CN112424953A - 光电探测器 - Google Patents

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CN112424953A CN201980047326.0A CN201980047326A CN112424953A CN 112424953 A CN112424953 A CN 112424953A CN 201980047326 A CN201980047326 A CN 201980047326A CN 112424953 A CN112424953 A CN 112424953A
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Abstract

本文公开了一种光电探测器，其包括：至少一个吸收区域，在所述至少一个吸收区域中吸收光子；以及多个电极，设置在至少一个吸收区域上，所述多个电极彼此间隔开。在使用时，选择至少一个电极的几何形状以增强具有在该至少一个电极附近发生雪崩倍增所需场强的电场的形成。

Description

光电探测器
技术领域
本公开涉及光电探测器。
背景技术
光电二极管是利用内部光电效应并基于形成有用于光电探测的内建电场的p-n结的半导体光电探测器。基本器件结构在图1中示出，但是可能涉及比所描绘的层更多的层。可以看出，存在n掺杂层105和p掺杂层110，在它们之间的界面(p-n结115)处建立内建电场，其通过施加反向偏压而增强。
已知p-i-n光电二极管是最常用的光电二极管。不幸的是，由于p-i-n光电二极管的结构，很难仅通过p-i-n光电二极管实现低至量子极限(单光子探测)的弱光探测所需的本征光电流放大。夹在p掺杂层和n掺杂层之间的本征层减弱了内建场，从而导致很高的击穿电压。
还已知一种被称为雪崩光电二极管(APD)的重掺杂光电二极管具有强大的内建场，与p-i-n光电二极管相比，所导致的击穿电压较低，并且可以通过在盖革(Geiger)模式下的操作而更易展现出单光子敏感性，在该模式下，通过施加反向偏压将内建场增强到发生雪崩倍增所需的临界水平——从而为低至量子极限的弱光探测提供了本征光电流放大。
在现有技术中，光电二极管通常具有许多层，这既增加了其成本又增加了其制造的复杂性。另外，在层间的结处形成的晶体缺陷增加了电荷载流子重组或被俘获的可能性，这降低了其响应度并且限制了其效率。此外，APD所需的高掺杂浓度会导致电容增加——从而限制了带宽。
在现有技术中，还已知光电导体(例如，金属-半导体-金属(MSM)光电探测器)是利用内部光电效应但不基于p-n结的光电探测器。而是，光电导体基于针对光电探测利用通过直接施加外部偏压在大块材料中建立的电场。与光电二极管相比，光电导体历来受困于相对较低的响应度，并且尚未被证明能够提供低至量子极限的弱光探测所需的本征光电流放大。
发明内容
广义上讲，本公开涉及一种电子器件，其包括设置在材料上的多个电极，电极的几何形状和电极之间的间隔以这样的方式被优化(或选取或选择)，以在材料中建立增强电场从而优化光子吸收，并且最大化和放大所得的光电流。
根据本公开的一个方面，提供了一种光电探测器，该光电探测器包括：在其中吸收光子的至少一个吸收区域；以及设置在至少一个吸收区域上的彼此间隔开的多个电极。在使用中，选择(或选取或优化)多个电极中的至少一个电极的几何形状以增强具有在该至少一个电极附近发生雪崩倍增所需场强的电场的形成。将理解，雪崩倍增所需的电场场强发生在指定材料的击穿电压下。
至少一个吸收区域可以包括预定材料，并且雪崩倍增发生在预定材料中(在电极附近或接近电极)。雪崩倍增可以发生在至少一个电极(或多个电极)与至少一个吸收区域(在预定材料内)之间的表面附近。将理解，至少一个吸收区域(或层)包括被特定地选择为吸收期望波长或波长范围的入射光子的预定材料，并且在其与电极的界面附近包括发生雪崩倍增的至少一个区域。
一般而言，吸收区域是由预定材料制成的接触区域。电极或接触部形成在预定材料上。接触区域的材料是本征(未掺杂)材料，或者它可以是其中使用掺杂或包括异质材料区域来补偿预定材料中的载流子或从中排斥载流子的材料。换句话说，接触区域或吸收区域由基本上(或几乎)无载流子的材料制成。
至少一个吸收区域可以包括不具有或具有少量载流子的雪崩区域，并且雪崩倍增可以发生在雪崩区域中。可以选择至少一个电极的形状和布置以实现雪崩倍增。可以选择至少两个电极之间的距离(或间隔)以实现雪崩倍增。可以选取(或选择)至少一个电极的曲率以实现雪崩倍增。至少一个电极的相对曲率可以变化以实现雪崩倍增。可以从至少两个电极之间的距离与至少一个电极的半径值的比值中导出相对曲率。
