定义为光电探测器在没有光照时的电流。暗电流的主要来源一方面是本征来源，例如少数载流子的扩散电流和来自电荷的辐射和非辐射的生成-复合的电流，且另一方面是与制作方法相关的来源，例如来自半导体缺陷的非辐射复合的电流(所谓的SRH电流)，其在表面或界面附近处尤为强烈。
少数载流子的扩散电流与它们密度的梯度成比例，其本身一方面在SCZ的界限处且另一方面在电触头的界限处受边界条件作用。当电子或空穴在半导体中分布不均匀时，它们的运动沿倾向于使它们的空间分布更均匀的方向进行。在PN结中，少数载流子在掺杂区中的分布是不均匀的，因此这些载流子扩散。产生的电流被称作扩散电流。
由S.R.Forrest等人在1980发表的文章(见"In0.53Ga0.47As photodiodes withdark current limited by generation-recombination and tunneling"(暗电流受产生-复合和隧道效应限制的In0.53Ga0.47As光电二极管)Appl.Phys.Lett.37(3),1980)描述了借助于InP/InGaAs型异质结中的InP“阻挡层”大大减少了扩散电流。
图2因此描述了根据现有技术的量子探测器，包括由三个半导体材料层14、10、12构成的PIN型异质结1，例如InP/InGaAs型异质结。位于层14和层12(例如InP层)之间的层10(例如InGaAs层)是在相关光谱带中有吸收性的半导体材料并形成PIN结的I区。吸收层10的厚度为约2μm或更大，以吸收全部的入射辐射。层14和层12位于I区的两侧，具有比所述I区的禁能带更高的禁能带，因此形成称作“阻挡层”的层，使得可以大大抑制异质结中的扩散电流，如S.R.Forrest等人所证明。P型区16通过对阻挡层14进行离子扩散或离子注入而得到。因此每个P型区限定了探测器的一个像素。在背面上的钝化层6使得可以抑制在空间电荷区引起SRH(Shockley-Read-Hall)电流的结晶度缺陷的作用。导电材料层3(例如金属层)使得可以在每个像素水平形成电触头。每个电触头3通过铟球7与读出电路9接触。针对每个像素，电触头3代表由异质结形成的电路的阳极。该电路的阴极由与阻挡层12电接触并允许与读出电路接触的偏移触头5形成。形成用以接收入射辐射的正面FF的阻挡层12由抗反射层8覆盖，从而将最大入射光通量(由图2中的箭头表示)传输给异质结。
可以表明，在如图2中所述具有低扩散电流的异质结中，生成-复合电流变成主导。
当占据价带中的状态的电子向导带的未占状态跃迁时，存在所述的“生成”。这是在非零温度下自发发生的过程。在热力学平衡下，热生成精确地由逆过程(称作“复合”)补偿：导带的电子跃迁到价带。在半导体中存在数个生成-复合过程。辐射过程和非辐射过程之间的一个常规区分取决于电子-空穴对的能量是通过发射光子(辐射)还是声子(非辐射)而耗散。所有这些生成-复合现象在结构中引起寄生电流，被称为生成-复合电流。
在具有低扩散电流的异质结中减少暗电流的问题仍然备受讨论，如J.A.Trezza等人在2011年发表的文章(Proceedings SPIE,8012:80121Y-80121Y-12,2011)所证实，在该文章中细述了对暗电流的分析和评价。已经表明，在反向偏压下，暗电流密度与电荷的生成-复合率成比例并与发生生成-复合现象的空间电荷区的厚度成比例。
需要注意，生成-复合过程也存在于光敏电阻器中(在半导体材料层水平)，以同样方式生成寄生暗电流。
为了减少暗电流，例如通过冷却探测器(这构成了能耗高的方案)，或通过优化电子结构，可以寻求减少复合-生成率同时保持低的扩散电流。也可以寻求减小空间电荷区的厚度。
然而，空间电荷区的厚度减小也会表现为探测器吸收的减少。
已知使用光学谐振器来集中能量并补偿空间电荷区厚度的减小，在红外探测领域(参见例如专利EP2276072)或在光伏领域(参见例如Polman,A.,&Atwater,H.A.(2012),‘Photonic design principles for ultrahigh-efficiency photovoltaics(超高效光伏的光子设计原理)’,Nature materials,11(3),174-177)。然而，这些文献都没有公开使得生成-复合电流减少(特别是在具有低扩散电流的结内)的光电探测元件。
本发明的目的是制造一种由于减少暗电流而具有优化的探测灵敏度的探测器；此目的通过光学谐振器实现，该光学谐振器的特定设置使得生成-复合现象显著减少。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种量子光电探测元件，针对在以中心波长λ0为中心的光谱带中的入射辐射，具有用于接收所述辐射的正面，且包括：
-由半导体材料制成的层的堆叠，其形成PN或PIN结且包括由截止波长为λc>λ0的吸收半导体材料制成的至少一层，所述由半导体材料制成的层的堆叠形成谐振光学腔；
-用于将入射辐射与所述光学腔耦合的结构，以形成：
在所述中心波长λ0处的谐振，使得在所述中心波长处所述吸收材料层中的吸收大于80％；
在所述辐射波长λrad处不存在谐振，其中所述辐射波长λrad是在操作温度下辐射复合率最大的波长。
电触头允许对光电探测元件进行偏压。
