白鵬張?jiān)罗?沈文忠

1)(上海交通大學(xué),人工結(jié)構(gòu)與量子調(diào)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

2)(人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210093)

(2018年4月8日收到;2018年5月24日收到修改稿)

1 引 言

單光子探測(cè)是指單個(gè)光子量級(jí)的光吸收就能夠引起宏觀可觀測(cè)電學(xué)變化,是極限靈敏程度的光子探測(cè)技術(shù).單光子探測(cè)在量子信息處理、量子保密通信、激光雷達(dá)、宇宙學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義[1?6].近年來,量子通信技術(shù)取得了卓越的進(jìn)步和發(fā)展,隨著空間量子通信[7,8]和海水量子通信[9]的相繼實(shí)現(xiàn),量子通信距離實(shí)際應(yīng)用越來越近.而針對(duì)1550 nm的單光子探測(cè)器則是基于當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)的量子通信中至關(guān)重要的一部分.由于上述應(yīng)用的牽引,單光子探測(cè)技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)步,同時(shí)大大促進(jìn)了“少數(shù)光子”科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展.當(dāng)前針對(duì)1550 mn的主流單光子探測(cè)器包括超導(dǎo)探測(cè)器[10]、單光子雪崩二極管[11]以及基于光參量頻率上轉(zhuǎn)換的單光子探測(cè)器[12].

經(jīng)過多年的發(fā)展,超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(superconducting nanowire single photon detector,SNSPD)各方面的性能指標(biāo)均接近或者達(dá)到了理想單光子探測(cè)器的極限,包括極高的系統(tǒng)探測(cè)率(>90%),極低的暗計(jì)數(shù)(無(wú)背景輻射情況下DCR<1 cps),極短的時(shí)間抖動(dòng)(～150 ps)和極短的重置時(shí)間(～40 ns)[10].但是,SNSPD大規(guī)模推廣應(yīng)用的最大阻礙是其極低的工作溫度(<3 K).頻率上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器是通過非線性光學(xué)晶體中的和頻功能將通信波段的光子轉(zhuǎn)換為可見光子,再利用商用的Si-雪崩二極管來探測(cè)[12,13?17].強(qiáng)抽運(yùn)光作用下,這種探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)高探測(cè)效率(PDE),高計(jì)數(shù)率(>60%),并且沒有后脈沖的影響.但是其暗計(jì)數(shù)可以達(dá)到～105cps[12,18].關(guān)于這一探測(cè)器的最新研究顯示其可以在弱光泵浦條件下實(shí)現(xiàn)20—100 cps的暗計(jì)數(shù),但是對(duì)應(yīng)的PDE僅為5%—25%[19].此外,相對(duì)復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)和相對(duì)較窄的光譜響應(yīng)也不可避免地限制了這一探測(cè)器的應(yīng)用范圍.

在300—900 nm波段,硅單光子雪崩二極管(Si-SPAD)性能優(yōu)異.單光子量子探測(cè)效率最高可達(dá)70%,暗計(jì)數(shù)率小于50 Hz,后脈沖效應(yīng)小,可連續(xù)計(jì)數(shù),光子到達(dá)時(shí)間抖動(dòng)半高全寬在數(shù)百皮秒量級(jí)[20].如果采用合適的驅(qū)動(dòng)電路,Si-SPAD可以具有一定的光子數(shù)分辨能力[21].Si-SPAD優(yōu)異的單光子探測(cè)性能主要來源于高質(zhì)量的Si材料.但是Si的禁帶寬度較大,當(dāng)探測(cè)波長(zhǎng)大于1μm時(shí),其量子效率迅速降低至1%以下,失去實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[20].

InGaAs/InP SPAD與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)相容性高、工作溫度處于熱電制冷區(qū),在量子保密通信應(yīng)用中具有較為明顯的優(yōu)勢(shì).然而,由于InP倍增層中的深能級(jí)中心密度遠(yuǎn)高于Si,使InGaAs/InP SPAD的后脈沖效應(yīng)遠(yuǎn)高于Si SPAD.這一特性使得Si-SPAD必須工作于門控模式下,Comandar等[22]報(bào)道的門控模式InGaAs-SPAD實(shí)現(xiàn)了55%的探測(cè)率,幾乎接近APD的探測(cè)極限,但是其后脈沖效應(yīng)接近10%.必須指出的是,門控模式的InGaAs-SPAD只適用于少數(shù)場(chǎng)合,當(dāng)不確定光子到達(dá)精確時(shí)間時(shí),器件必須工作在自由運(yùn)行模式下[23].然而自由運(yùn)行的InGaAs-SPAD的效率只有10%,對(duì)應(yīng)的后脈沖效應(yīng)仍接近2%[23,24].