将理解，术语电极或器件的“几何形状”指代电极的形状、拓扑结构、形貌、曲率和/或布置。将理解，在本公开中，选择几何布置以在给定击穿电压下实现期望的雪崩倍增效果。技术人员将理解，电极的曲率和/或它们的间隔都限定了它们的几何形状。本领域技术人员还将理解，电极的形状、电极的布置、电极的曲率或电极之间的距离(或间隔)中的任何一项或多项促成了器件的几何形状。电极的几何形状不限于这些参数中的任何特定一个或全部——几何形状可以是这些参数中的任何一个或任何组合。
有利地，所公开的器件固有地利用几何形状而不是掺杂来增强具有在规定材料中发生雪崩击穿所需场强的电场的形成：从而提供低至量子极限(单光子探测)的弱光探测所需的必要的电流放大。在一个示例中，之前本领域尚未报道过这种具有非常低的击穿电压(例如，小于15V，优选地小于10V)的单光子敏感器件。
在一个示例中，意外地，与APD不同，所公开的器件的雪崩区域位于形成接触部或电极并且绝大部分光子被吸收的表面处。另外，所公开的器件在雪崩区域周围呈现出将电荷载流子快速地驱动到其中的强大场。结果，由于电荷载流子漂移到雪崩区域而发生重组和被俘获所导致的功效的显著损失得到全面地缓解：从而，在一个示例中，使响应度和探测效率都得到最大化，由此大大减少了操作时长和/或光功率。使用掺杂的半导体既无法实现表面雪崩层也无法实现强大的驱动场。
有利地，与APD的高掺杂p-n结相比，所公开的器件的平面结构可以产生显著减小的电容，从而引起显著增强的操作带宽。当组合在一起时，这些特性便于在任意小的电压下进行高速率和/或高吸收量的操作。将认识到，所公开的器件对于弱光探测和单光子探测均是有利的。将理解，所公开的器件不限于这些应用中的任何一种。
一般而言，通过在其击穿场或高于其击穿场的条件下操作材料(被称为盖革模式操作的操作方法)，由内部光电效应产生的移动电荷载流子可以从电场中获得供电离碰撞的足够的动能，从而导致产生另外的移动电荷载流子，针对该移动电荷载流子可以再次重复该过程。被称为雪崩击穿的这种机制是自维持的并且根据单个光子产生电荷的宏观移动，从而产生可测量的探测信号。有利地，所公开的器件能够呈现出甚至比最重掺杂的雪崩光电二极管的雪崩击穿电压还低几个数量级的雪崩击穿电压(例如，小于约15V)，从而提供减小的操作电压的巨大前景，由此提高了超大规模集成的能力并且实现了超低功耗。另外，与超导单光子探测器不同，所公开的器件可以在室温下操作，条件是载流子的热激生成不是限制因素。
有利地，所公开的器件的结构与具有类似特性范围的各种材料系统兼容。许多元素半导体和化合物半导体都是兼容的候选材料，其允许将速度、限域、调适波长、以及(通过硅)到量子计算机和经典计算机的链接的混合。绝缘体或宽带隙半导体也可以用于探测较短的波长。对波长的合适选择提供与任何光电子器件交互的手段。有机器件还可以受益于结构的简单性，这可以补充新兴的制造技术。
所公开的器件结构是高度通用的，并且仅需要修改器件几何形状就可以被调适用于多种不同的应用。例如，对于光子数探测，器件阵列可以在空间上多路复用到单个芯片上。另外，所公开的器件可以与芯片上平面波导集成。由于其技术上的简单性，它也可以被制造或随后沉积在紧接近于光子源的位置(直接位于其上方或下方或横向相邻)。
接近于电极的位置处的电场增强程度随其曲率急剧增加。当在至少两个电极之间施加偏压时，在接近于它们的位置处建立的电场显著地增强。换句话说，当可以在该至少两个电极之间施加偏压时，电场可以在接近于该至少两个电极的位置处增强，并且电场在该至少两个电极之间的区域中显著(或几乎)减弱。一般而言，对于在电极上施加的给定偏压，一个区域中的增强场通过其他位置的减弱场(diminishment field)来补偿，但重要的是强调减弱场的场强将不会为零——这意味着在减弱区域中产生的光子诱导载流子仍将按预期被驱动到增强区域。
雪崩倍增可以在与吸收体材料的带隙电势相对应的理论最小偏置电压下实现，通常小于约15V，并且对于典型的半导体而言，其更优选地为远低于约10V。雪崩倍增可以在室温下发生。
该光电探测器可以是单光子光电探测器。
多个电极可以是不对称的。这可能意味着一个电极与另一个电极相比可以具有不同的曲率和/或形状和/或布置。
多个电极中的至少一些(或全部)可以是透明电极。多个电极中的至少一些(或全部)可以是内陷电极。
多个电极中的至少一些(或全部)可以被沉积在与吸收体表面相邻的位置处，该吸收体表面被定向为不同于平行于吸收区域的主平面。在另一示例中，多个电极中的至少一些可以被沉积在取向不同于平行于吸收区域的主平面的吸收体表面上。