波长λrad，其在本专利申请中称作“辐射波长”，是指辐射复合率最大的波长。其满足不等式λ0<λrad<λc。通过保证谐振不存在于辐射波长处，保证了光电探测元件在λrad处的吸收的限制。如此可以从根本上减少生成-复合电流，根据基尔霍夫定律，发射率如同吸收一样改变。通过保证在辐射波长处的吸收减少，还可以在进一步远离截止波长的波长λ0处工作，所述减少必须大于exp(ΔE/kT)，其中ΔE是对应于波长λrad和λ0的能量的变化。根据变型例，所述用于将入射辐射与所述光学腔耦合的结构适于：在吸收半导体材料层中在所述辐射波长处形成最小吸收。根据变型例，此最小吸收由所述腔中的反谐振造成。
在现有技术的结构中，截止波长通常选择为非常接近光谱探测带的中心波长，从而限制辐射复合率，进而限制暗电流。根据本说明书，截止波长有意选择成与光谱探测带的中心波长具有给定的长度差异，光学腔在辐射波长处表现为非谐振，所述辐射波长的值严格地位于光谱探测带的中心波长和所述截止波长之间。
有利地，根据变型例，用于将入射辐射与所述光学腔耦合的结构适于减少在所述辐射波长λrad处所述吸收半导体材料层中的吸收，所述减少大于exp(ΔE/kT)，其中ΔE是对应于波长λrad和λ0的能量的变化。所述吸收减少在此理解为与其中没有耦合结构的相同探测元件进行比较。
有利地，在所述光谱探测带的中心波长处的谐振位于吸收半导体材料层中，使得可以限制在表面处和在界面上的吸收。
有利地，光电探测元件包括金属反射层，其设置在所述光学腔的、与支撑所述正面的一侧相对的一侧。根据变型例，金属反射层也用作用于光电探测元件的电触头。
有利地，所述光学腔是波导且所述耦合结构包括在正面的耦合光栅和/或在背面(也就是说，在所述光学腔的、与支撑所述正面的一侧相对的一侧)的耦合光栅。
所述一个或多个耦合光栅可是一维或二维的，由电介质/介电材料(表现出具有不同实部的折射率的介电材料)或电介质/金属材料的交替形成。介电材料可以是绝缘体或半导体。
所述耦合光栅可以限于一个像素尺寸或延伸到一组像素上。
在所述光学腔是波导的情况下，在吸收半导体材料层中在中心波长λ0处的谐振是导模谐振。有利地，由于相消干涉导致准零吸收，所以波导在吸收半导体材料层中在辐射波长λrad处表现为反谐振。
波导的厚度决定了波导中谐振的数量。有利地，波导的厚度在λ0/8n和λ0/n之间，有利地在λ0/4n和3λ0/4n之间，其中n是形成波导的半导体材料层的折射率的实部的平均值。通过选择足够大的厚度，保证了在吸收半导体材料层中在所寻求的波长处存在至少一个谐振。通过限制厚度，限制了吸收半导体材料层中谐振的数量，从而使得可以将谐振波长隔开并有利于在λrad处出现“谐振节点”。
根据变型例，一个或多个耦合光栅包括周期在λ0/n和λ0/n1之间的周期性结构，其中n1是辐射的入射介质(例如，空气)的折射率的实部。关于光栅周期的这些条件使得可以在形成波导的层的堆叠中限制衍射级的数量，更精确得在入射介质中仅具有衍射级0并在波导中具有衍射级0、-1和+1，从而再次使得可以将谐振波长隔开。而且这种构造使得探测元件具有非常良好的角公差。
根据变型例，耦合结构包括“金属电介质金属”(又称MDM)结构。
根据变型例，光电探测元件包括由半导体材料制成的层的堆叠，其形成PN或PIN型异质结，所述堆叠包括形成光学腔的半导体材料制成的层或多层。
有利地，异质结包括阻挡层，使得扩散电流大大减小。
根据变型例，至少一个阻挡层在其厚度的至少一部分上被结构化，从而形成用于与所述光学腔耦合的光栅。申请人已经说明这种构造使得可以由于活性表面积减小而进一步减小暗电流。
根据变型例，根据第一方面所述的光电探测元件适于在红外谱带I,II或III之一中探测。
根据第二方面，本发明涉及一种红外探测器，其包括根据第一方面所述的量子光电探测元件的集合。
根据第三方面，本发明涉及一种制作根据第一方面所述的量子探测元件的方法。
根据变型例，所述方法包括：
-在衬底上形成外延结构，所述外延结构包括由半导体材料形成的层的堆叠和由介电材料制成的上层，所述层的堆叠包括由截止波长为λc>λ0的吸收半导体材料制成的至少一层，
-将由所述介电材料制成的上层进行结构化以形成耦合光栅，
-在所述耦合光栅上沉积金属反射层，
-去除所述衬底以形成所述探测元件的正面。
有利地，形成外延结构包括通过有机金属工序进行的外延。
附图说明
本发明的其它优点和特征在参阅通过以下附图说明的说明书后将变得明显。
-图1A和图1B(已述)示出PN结中电子的能量图和光电二极管的、作为亮度的函数的电流/电压特性；
-图2(已述)示出根据现有技术的探测器的示例；
-图3A和图3B示出根据本说明书的探测器的示例；
-图4A至图4C示出根据本说明书的探测元件中的耦合结构的示例；
-图5A至图5E示出适于根据本说明书的探测元件的一维或二维耦合光栅的示例；
-图6图示出在根据示例性实施方式的探测元件中实施的光学谐振器的主要元件，其中所述光学谐振器形成波导；
-图7是示出根据衍射级0和±1(在正常入射下)、在图6中所述类型的波导中的波传播路径的概图；
-图8示出在InP/InGaAs型异质结的情况下，在实现图6中所述类型谐振器的探测元件中作为波长的函数的吸收曲线。
-图9A和图9B分别示出表示在图6所示层中在TE和TM极化下在光谱探测带的中心波长处的电磁场分布的计算图像；且图9C和图9D分别示出表示在图6所示层中在TE和TM极化下在辐射波长处的电磁场分布的计算图像；
-图10图示出在根据本说明书的示例性探测元件中的InP/InGaAs型异质结。
-图11示出分别与InP和InGaAs型结中的扩散电流相比，表示在InP/InGaAs型异质结中的扩散电流的曲线；