以InGaAs為吸收層、Si為倍增層是一種有益的嘗試.Si倍增層具有電子空穴電離比率高、缺陷態(tài)密度低、缺陷能級(jí)少等特點(diǎn),與InGaAs/InP相比暗電流更小.InGaAs與Si晶格常數(shù)差異較大(7.5%),無(wú)法通過外延生長(zhǎng)直接制備集成.有報(bào)道采用晶片鍵合技術(shù)制備InGaAs/Si p-i-n探測(cè)器[25,26]和InGaAs/Si雪崩二極管[27],實(shí)現(xiàn)了820 MHz頻率下10倍增益、600 MHz頻率下135倍增益的器件,量子效率低于40%,器件性能有待優(yōu)化,尚且不能滿足高性能單光子探測(cè)器的實(shí)際需要.

在各種紅外上轉(zhuǎn)換技術(shù)中,半導(dǎo)體紅外上轉(zhuǎn)換技術(shù)受到了廣泛關(guān)注.半導(dǎo)體紅外上轉(zhuǎn)換器件通常由紅外探測(cè)器和發(fā)光二極管兩部分組成,其中紅外探測(cè)器吸收紅外光,產(chǎn)生的光生載流子遷移至發(fā)光二極管工作層,發(fā)生輻射復(fù)合產(chǎn)生近紅外或者可見光子,從而實(shí)現(xiàn)光子頻率上轉(zhuǎn)換.迄今為止,人們研制了基于帶間躍遷、內(nèi)光發(fā)射、子帶間躍遷等不同機(jī)制,面向近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和太赫茲等不同波段的半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換器件,并且在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了無(wú)像元半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換成像[28?33].應(yīng)用于光纖通信波段的半導(dǎo)體紅外上轉(zhuǎn)換技術(shù)具備一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn):可以工作在低激發(fā)光強(qiáng),熱電制冷溫度甚至室溫等情況下,并且結(jié)構(gòu)緊湊,而且可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn).更重要的是,半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換器件極高的上轉(zhuǎn)換內(nèi)量子效率(>80%)[34]為近紅外單光子探測(cè)提供了一種新的選擇和思路.

本文聚焦當(dāng)前基于半導(dǎo)體材料的可見光或近紅外單光子探測(cè)器,對(duì)其各自的原理、性能、優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)進(jìn)行相關(guān)評(píng)述.基于我們?cè)诎雽?dǎo)體光電器件與物理、尤其是半導(dǎo)體紅外上轉(zhuǎn)換成像器件方面的前期工作,提出一種1.3—1.55μm光纖通信波段半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)方案[35];詳細(xì)地闡述了上轉(zhuǎn)換近紅外單光子探測(cè)器(USPD)的基本原理,細(xì)致地討論了其器件結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化,給出了USPD器件的性能指標(biāo);給出了USPD單光子探測(cè)方案的最新實(shí)驗(yàn)進(jìn)展及器件制備工藝,并且對(duì)這一新型單光子探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)和未來研究方向進(jìn)行總結(jié)和展望.

2 半導(dǎo)體單光子探測(cè)器

半導(dǎo)體作為20世紀(jì)四大發(fā)明之一,在過去的近百年時(shí)間里有力地支撐了信息時(shí)代的技術(shù)要求及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展.其應(yīng)用領(lǐng)域囊括集成電路、計(jì)算機(jī)、光通信、無(wú)線通信、清潔能源、白光照明、發(fā)光二極管(LED)、激光測(cè)距[36]等諸多方面.在近年來新興的量子計(jì)算和量子通信領(lǐng)域,半導(dǎo)體單光子探測(cè)器更是起著至關(guān)重要的作用.當(dāng)前的量子計(jì)算和量子通信均基于對(duì)光子的操縱,通信性能或者計(jì)算指標(biāo)都嚴(yán)重依賴于接收端的單光子探測(cè)器.目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的單光子探測(cè)器是半導(dǎo)體單光子探測(cè)器.主要有硅單光子雪崩二極管(Si-SPAD)、銦鎵砷單光子雪崩二極管(InGaAs-SPAD)和半導(dǎo)體量子點(diǎn)探測(cè)器(QDOGFET).本節(jié)對(duì)上述三種探測(cè)器從技術(shù)原理、性能指標(biāo)、應(yīng)用范圍三個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)述,并分析其各自優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì).