光子可以经由波导被传递到探测器。可以将该光电探测器器件并入到光子晶体中。
在一个示例中，光子可以通过透镜被聚焦到探测器上，该透镜可以形成在探测器上。
至少一个光子可以由棱镜或光栅进行光谱分离，以便入射或不入射在一个或多个探测器器件上，其中该棱镜或光栅可以形成在探测器上。
多个电极中的至少一些(或全部)可以连接到(外部的或集成的)控制电路。多个电极可以包括任何一种或多种导电材料，包括金属、金属多层、多晶硅或其他导电半导体和/或在吸收区域(或吸收层)的生长过程期间形成的一个层或多个层。
该光电探测器可以包括抗反射涂层或抗反射层。这些层是有利的，因为它们防止光子从器件表面反射，否则，这种反射会降低探测效率。
该光电探测器还可以包括掩埋反射层以将光子反射回到吸收层中。掩埋反射器层(或堆叠)可以用于反射光子，其中该光子以其他方式将无法被探测到。
该光电探测器还可以包括吸收区域中的探测区域，其中所吸收的光子可以生成促成探测器电流的载流子。该光电探测器还可以在探测区域下方和/或上方包括阻挡层。阻挡层可以是较宽带隙阻挡层。一般而言，重组的载流子不促成通过到达电极引起的探测器电流，并且载流子到达电极所花费的时间可能会限制带宽。但是，在本器件中，使用绝缘的或高度载流子耗尽的吸收体材料可以改善这两个方面；自由载流子的稀缺强烈地抑制了重组并且降低了限制导体和掺杂半导体中建立的电场的屏蔽效应，从而导致更高的漂移速度，并且因此得到更快的跃迁和更高的运行速度。
该光电探测器的接触部或电极可以被置于表面台阶的面上或与台阶相邻的顶表面上，以便探测具有入射角横向分量的光子。这可以包括从横向波导发射的光子。
暗电流可能足够大，以至于需要某种隔离。实现此目的的一种方法是在探测区域下方并入较宽带隙阻挡层，从而最小化载流子的大量生成和/或阻挡那些载流子向表面行进。这可以通过对吸收体进行台面蚀刻使得接触部的尽可能大的面积位于阻挡材料上而进一步改善。通过蚀刻牺牲掩埋层、打薄整个衬底或使用无支撑薄膜作为吸收体的去除可以具有类似的效果。
根据本公开的另一个方面，提供了一种制造光电探测器的方法，该方法包括：形成在其中吸收光子的至少一个吸收区域；沉积设置在至少一个吸收区域上的多个电极。该多个电极彼此间隔开。该方法还包括选择或选取多个电极中的至少一个电极的几何形状以增强具有在该至少一个电极附近发生雪崩倍增所需场强的电场的形成。该方法还可以包括使用光刻技术。
有利地，由于其制造所需的步骤最少，并且不需要离子注入的困难且昂贵的阶段，因此与现有的单光子探测技术(例如，p-i-n光电二极管和雪崩光电二极管(APD))相比，其制造既容易得多又成本更低。该处理还以仅涉及最终金属化阶段的基本形式与行业标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容。
一般而言，所公开的器件具有以下优点：
·强烈增强场
ο低击穿电压
·单层
ο误探测率降低，此处技术人员会理解，误探测的示例包括暗探测和后脉冲
ο制造成本最小化
·处理步骤最少
ο不进行离子注入
οCMOS兼容
ο可以追溯性地置于现有结构上
·雪崩层也是吸收层(与传统的APD不同)
ο电荷载流子重组或被俘获的可能性减小
ο电子和空穴均可引发雪崩
·雪崩层也是漂移层(与APD不同)
ο电荷载流子重组或被俘获的可能性减小
ο器件响应时间缩短
·平面结构
ο极小的电容(超高带宽)
ο与平面内光电器件集成
附图说明
现在将仅通过示例的方式并且参考附图来描述本公开的一些优选实施例，附图中：
图1示出了已知的光电二极管；
图2示出了根据一个实施方式的光电探测器的三维视图；
图3a示出了根据一个实施方式的替代光电探测器的顶视图。图3b示出了图3a的光电探测器的顶视图，其中示出了两个电极之间的电场线分布；
图4a示出了根据一个实施方式的替代光电探测器的顶视图。图4b示出了图4a的光电探测器的顶视图，其中示出了两个电极之间的电场线分布；
图5a示出了根据一个实施方式的替代光电探测器的顶视图。图5b示出了图5a的光电探测器的顶视图，其中示出了电极之间的电场线分布；
图6a示出了根据一个实施方式的替代光电探测器的顶视图。图6b示出了图6a的光电探测器的顶视图，其中示出了电极之间的电场线分布；
图7a示出了根据一个实施方式的替代光电探测器的顶视图。图7b示出了图7a的光电探测器的顶视图，其中示出了电极之间的电场线分布；
图8是九种不同电极几何形状的电极之间建立的场强的平面图，每种情况的电极间隔相同，但电极半径R不同；以及
图9示出了针对图8中相对曲率不同的九种不同电极几何形状的沿y＝0线的场强；
图10(a)和图10(b)示出了被配置用于与芯片上平面波导集成的器件的3D图。
具体实施方式