-图12示出分别与InP和InGaAs型结中的扩散电流相比，表示在InP/InGaAs型异质结中的扩散电流与辐射生成-复合电流之和的曲线；
-图13A是示出在图10所示类型的光电探测元件中的静电势的映射图，以及图13B示出根据图13A中的横截面S在光电探测元件中在反向偏压下作为位置的函数计算的辐射复合率曲线；
-图14示出在图10中表示的类型的异质结中通过实验确定的电致发光谱图；
-图15分别示出由图10所示结构形成的光学腔的吸收谱图，异质结的电致发光谱图，由所述吸收谱图和电致发光谱图得到的腔的亮度；
-图16A至图16G示出表示根据本说明书的示例性方法的不同步骤的图。
具体实施方式
在附图中，同样的元件由相同的附图标记表示。附图是通过举例方式给出的，且未必按比例。
图3A和图3B示出根据本说明书的、包括量子光电探测元件的量子探测器的两个示例。
如同在图2中所示的示例中，探测器包括光电探测元件组(P1,P2,…)，其例如以矩阵方式设置在成像镜片(未示出)的焦平面中。在图3A和图3B中，为了附图的可读性，像素间距离被过高估计。所述光电探测元件适于在以中心波长λ0为中心的光谱带中(例如在红外谱带I、II或III中的一个，对应于大气透明度的光谱带)探测入射辐射。探测器包括用于接收由图3A和图3B中的箭头表示的发光辐射的正面FF，以及设置在与所述正面相对的一侧的读出电路9。每个光电探测元件包括第一电触头3，其例如通过铟球7与读出电路连接以形成为探测器的许多“像素”。第二电触头5为所有像素共用，使得可以关闭每个光电探测元件的电路。
在这些示例中，每个光电探测元件包括由半导体材料制成的层的堆叠，其形成PN或PIN型结1，特别地，具有截止波长为λc>λ0的吸收半导体材料层10。有利地，所述半导体材料的层的堆叠形成PIN型异质结，吸收半导体材料层10形成有意非掺杂的所谓本征区I。在这些示例中，所述异质结(其一些示例将会在下文中更详细地描述)包括其它半导体材料层，包括设置在所述层10两侧的阻挡层12和14。
层6能够具有两个互补的作用。一方面，其在SCZ达到探测器表面时能够用作钝化层。例如当P+掺杂区是通过掺杂剂(例如锌)的离子局部扩散或注入而形成从而在这些区和N型材料的界面处形成SCZ时是这种情况。当像素是通过台面深蚀刻而被隔离时也是这种情况。而且，其可以用作针对来自外部介质的侵袭的保护或封装。这在杂化方法过程中尤其有用，但对于减少探测器的长期老化也是有用的。有利地，在本说明书中，所述像素彼此之间电绝缘，这通过蚀刻所述像素之间的所有或部分阻挡层14进行，或者通过在所述像素之间的阻挡层中原子氢的扩散进行(随后将更详细描述)，其效果是赋予这些区高电阻性。SCZ不与装置的表面接触，因此对制作方法有利，且相对于根据现有技术已知的方法，SRH型的相关边缘电流减小。然而，层6可以针对探测器的老化只保留其决定性的保护作用。
在图3A和图3B表示的示例中，每个光电探测元件还包括设置在与用于接收入射辐射的正面FF相对的一面上的金属反射层30；以及耦合结构4，例如由结构化介电材料层形成的耦合光栅。位于反射层30和入射面之间的非结构化介电材料层的集合有利地选择为具有实部接近的折射率。它们形成具有给定厚度e的谐振光学腔2，例如波导。在图3A和图3B所示示例的情况下，由耦合光栅形成的、用于将入射辐射与光学腔耦合的结构4适于在中心波长λ0(对应于局限在与吸收半导体材料层10中的准总吸收(>80％))处形成谐振，且在吸收半导体材料层中在波长λrad处形成减少的吸收，在本说明书中，所述波长λrad称为辐射波长，且针对该波长的辐射复合率最大。
在半导体材料层中的辐射复合率R由以下关系式给出：
R∝√(E-Eg)e-(E-Eg)/kT (1)
其中E＝hc/λ,是指在波长λ处发射的光子的能量(h是普朗克常数且c是光速)，Eg(Eg＝hc/λc)是吸收半导体材料的禁带能(或间隙)，k是玻尔兹曼常数且T是温度。因此，辐射复合率最大的入射光子能量Erad是方程(1)的导数为零时的能量，即
这对应于波长λ＝λrad，在接下来的描述中称作“辐射波长”，使得：
实践中，选择截止波长λc严格大于光电探测元件所寻求的光谱探测带的中心波长的吸收半导体材料。在环境温度下，严格小于且保持非常接近该截止波长的辐射波长因而严格来说位于光学腔的谐振波长和吸收半导体材料的截止波长λc之间。
因此，申请人已指出(下文中将予以描述)，当在λrad处的吸收减少(因此发射减少)大于exp(ΔE/kT)时，生成-复合电流减小，其中ΔE是在λ0处和λrad处之间的能量差。
实际上，在λrad处大于exp(E0-Erad./kT)的吸收-发射的减少表现为与由等于Eo-Erad的禁带宽度减小造成的暗电流增加相比更大的暗电流减小。由于谐振光学腔的实施，吸收半导体材料层可减小；例如对于InGaAs层可以在几十纳米和几百纳米之间，使得可以获得与现有技术的结构相比关于厚度减小的重要因素。该厚度减小表现为SCZ厚度减小，其一方面引起辐射复合电流以相同比例减小，而另一方面引起SRH型非辐射复合电流以相同比例减小。这引起暗电流的显著减小(大约为一个数量级)。
而且，在正面FF上不再必须有抗反射层；相反，这是需要避免的，从而使得在介电材料层12与入射介质(例如空气)的界面处的反射最大化，从而在光学腔中产生谐振。
有利地，当光学腔由若干介电材料层形成时，反射率的实部相差小于20％，从而避免界面处的寄生反射。