2.1 Si單光子雪崩二極管

Cova等[37]在1983年首次報(bào)道了在非線性工作模式(蓋革模式)下,利用Si雪崩二極管(APD)實(shí)現(xiàn)了單光子探測(cè).雪崩二極管工作于蓋革模式時(shí),每對(duì)光生電子-空穴都能引發(fā)可維持的雪崩電離,形成宏觀電流.引入雪崩淬滅電路后,單個(gè)光子的吸收對(duì)應(yīng)一個(gè)可測(cè)量的宏觀電脈沖,其增益大于106,從而實(shí)現(xiàn)單光子的探測(cè).與其他單光子探測(cè)方案相比,單光子雪崩二極管探測(cè)器(SPAD)具備單光子探測(cè)效率高、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[17].根據(jù)探測(cè)波段的不同,用于制備雪崩二極管吸收層的材料有Si,Ge和In0.53Ga0.47As(以下簡(jiǎn)寫為InGaAs)等,在滿足晶格匹配條件下,雪崩層采用Si,Ge和InP等.

Si-SPAD是工作于二極管雪崩電壓之上的極靈敏光電探測(cè)器.光子通過探測(cè)器光學(xué)窗口進(jìn)入Si材料內(nèi)部,然后被內(nèi)部材料吸收后,產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì).產(chǎn)生的光生載流子在電場(chǎng)加速作用下遷移到探測(cè)器倍增區(qū),在特定條件下,光生載流子會(huì)在倍增區(qū)與晶格發(fā)生碰撞電離,不斷產(chǎn)生新的光生載流子.正是基于此原理,Si-SPAD可以探測(cè)微弱的光子信號(hào)(線性模式).為了可以探測(cè)單光子級(jí)別的極微弱光信號(hào),Si-SPAD的工作偏置電壓必須高于二極管的雪崩電壓(蓋革模式)[38].蓋革模式下,單個(gè)光子被吸收后產(chǎn)生的光生載流子在倍增區(qū)發(fā)生更加劇烈的碰撞電離.由于二極管發(fā)生雪崩效應(yīng)時(shí),內(nèi)部瞬時(shí)功率急劇上升,因此必須加入相關(guān)抑制電路對(duì)器件進(jìn)行保護(hù).實(shí)際應(yīng)用中采用主動(dòng)淬滅[39]和被動(dòng)淬滅[40]兩種方式對(duì)器件偏置電壓進(jìn)行復(fù)位,避免其長(zhǎng)時(shí)間處于雪崩狀態(tài),從而損毀器件.

經(jīng)過多年的發(fā)展,Si-SPAD至今已經(jīng)相當(dāng)成熟.圖1(a)所示為一種經(jīng)過優(yōu)化的雙外延結(jié)構(gòu)的Si-SPAD.這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于[39,42]:1)在n型襯底上外延生長(zhǎng)～10 mm的p型高質(zhì)量硅,較于直接在襯底上進(jìn)行器件制備,對(duì)于器件性能會(huì)有很大的提升;2)耗盡層的厚度主要由外延生長(zhǎng)的p型襯底中的p-n結(jié)決定;3)p++buried layer為雪崩電流提供了一個(gè)低阻通道;4)耗盡區(qū)域外部的p型輕摻雜區(qū)相當(dāng)于提供了一個(gè)防止邊緣雪崩效應(yīng)的保護(hù)環(huán);5)薄耗盡層的結(jié)構(gòu)大幅度提升了器件的時(shí)間分辨率(時(shí)間抖動(dòng)<40 ps).但是由于耗盡層相對(duì)較薄,這種結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)就是犧牲了器件的光子探測(cè)效率(PDE<40%).

為了獲得更高的光子探測(cè)效率(PDE>70%),可以采取厚耗盡層結(jié)構(gòu)[43],如圖1(b)所示.這種厚耗盡層結(jié)構(gòu)的SPAD并非平面結(jié)構(gòu),因此其與薄耗盡層結(jié)構(gòu)的SPAD制作工藝有較大差異.經(jīng)過多年的發(fā)展,這一結(jié)構(gòu)的Si-SPAD已經(jīng)相當(dāng)成熟.得益于其厚的耗盡層結(jié)構(gòu),該SPAD的光子探測(cè)范圍覆蓋可見和近紅外波段,其中540—800 nm的光子探測(cè)率均超過50%,并且對(duì)1μm的光子都有顯著的響應(yīng)[44].