可替代实施方式中的通用器件结构
图2示出了根据一个实施例或实施方式的光电探测器的三维视图。光电探测器包括单个吸收区域(或吸收层)205。在吸收区域上设置或形成彼此间隔开的两个电极210、215。在两个电极210、215之间存在(横向)距离(或间隔)220。吸收区域205包括基本上未掺杂的材料。换句话说，吸收区域205包括本征材料。在该实施例中，两个电极210、215具有基本相同或相等的曲率。当在电极210、215上施加足够大小的偏压(或电偏压)时，由于电极的曲率和它们之间的间隔，它们之间建立起电场，该电场具有在它们附近发生雪崩倍增所需的场强。将理解，电极210、215的曲率和/或两者之间的距离220都决定击穿电压。考虑到在吸收区域中不使用掺杂，意外的是可以通过控制电极的几何形状(例如，曲率和/或电极间隔)来实现雪崩击穿。
图3a示出了根据一个实施例或实施方式的替代光电探测器的顶视图。图3b示出了图3a中描绘的光电探测器的顶视图，其中示出了两个电极之间的电场线分布。在吸收区域上设置彼此间隔开的两个电极305、310。在该示例中，两个电极305和310二者的曲率和/或形状是不相等的，因此被称为非对称的。例如，第一电极305具有预定曲率，且与第一电极305相比，第二电极310具有不同的布置或形状。当在电极两端施加足够大小的偏压时，电极305附近建立起增强电场，如密度增大的场强线所示(参见图3b)。该增强电场可以导致在第一电极305附近发生雪崩击穿。
图4a示出了根据一个实施例或实施方式的替代光电探测器的顶视图。图4b示出了图4a的光电探测器的顶视图，其中示出了两个电极之间的电场线分布。在吸收区域上设置彼此间隔开的两个电极405、410。在该实施例中，两个电极405、410的曲率和/或形状是相等的或基本相同的，因此被称为对称的。当在电极两端施加足够大小的偏压时，在位于弯曲电极405、410附近的电极415附近建立增强电场(参见图4b)，如密度增大的场强线所示。该增强电场可以导致在电极405、410附近发生雪崩击穿。
图5a示出了根据一个实施例或实施方式的替代光电探测器的顶视图。图5b示出了图5a的光电探测器的顶视图，其中示出了电极之间的电场线分布。在吸收区域上设置彼此间隔开的四个电极505、510、515、520。在该示例中，使用更多的电极以增加探测区域的体积。在一个示例中，电极505、510、515、520的曲率和/或形状可以是对称的。在替代示例中，电极505、510、515、520的曲率和/或形状可以不同，因此，电极505、510、515、520可以是非对称的。当在电极505、510、515、520两端施加足够大小的偏压时，在它们附近建立增强电场，如密度增大的场强线所示(参见图5b)。该增强电场可以导致在电极505、510、515、520附近发生雪崩击穿。
图6a示出了根据一个实施例或实施方式的替代光电探测器的顶视图。图6b示出了图6a的光电探测器的顶视图，其中示出了电极之间的电场线分布。在图6a和图6b的实施方式中，在吸收区域上设置彼此间隔开的八个电极605、610、615、620、625、630、635、640。如同图5的实施方式，在该示例中，使用更多的电极以增加探测区域的体积。在一个示例中，电极605、610、615、620、625、630、635、640的曲率和/或形状基本相同，因此，电极605、610、615、620、625、630、635、640是对称的。在替代示例中，电极605、610、615、620、625、630、635、640的曲率和/或形状可以不同，因此，电极605、610、615、620、625、630、635、640可以是非对称的。当在电极605、610、615、620、625、630、635、640两端施加足够大小的偏压时，它们附近建立起增强电场，如密度增大的场强线所示(参见图6b)。该增强电场可以导致在电极605、610、615、620、625、630、635、640附近发生雪崩击穿。
图7a示出了根据一个实施例或实施方式的替代光电探测器的顶视图。图7b示出了图7a的光电探测器的顶视图，其中示出了电极之间的电场线分布。在吸收区域上设置彼此间隔开的十个电极705、710、715、720、725、730、735、740、745、750。例如，电极以适合于波长光谱的布置来组织。如同图6的实施方式，在该示例中，使用更多的电极以增加探测区域的体积。在一个示例中，电极705、710、715、720、725、730、735、740、745、750的曲率和/或形状基本相同，因此，电极是对称的。在替代示例中，电极705、710、715、720、725、730、735、740、745、750的曲率和/或形状可以不同，因此，电极可以是非对称的。当在电极715、720、725、730、735、740、745、750两端施加足够大小的偏压时，它们附近建立起增强电场，如密度增大的场强线所示(参见图7b)。该增强电场可以导致在电极715、720、725、730、735、740、745、750附近发生雪崩击穿。当与能获得光子空间分离(例如，折射或衍射)的光谱技术组合时，该配置可用作光谱仪的一部分。可以从光子入射的位置推断光谱特性，光子入射的位置本身可以从收集载流子的电极获得。