在图3A和图3B的示例中，金属材料反射层30还用于形成电触头3，该电触头3代表每个像素的、由异质结形成的电路的阳极。电触头3允许与铟球接触。而且其以可选方式包括用于与所述铟球杂化的层31。如在图2的示例中，电路的阴极由偏移触头5形成，偏移触头5包括例如与阻挡层12电接触的导电材料层50和允许与读出电路9接触的导电材料层51。
如在图3A中所示，耦合结构可在背面包括光栅。可在金属层中进行结构化从而形成耦合光栅或在半导体材料层例如阻挡层14中进行结构化。如在图3B中所示，耦合结构可在正面上包括耦合光栅。如在图3B中所示，该耦合结构可通过在半导体材料层12上沉积光栅而得到，或通过直接使半导体材料层12结构化而得到。耦合结构也可包括在正面的光栅和在背面的光栅。其它耦合光栅也是可能的，例如金属-电介质光栅。
而且，一个或多个耦合光栅可限于单个像素尺寸(图3A)，或者可延伸至一组像素(图3B)。
因此，图4A至图4C示出适于生产根据本说明书的光电探测元件的耦合结构的可替选变型例。
在这些图中，为了简化，形成光学腔2的一个或多个介电材料层被简化成仅为层10。而且，仅示出反射层30，其在所有情况下设置在背面。
图4A的示例示出在正面具有单耦合光栅的耦合结构。光栅4是透明或半透明的，从而允许至少一部分辐射(在图4A中由波矢量k代表)通过。其例如是由具有不同折射率的两种介电材料41和43(半导体材料、或绝缘材料、或空气)的交替形成的光栅。可替选地，其可以是金属材料与介电材料、半导体材料、绝缘材料或空气的交替。
图4C示出在背面上具有的单耦合光栅的耦合结构。光栅4例如由两种介电材料42、44(其中至少一种是导电的)的交替所形成的光栅组成；其也可以是金属或半导体材料与半导体型或绝缘体型介电材料或空气的交替形成。
图4B表示包括分别位于正面和背面上的两个光栅4A和4B的示例性耦合结构。如在图4A的示例中，在正面的光栅是透明或部分透明的。在背面的光栅包括至少一种导电材料。多个(2个或更多个)光栅使得可以尤其有利于反谐振的发生。
图5A至图5E示出在耦合光栅的情况下，一维或二维的光栅的若干可能形状。
作为借助图3至图5所述的耦合光栅的替代，耦合结构可包括金属-电介质-金属(MDM)型结构，如在专利申请FR 2959352中所述。在后者情况下需要注意，周期性结构化并非是必需的，反而更多是出于技术原因促使的。实际上，MDM型结构单独用作纳米天线。
图6根据变型例示出了根据本说明书的探测元件的光学图，该探测元件实现了在背面具有耦合光栅的波导型光学腔。如此所示的探测元件的光学图包括：与接收发光辐射入射的介质(例如空气)对应的区域A、与波导对应的区域B、与耦合光栅对应的区域C，以及与金属镜对应的区域D。
在结构方式上，探测元件包括形成波导的、厚度为hB1、hB2的一个或多个半导体材料非结构化层10、12。这一组层具有接近的折射率，从光学观点来看与给定平均折射率的单层B类似。探测元件还包括厚度为hC的一维或二维周期性光栅(区域C)，一方面例如由与波导相同的半导体材料44构成，且另一方面由电绝缘介电材料42构成。该光栅的特征在于周期P和填充因子w/p。最后，所述探测元件包括反射层30(区域D)，有利地为用作欧姆接触和光学镜两者的金属材料(例如，金)层。实现的谐振是导模谐振。它们在波导中进行，且借助入射波和波导的模式之间的耦合得到。该耦合由周期性光栅确保。
由光学折射率较低的材料围绕的精细半导体层实际上表现为波导：波能够根据导模传播，其特征在于在该层中(也就是说在界面A/B和B/C之间)的向外-返回行程之后相变等于0(以2π为模)。当入射波耦合至这些模式之一时存在谐振。入射能量然后以该模式(光子进行若干向外-返回行程)储存，从而增加了波导中电磁场的分量，因此增加了由此捕获的光子的吸收概率(与电场的平方成比例)。周期性或非周期性耦合结构在波导的一侧和/或另一侧引入，从而将入射波耦合至波导的模式。在图6的示例中，该耦合是通过以使得由光栅衍射的至少一阶与波导的至少一个模式重合的方式对波导的背面进行周期性结构化而实现的。
根据变型例，以使得在波导中只有三阶(0、+1和-1)被光栅衍射的方式来选择所述周期。
图7示出在波导中所述三阶(0、+1和-1)被光栅衍射的情况下，在波导正入射时在入射波和所述两个衍射模式(与0阶关联的模式和与+1阶和-1阶的对称组合相关联的模式)之间的交换。在这种情况下，在层中与衍射模式的向外-返回行程相关联的相变等于0(以2π为模)，即：
其中m是我们感兴趣的相关衍射模式，且rA/B (m)和rC/B (m)项是在延伸模式的界面A/B和B/C处的反射系数。在图7中，谐振是与波导的模式0和模式(+1,-1)的耦合相关联的。通过利用光栅的参数(周期p、填充因子w/p和厚度hC)调整与用于这两种极化的反射系数rC/B (m)相关联的相，有利地得到TE和TM谐振的叠加。
因此可以通过改变所述结构的光学参数以得到在相关光谱带的中心波长处最大的吸收(谐振)，且相反地在辐射波长处实现低吸收，有利地是最小吸收(反谐振)。
有利地，在根据本说明书的光电探测元件的光学谐振器中，寻求在波导中在光谱探测带的中心波长处获得Fabry-Pérot(法布里-珀罗)型谐振，并借助由光栅衍射的+1阶和-1阶而侧向地限制处于波导中的谐振下的电场。
按照定义，当在所述两个界面(图7中的A/B和B/C)之间的向外-返回行程之后由波导中的基谐模积累的相等于0(以2π为模)时，发生Fabry-Pérot谐振。其特征在于在波导中发生驻波，其中在垂直方向上波腹(场最大值)和波节(场最小值)演替。目的在于在吸收层中具有至少一个谐振波腹，从而在其中具有显著吸收，因此与1阶下的Fabry-Pérot谐振相对应。实际上在0阶下，只存在一个谐振波腹，其位于空气/波导界面处；在1阶下，仍然存在该谐振波腹，在距离界面λ/2n处具有另一谐振波腹。在有源层水平，就希望具有该第二波腹。
为了获得此谐振器构造，可以选择厚度约为3λ0/4n的波导，其中n是构成波导的介质的折射率。对于光栅，由于需要0阶、+1阶和-1阶，则可以将周期固定为介于λ0/n和λ0之间。以这种方式，0阶、+1阶和-1阶在波导中传播(因为p>λ0/n)，且+1阶和-1阶在与空气的界面处经历全内反射(因为p<λ0)，并能够对电场分布具有显著贡献。对于光栅的其它参数，可以将填充因子取为50％并将厚度取为约λ0/4n。在这些情况下，在TE或TM极化下寻求的Fabry-Pérot谐振位于接近λ0的波长处。为了证实，可以验证谐振与入射角无关，或者验证在谐振下在波导中与模式0的向外-返回行程相关的相实际等于0(以2π为模)。因此，需要研究与乘积(p(0)rB/C (0)p(0)rA/B (0))相关的相，根据图7中的标记，所述乘积对应于所述层中在向外-返回行程之后的0阶增益。一旦对每个极化(TE和TM)确认了谐振，则必须调整波导和光栅的厚度，以及光栅的周期和填充因子，从而在λ0处叠加TE和TM极化下的谐振。
在此步骤结束时，由于相同的谐振机制，因此对于每种极化在λ0处存在谐振峰。于是，在所述结构中的电场的特征在于：在空气/波导界面处的第一谐振波腹，和在所述第一谐振波腹下方在λ0/2n处的第二谐振波腹。这两个波腹在光栅的半周期中被侧向限制，并位于光栅的导电部分(金属或半导体)之上。对于波在其中仅以模式0在腔中传播的传统Fabry-Pérot谐振，在水平方向(x)上电场是不变的。由于除了与模式0相关的电场之外还存在与+1阶和-1阶的对称组合相关联的电场，从而得以解释所获得的限制。这两个场项之和(对于模式0沿x为常数、对于模式+1和-1按照cos(2πx/p)变化，其中p是光栅的周期)在x＝x0处产生场最大值且在x＝x0+p/2处产生场最小值，其中x0是光栅的半导体部分的中间。
在光栅的导体部分上方的电场的侧向限制使得可以进一步减小暗电流。实际上，申请人已经解释，异质结背面的结构化使得可以使得位于被蚀刻部分的区域变得电惰性。由此使得这些区域不会产生任何暗电流，即，对于50％的填充因子，总体暗电流减少50％。然而，在该区域吸收的光子不会产生光电流。为了保持高的量子产率，有利的是，所有的光子在异质结的电活性部分被吸收。对于在此提出的谐振即是这种情况。
图8、9A和9B分别表示在光电探测元件(其简化光学图在图6和图7中示出)的吸收光谱和在各区域A、B、C、D中，在TE极化(图9A)和TM极化(图9B)下在谐振波长处的电场|E|2的图。针对光电探测元件在红外谱带I(约1.5μm)中的操作，对参数进行了优化，其中，所述半导体材料层组形成InGaAs/InP型异质结。更准确而言，例如基于B样条模型方法(B-spline modal method，BMM)或傅里叶模型方法(Fourier modal method，FMM)，以电磁仿真码获得数值仿真。通过取折射率n(InP)＝3.2、n(电介质)＝2和n(空气)＝1进行仿真。InGaAs的折射率和金的折射率分别借助文章(Sadao Adachi.Optical dispersionrelations for GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb、AlxGa1-xAs,and In1-xGaxAsyP1-y(关于GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、InSb、AlxGa1-xAs和In1-xGaxAsyP1-y的光分散关系).Journalof Applied Physics,66(12):6030–6040,1989)and Aleksandar D.Rakic,Aleksandra B.Jovan M.Elazar,and Marian L.Majewski.Optical properties of metallicfilms for vertical-cavity optoelectronic devices(用于垂直腔光电子装置的金属膜的光学性能).Applied Optics,37(22):5271–5283,1998.)中给定的理论公式计算。所述结构的其它光学参数在下面的表1中给出。
参数 值(nm)
hB1 61
hB2 315
hC 200
w 400
p 800
表1光学结构中的层的尺寸
基于B样条模型方法(参见P.Bouchon等人的"Fast modal method forsubwavelength gratings based on B-spline formulation(用于亚波长光栅的基于B样条公式的快速模型方法)",Journal of the Optical Society of America A,27(4):696–702,2010)，用BMM码进行数值仿真。
数值仿真已使得可以表明该类型的结构对于TE和TM极化在λ＝1.5μm处表现出准完美吸收且在λrad＝1.62μm处表现为减少吸收。