图10(a)和图10(b)示出了根据一个实施例或实施方式的光电探测器的三维视图。该光电探测器器件被配置用于与芯片上平面波导1025集成。该光电探测器包括单个吸收区域(或层)1005。在吸收区域上设置彼此间隔开的两个电极1010、1015。在这两个电极1010、1015之间存在距离1020。吸收区域1005包括基本上未掺杂的材料。接触部或电极1010、1015可以设置在从顶表面形成的台阶面(图10b)上或设置在顶表面上(图10a)。
几何场增强
现在，我们将描述根据本公开的实施方式的在此被用于雪崩倍增的电场的几何增强的理论。我们还将讨论数值模拟结果。
根据麦克斯韦(Maxwell)方程，在没有变化的磁场的情况下，两个电极之间建立的电场E仅由电势
Figure BDA0002898235690000111
的梯度定义：
Figure BDA0002898235690000112
其中，
Figure BDA0002898235690000113
该向量的大小量化给定点处电场的空间变化率，并且其方向指定电场从该点起最急剧的增加。
从(1)和(2)中可以看出，不仅施加在电极两端的偏压会影响它们之间建立的电场，而且电极本身的确切几何形状(例如，曲率和/或形状和/或布置和/或电极距离)也会如此。具体地，电场场强随所施加的偏压和电极曲率二者而增加，但是随电极间隔而减小。
本公开的显著方面是固有地利用几何形状(尤其是电极曲率)而不是掺杂来增强具有在规定材料中发生雪崩击穿所需场强的电场的形成，从而提供单光子探测所需的必要的电流放大。
对于线性、各向同性和均质的介质，高斯(Gauss)定律通过给定电荷分布ρ定义所建立的电场：
Figure BDA0002898235690000114
其中，
Figure BDA0002898235690000115
是电场的发散度：
Figure BDA0002898235690000121
该标量量化电场从给定点发散的程度，εr是介质的相对电容率，而ε0是真空的电容率。
在电荷密度可忽略的情况下，由(1)和(3)得到：
Figure BDA0002898235690000122
其中，
Figure BDA0002898235690000123
是电势的拉普拉斯算子(Laplacian)：
Figure BDA0002898235690000124
该标量量化给定点处的电场梯度的发散度。
施加在电极两端的偏压VB和电极几何形状都提供了必要和充分的边界条件，以通过有限元方法求解(5)在整个空间上的电势
Figure BDA0002898235690000125
然后最终求解(1)电场。
现在给出对(5)和(1)的2D解的选择结果。这些在质量上与3D模拟相似，而为了简单起见，未示出3D模拟。我们将场强α定义为：
Figure BDA0002898235690000126
其中，d是电极间隔，VB是所施加的偏压，|E|是电场场强。重要的是要注意，场强是无单位的。
图8是九种不同电极几何形状的电极(805和810)之间建立的场强的平面图，每种情况的电极间隔相等，但电极半径R不同。电极间隔与电极半径的比值在此被称为相对曲率dκ，其中κ＝1/R是曲率，并且以0.25到32的二元几何级数变化。包括dκ＝0的平行电极情况，以进行比较。对于平行电极情况(左上方)，在电极805、810之间的所有点处，场强是统一的(因为电极805、810之间未示出变化)。对于所有其他几何形状，电极805、810是弯曲的，在接近于它们的位置处可以清楚地观察到场强大于统一值的场增强区域(白色区域)。
已知对于两个平行电极
Figure BDA0002898235690000131
在这种情况下由(7)得出α＝1。因此，我们将场增强区域定义为α＞1，而将场减弱区域定义为α＜1。
图9示出了针对图8中相对曲率不同的九种不同电极几何形状的沿y＝0线的场强。图9研究了图8中所绘的增强区域中的场增强程度。在平行电极情况下(在图8的左上方)，再次确认场强(参见dκ＝0)在电极之间的所有点处都是统一的。对于所有其他几何形状，电极是弯曲的，并且在接近于电极的位置处呈现出场强大于统一值的增强区域。可以观察到增强区域内的场增强程度随电极接近度的增加和曲率的增加而增加。值得注意的是，对于弯曲电极，电场随与电极间隔中心点的接近度的增加而减小。插图清楚地示出了左电极附近的场增强程度(由于两个电极具有完全相同的形状，因此右电极的增强水平也将相同)，对于相对曲率dκ>256的情况，电场沿靠近电极界面的位置增强至少一个数量级。对于所有弯曲的器件，可以看到增强区域从每个电极延伸至少0.1d。
从图8和图9中可以清楚地看出，增加电极曲率会增加其附近的场增强。增强程度随曲率的增加呈指数增加，并且迅速趋于无穷大。施加在电极两端的偏压VB要求增强场通过其他位置的减弱场来补偿，但重要的是强调减弱场的场强通常不会为零——这意味着在减弱区域中产生的光子诱导载流子仍将按预期被驱动到增强区域。
通过雪崩击穿的单光子探测的示例
通过在其击穿场Eb或高于其击穿场Eb的条件下操作材料(被称为盖革模式操作的操作方法)，由内部光电效应产生的移动电荷载流子可以从电场中获得用于碰撞的足够的动能以进行电离，从而导致产生另外的移动电荷载流子，针对该移动电荷载流子可以再次重复该过程。被称为雪崩击穿的这种机制是自维持的并且根据单个光子产生电荷的宏观移动，从而产生可测量的探测信号。将理解，本公开不仅限于单光子探测。
击穿场和带隙
下表详细列出了多种不同材料的击穿场，其按照场强递增的顺序排序。列出了在VB＝10V的施加偏压下便于雪崩击穿所需的两个平行电极之间的间隔。
材料 E<sub>b</sub>(MVm<sup>-1</sup>) d(μm) 带隙(eV) 带隙(nm)
InSb 0.1 100 0.17 7293
In<sub>0.53</sub>Ga<sub>0.47</sub>As 0.2 3.33 0.74 1675
InAs 0.2 2.5 0.35 3502
GaSb 4 2 0.72 1707
Ge 10 1 0.66* 1875*
Si 30 0.33 1.12* 1107*
GaAs 40 0.25 1.42 871
C(金刚石) 50 0.2 5.46* 227*
InP 50 0.2 1.34 922
Al<sub>0.45</sub>Ga<sub>0.55</sub>As 50 0.2 1.99 626
GaP 100 0.1 2.26* 548*
AlN 200 0.05 6.03 205
BN 400 0.03 6.1* 203*
GaN 500 0.02 3.28 378
表1：击穿场和带隙。按场强递增的顺序排序，列出了所选择材料的击穿场。对于每种材料，列出了在VB＝10V的施加偏压下便于雪崩击穿所需的两个平行电极之间的间隔以及材料的带隙(以eV和nm为单位)。*指示材料具有间接带隙。
几何场增强示例
仅在一个示例中，对于电极间隔为d＝1μm的GaAs器件，要在VB＝10V下实现击穿，由(7)得出需要α≥4的场强，这在2D中通过dκ＝64的相对曲率(对应于R＝16nm的半径)在靠近电极的位置实现。
实验结果
器件已由半绝缘砷化镓(GaAs)制成并且已被证明能够在低电压(例如，小于或等于10V)下经历雪崩击穿，并且无需放大即可执行室温下弱光探测，响应时间低于100ps。
实施方式的一般原理
现在我们将讨论本公开的光电探测器器件的操作的一般原理。这些原理适用于以上在图2至图8中讨论的所有器件。一般而言，通过吸收入射光子和通过热激发在吸收体区域中生成电荷载流子，其中前者是希望的，而后者是不希望的。被吸收的光子将具有等于或大于吸收体的带隙的能量，在这种情况下，可以选择吸收体来适应特定的应用，但限制条件是对于较小带隙的材料，不需要的热生成载流子会带来更大的问题。
所生成的载流子可以引发雪崩击穿，这取决于：
1、它们产生的位置。尽管取决于散射过程，但是载流子将倾向于平行于电场矢量行进。如果载流子的路径到达电极而没有遇到雪崩区域，则不会引起雪崩。
2、所施加的偏压和吸收体的击穿场值。电场的形状与所施加的电压无关，但其场强并非如此。较大的电压将提供较大的雪崩区域，从而允许更多的生成载流子促成雪崩电流。类似地，低击穿场将提供较小的雪崩体积。
3、所施加的电场或磁场(无论是使用外部器件还是集成器件)或例如会由磁性的或呈现出自旋霍尔效应(spin-hall effect)的吸收体区域生成的场。电场会扰动吸收体区域的电场，并且磁效应会使移动的载流子偏转。