图8示出针对具有表1所述尺寸的装置且在正入射时分别在TM和TE模下计算的总吸收光谱110、114。可以在λ＝1.5μm处被观察到在TE下以及在TM下的准完美吸收(或另称为谐振)。在该同一附图中示出在半导体材料层10中单独计算的吸收光谱112、116。在作为整体来看的光学腔中的吸收光谱和仅在层10中的吸收光谱对于低于1.6μm的波长具有相似表现。半导体层10吸收并因此产生光电流。这些小的差异是由于在金属部分中的吸收损失造成的。因此，在λ0＝1.5μm、315nm的InGaAs处观察到80％的有用吸收，相对于非谐振吸收而言，这对应为2.5的探测灵敏度增益。在现有技术中，辐射在单向行程中被吸收，且在厚度为2μm的半导体层产生80％的吸收。在本专利申请中描述的装置中，吸收与现有技术中实现的相同，但是暗电流减小了6倍，具有2.5倍的探测灵敏度增益。
如上所述，导模谐振与由波导中的对向传输波(水平和垂直)组合引起的驻波的出现相关联。这些干扰的特征在于电场的局部极值。图9A和图9B示出了：针对TE和TM极化，在图8的1.5μm下观察到的关于谐振的电场|E|2的图。吸收与|E|2成比例，且只有在半导体具有足够小的禁带宽度(Eg)(λ<λc，其中λc＝1.24/Eg)时才是有效的。在图9A和图9B中观察到，两个谐振波腹(在图中的白色处)在光栅的半周期中被侧向限制，且在吸收半导体材料层中位于光栅的导电部分(金属或半导体)之上。图9C和图9D示出了：针对TE和TM极化，对于辐射波长λrad＝1.62μm的电场|E|2的图。由于在辐射波长处的非谐振，反而在此辐射波长处观察到在吸收半导体材料层中不存在电场。
图10图示出异质结的具体示例，例如适于探测红外谱带I的InP/InGaAs型异质结，其被结构化使得异质结的阻挡层之一具有在例如图6中所示的简化光学图中的耦合光栅功能。
在此示例中，更精确而言，异质结包括P型区(层44、17、15、13的集合)，本征区I(10)和N型区(层11和层12的集合)以形成PIN结。本征区是用禁带宽度小于入射光子的能量的半导体制成的吸收层。优选地，入射波长λ0小于辐射波长λrad(参见上述方程(3))，从而具有更好的吸收，而且也能够在光谱上区分辐射发射和吸收。本征区10是探测元件的有源区。例如，本征区10可由具有禁带能为0.74eV的InGaAs层形成，用于在0.8eV进行探测。称作准中性区(QNZ)的P型区和N型区分别由重掺杂的P半导体层和N半导体层构成。这些区可特别地由若干层形成，其中一层明显更厚，形成本体层(分别是N型区的15和44，和P型区的12)。QNZ的本体层优选具有比本征区10的禁带宽度更大的禁带宽度，例如针对InP，有利的禁带宽度大于10kBT(kB为玻尔兹曼常数且T为装置的温度)。掺杂区的、比N型和P型QNZ的本体层的厚度更小的其它层11、13和17由与本征区的层(例如InGaAs层)相同的材料形成。InGaAs的精细层使得尤其可以得到具有低接触电阻和更好的多数载流子聚集的良好的电子传输条件。比本征区具有显著更大的禁带宽度的掺杂本体层使得可以减小与少数载流子相关联的扩散电流。例如，在N型区中，InP层的作用将会是在InGaAs/InP界面上同时在价带和导带中引入势垒。价带的势垒足够大，足以减小注入到QNZ中的电子的密度。在该区中少数载流子的梯度以相同的比例减小，这引起扩散电流以相同的比例减小。导带的势垒对于电子足够合适，使其能够穿越隧道效应，保证了电子群在此势垒两侧的热力学平衡。因此，多数载流子被有效的聚集而少数载流子的扩散被大大减小(以接近exp(ΔEg/kBT)的因子减小)，因此暗电流减小，同时不会阻碍光电流的聚集。在该结构中存在两个电触头层18和19。这些电触头使用具有小禁带宽度的半导体制成，例如由InGaAs制成，以保证低的接触电阻。在光入射面上，触头19相对于探测器的边界或探测器矩阵的边界偏移，从而不会对光子入射通量产生任何遮挡而且有利于制作。在上表面上，电触头如同在该侧的阻挡层一样被结构化。P掺杂的上层通过在它们几乎整个厚度上蚀刻而结构化。在上阻挡层中的层17起到蚀刻止挡层的作用。其允许控制制作方法。其对暗电流不具有任何作用。表2示出用于例如在本专利申请中所述的低噪声量子探测元件的半导体异质结构的示例性组成。
区 附图标记 材料 掺杂(cm-3) 厚度(nm)
P 18 InGaAs:C 1e19 20
P 44 InP:Be 3e18 170
P 17 InGaAs:C 1e19 10
P 15 InP:Be 3e18 93
P 13 InGaAs:C 1e19 10
I 10 InGaAs - 70
N 11 InGaAs:Si 5e18 10
N 12 InP:Si 3e18 204
N 19 InGaAs:Si 5e18 10
表2用于低噪声量子探测元件的半导体异质结构的组成示例
暗电流的另一来源在于：主要由于位于装置边界处的非辐射复合过程引起的表面电流。通过消除空间电荷区(主要由InGaAs制成)与装置自由表面的任何接触，它们在此结构中被大大减小。实际上，对装置顶部的结构化形成弱掺杂的大间隙半导体层(在此为氢化的InP)，其具有低的表面复合率(～5000cm/s)。
而且，像素被以相同方法彼此隔开：蚀刻P型区直到由InGaAs制成的止挡层。在变型例中，可以不蚀刻P型区并采用原子氢从表面的扩散。