如果在周期性偏压的上述击穿部分(门控盖革模式操作)期间载流子到达雪崩区域，它将通过碰撞电离生成除自身促成的电流之外的电流。如果载流子到达电极而没有雪崩，则没有这种放大作用。因此，我们可以从电场分布中定义吸收体体积，在该体积中载流子的生成将通过雪崩倍增导致可测量的信号。我们将该体积指定为探测区域。因此，器件应被设计为使得所需波长的光子在探测区域被吸收；应优化特征吸收深度以将通过该体积的光子的比例降低到可接受的程度。探测区域是雪崩区域的子集。
热生成的载流子是不希望的暗电流的源，并且是器件操作的限制因素。一个重要的观察结果是，尽管所有吸收体材料都会具有有限的载流子热生成率，但是只有在探测区域内产生的那些才会在到达器件电极时被放大。因此，原则上至少不需要为器件提供电隔离。
所公开器件的制造或实现
现在我们将讨论所公开的光电探测器的制造。以下注释适用于本公开中讨论的所有器件(在图2至图8中)。该器件可以通过多种方式制造；其最简单的配置是直接在吸收体材料的表面上形成两个或更多个电极，这些电极连接到外部控制电路。电极可以是金属或金属多层，但是也可以是半导体，例如多晶硅或在吸收体生长期间形成的一个或多个层；必要条件是，该器件不会因电阻或中间绝缘层而显著劣化，并且导体中的费米(Fermi)能级应在带隙内的某一点处与吸收体材料的能带结构匹配，使得来自接触部的载流子注入不显著。出于下述原因，吸收体(或吸收区域)本身旨在尽可能地不含电载流子，但是几何增强的原理也适用于由富含载流子区域间隔开的肖特基型(Schottky-type)接触部，但其效用较小。使用珀耳帖(Peltier)器件冷却样品可能是实用的，而低温技术对于探测低能光子或对于极小的光子通量可能是必需的。
最简单类型的器件可以通过使用抗蚀剂以及适当的曝光和显影的标准光刻技术制成。一般而言，执行此操作的技术包括：
1、剥离，其中接触材料(通常是金属或多层金属)被沉积在光刻图案化的表面上。用化学方法去除抗蚀剂，从而仅在期望区域上保留接触材料。此处的沉积最适合诸如电阻热或电子束蒸发之类的高方向性技术，对材料的选择提出了技术限制，但通常对于金属而言是理想方案。
2、回蚀，其涉及在整个表面上形成接触材料层，然后进行光刻以及对不需要的材料进行化学或等离子体蚀刻。许多技术都适用于层沉积，包括蒸发沉积、原位外延生长(例如，分子束或化学外延)或溅射沉积。
通常，光子从器件表面反射会降低探测效率。这可以通过包括抗反射涂层或层的技术来解决。类似地，可以使用掩埋反射器堆叠来反射将以其他方式行进到探测区域之外的光子。
通过使用上述(或其他)工艺对吸收体进行图案化来调适器件中的电场分布可能是有用的。在沉积之前对吸收体(或吸收区)进行蚀刻可以使接触部内陷以优化可探测体积；在这种结构中，探测区域的厚度将增加。在表面重组成问题的情况下，这也可能是有用的，因为载流子会被电场分布驱逐远离表面。
载流子在雪崩之前进行重组会降低响应度和探测效率，并且载流子穿越器件所花费的时间可能会限制其带宽。然而，在本器件中，使用绝缘或本征半导体材料改善了这两个方面。自由载流子的稀缺强烈地抑制了重组并且降低了限制导体和掺杂半导体中的电场的屏蔽效应，从而导致更高的漂移速度并且因此更快的跃迁以及更大的带宽。
暗电流可能足够大，以至于需要某种隔离。实现此目的的一种方法是在探测区域下方并入较宽带隙阻挡层，从而最小化载流子的大量生成和/或阻挡那些载流子向表面行进。这可以通过对吸收体进行台面蚀刻使得接触部的尽可能大的面积位于阻挡材料上而进一步改善。通过蚀刻牺牲掩埋层、打薄整个衬底或使用无支撑薄膜作为吸收体的去除可以具有类似的效果。
应理解，上面提到的或在附图中示出的所有掺杂极性和/或电压极性都可以颠倒，由此所得的器件仍然符合本公开。
本领域技术人员将理解，在前面的描述和所附权利要求中，诸如“在……上方”、“重叠”、“在……下方”、“横向”、“垂直”等的位置术语是参考光电探测器器件的概念性说明而提出的，例如示出标准横截面透视图的那些以及附图中示出的那些。这些术语是为了便于参考而使用的，并不旨在具有限制性。因此，当处于附图所示的方位时，这些术语应被理解为指代光电探测器。
尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本发明，但是应理解，这些实施例仅是说明性的并且权利要求不限于那些实施例。本领域技术人员将能够鉴于本公开做出被认为是落入所附权利要求的范围内的修改和替代。本说明书中公开或示出的每个特征可以单独地或与本文中公开或示出的任何其他特征以任何适当的组合地并入本发明中。

Claims (24)

1.一种光电探测器，包括：
至少一个吸收区域，在所述至少一个吸收区域中吸收光子；
多个电极，设置在所述至少一个吸收区域上，其中，所述多个电极彼此间隔开；并且
其中，在使用时选择所述多个电极中的至少一个电极的几何形状以增强具有在所述至少一个电极附近发生雪崩倍增所需场强的电场的形成。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，所述至少一个吸收区域包括预定材料，并且其中，所述雪崩倍增发生在所述预定材料中。
3.根据权利要求1或2所述的光电探测器，其中，所述雪崩倍增发生在所述至少一个电极与所述至少一个吸收区域之间的表面附近。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，所述至少一个吸收区域包括具有少量掺杂剂或没有掺杂剂的雪崩区域，并且其中，所述雪崩倍增发生在所述雪崩区域中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，选择所述至少一个电极的形状和布置以实现所述雪崩倍增。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，选择至少两个电极之间的距离以实现所述雪崩倍增。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，选择所述至少一个电极的曲率以实现所述雪崩倍增。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，改变所述至少一个电极的相对曲率以实现所述雪崩倍增，其中，所述相对曲率是从至少两个电极之间的距离与所述至少一个电极的半径值的比值中导出的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，所述电场场强的增强程度随所述至少一个电极的曲率的增加而增加。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，当在至少两个电极之间施加偏压时，所述电场在接近于所述至少两个电极的位置处增强并且所述电场在所述至少两个电极之间的区域中大幅减弱。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，所述雪崩倍增在小于或等于约10V下实现。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，所述雪崩倍增在室温下发生。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，所述光电探测器是单光子光电探测器。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，所述多个电极中的至少一些是对称的。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的光电探测器，其中，所述多个电极中的至少一些是非对称的。
16.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，所述多个电极中的至少一些是透明的。
17.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，所述多个电极中的至少一些内陷在器件表面的水平线以下。
18.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，所述多个电极中的至少一些连接到控制电路。
19.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，其中，所述多个电极包括以下中的任何一个或多个：金属、金属多层、多晶硅以及在所述吸收区域的生长期间形成的一层或多层。
20.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，还包括抗反射涂层或抗反射层。
21.根据前述权利要求中任一项所述的光电探测器，还包括掩埋反射层以将光子反射回到所述吸收区域中。
22.根据权利要求4至19中任一项所述的光电探测器，还包括在所述雪崩区域中的探测区域和在所述探测区域下方的阻挡层。
23.根据权利要求22所述的光电探测器，其中，所述阻挡层是较宽带隙阻挡层。
24.一种制造光电探测器的方法，所述方法包括：
形成至少一个吸收区域，在所述至少一个吸收区域中吸收光子；
沉积设置在所述至少一个吸收区域上的多个电极，其中，所述多个电极彼此间隔开；以及
选择所述多个电极中的至少一个电极的几何形状，以增强具有在所述至少一个电极附近发生雪崩倍增所需场强的电场的形成。
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