为了证实此方法，图11示出对例如图10中所示结构计算出电流-电压|I|(|V|)电特性，其与等效InGaAs结和等效InP结(保持掺杂程度和厚度)的电流-电压|I|(|V|)电特性进行比较。在所有的情况下，已人工排除辐射复合。因此，曲线101、102分别表示在正向偏压和反向偏压下的InGaAs结的电流-电压特性。曲线103、104分别表示在正向偏压和反向偏压下的InP结的电流-电压特性。曲线105、106分别表示在正向偏压和反向偏压下的InGaAs/InP异质结的电流-电压特性。嵌入InP阻挡层而“夹入”InGaAs PIN结，确实使得可以将扩散电流减小约10个数量级(在此ΔEg＝23kBT)。因此，所提出的结构(图10)具有与InP结相当的扩散电流，同时具有InGaAs结的吸收。
图12示出对相同结构计算得到的电流-电压特性，但这次考虑了辐射复合现象。观察到，InP结的电流-电压特性(曲线103、104)和InGaAs结的电流-电压特性(曲线101、102)与未考虑辐射复合时计算所得是相似的。在这些结构中，扩散电流是主要的。另一方面，在InGaAs/InP异质结中扩散电流的大幅减小使得辐射复合现象的作用(曲线105、106)明显。因此，相对于InGaAs结，InGaAs/InP异质结的暗电流能够减小约3个数量级。
图13A和图13B示出结构化对于辐射生成-复合现象的作用。图13A示出在具有表2中所述参数的、与图10中所述示相似的装置中在反向偏压下(探测器操作)的静电势的映射。N型区(层12)具有相对恒定的负电势且P型区(层44)具有相对恒定的正电势。在空间电荷区(层10)中，电势存在变化。箭头线表示电场线。在处于层44的结构化部分水平的强场作用下，通过本征密度产生的电子空穴对被半导体焊盘捕获。图13B表示根据图13A的横截面S，示出对反向偏压下辐射复合率R随装置中位置的变化的建模。在反向偏压下，在产生电子和空穴的情况下，复合率是负的。在对应于半导体焊盘之间区域的0.2μm为中心观察到辐射复合率降低。因此，观察到结构化对于复合率的作用。相对于未结构化装置的平坦分布，通过调整光栅的结构化，可以更改复合率的分布。
图14示出对具有如图10所示InGaAs/InP异质结的光电二极管进行计算所得的电致发光光谱，该异质结具有在表2中给出的参数和0.57V的正向偏压。该光谱是在大正向偏压下测定以利于实验。可以通过实验显示其对所施加电压的依赖非常小，特别是其最大值在波长λrad处保持不变。因此，图14示出根据波长变化的生成暗电流的辐射过程(也称作“异质结的发光”)。在此附图中绘制的函数表达如下：R∝√(E-Eg)e-(E-Eg)/kT，Eg＝0.75eV，其中，E＝hc/λ，R是辐射复合率。
如前述的光学谐振器的实施使得可以很明显地减小生成-复合电流，其与辐射复合效应(例如在图11至图14所示辐射复合效应)相关联。
在一方面，可以借助根据本说明书的光学谐振器减小I区(吸收半导体材料的有源层)的厚度。于是暗电流密度的相应分量以与厚度减小成比例地减小。因此，探测器的量子效率也被降低。I区的厚度被有利地减小至这两个拮抗效应之间的折衷值。另一方面，存在极限值(对于InGaAs为约50nm)，在该极限值以下，通过带至带隧道效应的电流分量的作用引起暗电流增加。通过将InGaAs层的厚度减小至50nm而非先前所述结构的300nm，同时通过增加InP阻挡层的厚度来保持外延层的恒定厚度，暗电流密度得以减小6倍。
而且，对光学谐振器的尺寸设定(腔的参数和耦合结构的参数)适于在辐射复合率最大(见上述方程2)的波长λrad处实现与自由空间的耦合减少，从而增加该区的载流子的寿命。因此，这有利地需要通过将探测装置置于在探测波长λ0(与自由空间最大耦合)处具有谐振并在发射波长λrad处具有反谐振(与自由空间最小耦合)的光学谐振器内。由此在λrad处产生的吸收减小特别地大于exp(ΔE/kT)(以便有用)，其中ΔE是在λrad和λ0之间的能量差。
图15示出根据波长变化的在所有入射角上平均的腔的吸收(曲线122)、异质结的亮度(曲线120)，和从该腔产生的亮度(其通过将两个谱图相乘得到)。确实观察到本说明书中实施的光学谐振器所追求的效果，即，在相关光谱带的中心波长(在此为λ0＝1.5mm)处的吸收最大以及在辐射波长处的吸收减少。
图16A至图16G示出根据本说明书的、制作探测元件的示例性实施例，例如适于单晶半导体材料层。
在第一步骤(图16A)中，通过在适当衬底20(例如由InP制成)上外延制作由半导体材料(例如，可选的GaInAs和InP)制成的堆叠层21、12、10、15、17和44。在InP衬底上外延生成第一止挡层21(例如由InGaAs制成)。层15、10和19适于制作所寻求的探测器元件。这分别需要N掺杂InP层15、本征层10和P掺杂层19，以形成PIN结。本征区可通常具有70nm的尺寸。N掺杂层19可通常具有200nm的尺寸，且具有通常为3×1018cm-3的碳掺杂。N掺杂层15可通常具有具有200nm的尺寸，且具有通常为3×1018cm-3的硅掺杂。在第二步骤(图16B)中，通过光刻在InP层44上形成掩模60。该掩模使得尤其可以限定耦合光栅的形状。在第三步骤(图16C)中，通过反应离子蚀刻和湿蚀刻对InP层进行蚀刻。而InGaAs层作为针对该蚀刻的止挡层。接着，去除掩模。在第四步骤(图16D)中，旋涂平坦化树脂42(电介质)。在第五步骤(图16E)中，对电介质进行反应性离子蚀刻直至齐平。在第六步骤(图16F)中，沉积由Au制成的金属层30。在第七步骤中，通过粘合方法(环氧树脂、阳极键合…)将样品转移至主衬底上。最后，在第八步骤中，去除衬底2直至止挡层21，然后通过湿法工艺去除止挡层。为了保护所述装置免受外界侵袭(杂化、长期暴露于大气中)并减小老化作用，可以通过在金属化区外部沉积树脂而进行最后的封装步骤。
如在以上方法中所述的通过外延形成的单晶半导体材料层可包括砷化镓(GaAs)层和相关合金(例如砷化镓铝AlGaAs)、磷化铟InP和相关合金(例如砷化镓铟InGaAs)、锑化镓(GaSb)层和砷化铟(InAs)层，特别是InAs/GaSb的叠加型光栅和相关合金(例如锑化镓铝AlGaSb)、硅(Si)层。
相同的方法可用于制作适用于在其它光谱带探测的其它异质结，例如：
InAlAs/InGaAs，在λ≈1.5μm处；
AlGaAs/GaAs，在λ≈0.9μm处；
GaInP/GaAs at，在λ≈0.9μm处；
[SR InAs/AlSb]/[SR InAs/GaSb]，在3-5μm谱带；
HgCdTe/HgCdTe，在3-5μm和8-12μm谱带；
InP和InAlAs/GaAsSb，在λ≈1.5μm处。
尽管在红外探测器范围内作了主要描述，但本发明以同样方式适用于可见光探测，特别适于光伏应用。适于装置生产的光电探测元件实质上与那些描述用于探测的相同，但是它们是正向偏压的。实际上，太阳能向电能的转化效率由若干因素限制，包括光载流子的辐射复合。根据文章(Polman,A.,&Atwater,H.A.(2012).Photonic design principlesfor ultrahigh-efficiency photovoltaics(用于超高效率的光伏的光子设计原理)Nature materials,11(3),174-177)，通过消除这些复合，将会实现约7％的太阳能电池效率增益。
尽管通过一定数量的具体示例性实施方式进行了描述，但量子探测元件和用于制作所述元件的方法包括可替选的变型例、修改和改进，这些对于本领域技术人员来说是明显容易想到的。

Claims (14)

1.一种量子光电探测元件，针对以中心波长λ0为中心的光谱带中的入射辐射，具有用于接收所述辐射的正面，且包括：
-由半导体材料制成的层的堆叠，其形成PN或PIN结且包括由截止波长为λc>λ0的吸收半导体材料制成的至少一层，所述由半导体材料制成的层的堆叠形成谐振光学腔，所述谐振光学腔为波导；
-用于将入射辐射与所述光学腔耦合的结构，包括在所述正面上的衍射光栅和/或在背面上的衍射光栅，所述背面即在所述光学腔的、与支撑所述正面的一侧相对的一侧，以形成：
在所述中心波长λ0处的导模谐振，使得在所述中心波长处所述吸收材料层中的吸收大于80％；
在辐射波长λrad处的最小的吸收，其中所述辐射波长λrad是在操作温度下辐射复合率最大的波长。
2.根据权利要求1所述的光电探测元件，其中在所述中心波长λ0处的谐振位于所述吸收半导体材料层中。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的光电探测元件，其中所述用于将入射辐射与所述光学腔耦合的结构适于减少在所述辐射波长λrad处所述吸收半导体材料层中的吸收，所述减少大于exp(ΔE/kT)，其中ΔE是对应于波长λrad和λ0的能量的变化。
4.根据权利要求1或2所述的光电探测元件，其中所述波导的厚度在λ0/8n和λ0/n之间，其中n是由形成所述波导的所述半导体材料制成的层的折射率的实部的平均值。
5.根据权利要求1或2所述的光电探测元件，其中所述波导的厚度在λ0/4n和3λ0/4n之间，其中n是由形成所述波导的所述半导体材料制成的层的折射率的实部的平均值。
6.根据权利要求1或2所述的光电探测元件，其中所述衍射光栅包括周期在λ0/n和λ0/n1之间的周期性结构，其中n是由形成所述波导的半导体材料制成的层的折射率的实部的平均值，且n1是所述辐射的入射介质的折射率的实部。
7.根据权利要求1或2所述的光电探测元件，包括金属反射层，其设置在所述光学腔的、与支撑所述正面的一侧相对的一侧。
8.根据权利要求1或2所述的光电探测元件，包括由半导体材料制成的层的堆叠，其形成PN或PIN型异质结，所述堆叠包括由形成所述光学腔的所述半导体材料制成的层。
9.根据权利要求8所述的光电探测元件，其中所述异质结包括多个阻挡层。
10.根据权利要求9所述的光电探测元件，其中所述多个阻挡层中的至少一个阻挡层在其厚度的至少一部分上被结构化，从而形成用于与所述光学腔耦合的衍射光栅。
11.根据权利要求1、2、9、10中的任一项所述的光电探测元件，适于在大气透明度的红外光谱带之一中探测。
12.一种红外探测器，包括根据前述权利要求中的任一项所述的量子光电探测元件的集合。
13.一种制作根据权利要求1、2、9、10中的任一项所述的量子探测元件的方法，包括：
-在衬底上形成外延结构，所述外延结构包括由半导体材料形成的层的堆叠和由介电材料制成的上层，所述层的堆叠包括由截止波长为λc>λ0的吸收半导体材料制成的至少一层，
-将由所述介电材料制成的上层结构化以形成衍射光栅，
-在所述衍射光栅上沉积金属反射层，
-去除所述衬底以形成所述探测元件的所述正面。
14.根据权利要求13所述的制作方法，其中所述形成外延结构包括通过有机金属工序进行的外延。
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