圖1 i-SPAD器件示意圖 (a)薄耗盡層雙外延結(jié)構(gòu)[39];(b)厚耗盡層結(jié)構(gòu)[41]Fig.1.Schematic cross-section of Si-SPAD:(a)Double epitaxial SPAD device structure[39];(b)thick depletion layer SPAD device structure for high PDE[41].

耗盡層有幾十微米的量級(jí),但是器件的暗計(jì)數(shù)率(DCR)卻并不高,在零下15?C的工作溫度下,器件DCR可以保持在幾十到幾百的范圍內(nèi)[44].得益于Si材料的高質(zhì)量,這一結(jié)構(gòu)的SPAD的后脈沖效應(yīng)可以被抑制到最大不超過1%[44].盡管多個(gè)性能指標(biāo)都極佳,但是這一結(jié)構(gòu)也有其不可避免的缺點(diǎn).與薄耗盡層結(jié)構(gòu)相比,這一結(jié)構(gòu)的時(shí)間分辨率并不高(～400 ps)[45],但是可以通過聚焦光到器件中心感光區(qū)域或者使用電流收集電路的方式來得到顯著提高[46].此外,由于這一結(jié)構(gòu)的雪崩電壓格外高(200—500 V).雪崩過程中的功率損耗相當(dāng)嚴(yán)重(損耗功率約為5—10 W),因此器件工作時(shí)的有效制冷措施是必不可少的[47].再者,其特殊的結(jié)構(gòu)決定了其制作工藝的特殊性,這也導(dǎo)致了這一結(jié)構(gòu)Si-SPAD造價(jià)不菲,成本頗高.

2.2 InGaAs單光子雪崩二極管

較寬的帶隙限制了Si-SPAD的探測(cè)范圍,僅限于可見或者近紅外波段,對(duì)1100 nm以上光子的響應(yīng)基本可以忽略不計(jì).若要探測(cè)1100 nm以上的光子信號(hào),吸收層材料的帶隙必須小于1.1 eV.作為光纖通信和傳感系統(tǒng)的兩個(gè)重要窗口,針對(duì)1330 nm和1550 nm兩個(gè)波段的高性能單光子探測(cè)器對(duì)于當(dāng)前光纖通信和量子保密傳輸起著至關(guān)重要的作用.最常用的近紅外單光子探測(cè)器為SAGCM(separate absorption,grading,charge and multiplication)結(jié)構(gòu)的InGaAs-SPAD(如圖2(a)所示).InGaAs-SPAD中,InGaAs作為整個(gè)器件的吸收層,常溫下In0.53Ga0.47As的禁帶寬度為Eg=0.75 eV,對(duì)應(yīng)的截止波長(zhǎng)約為1700 nm,涵蓋1330 nm和1550 nm.與InGaAs晶格常數(shù)相匹配的InP作為器件倍增層.器件工作時(shí)內(nèi)部電場(chǎng)分布如圖2(b)所示,倍增層中的極高電場(chǎng)是為了確保一個(gè)高的碰撞電離效率,從而提供一個(gè)高的雪崩增益.而吸收層中的電場(chǎng)相對(duì)較低,這是為了減少場(chǎng)致漏電.n型的電荷層則是被設(shè)計(jì)用來調(diào)控倍增層和吸收層中的電場(chǎng)強(qiáng)度.漸變的InGaAsP層則是為了減小InP-InGaAs界面處的能帶突變,避免載流子在界面集聚形成二維電子氣[48].

圖2 (a)InGaAs/InP-SPAD器件結(jié)構(gòu)圖;(b)器件內(nèi)部電場(chǎng)分布圖[11]Fig.2.(a)The SAGCM structure of InGaAs/InP SPAD;(b)corresponding electrical field in device[11].

InGaAs-SPAD的探測(cè)原理與Si-SPAD類似,入射光子透過寬帶隙的InP進(jìn)入到InGaAs的吸收層被吸收產(chǎn)生電子空穴對(duì).光生載流子在電場(chǎng)的作用下遷移進(jìn)入InP倍增層中,與晶格碰撞電離發(fā)生雪崩效應(yīng),進(jìn)而產(chǎn)生宏觀電流.值得注意的是,由于高純度高質(zhì)量的InP很難生長(zhǎng)制備,InGaAs-SPAD的暗計(jì)數(shù)和后脈沖效應(yīng)均比Si-SPAD高出許多[49].為了抑制暗計(jì)數(shù)和后脈沖效應(yīng),InGaAs-SPAD一般工作在門控模式下,即只有在光子數(shù)到達(dá)極短的時(shí)間里使得SPAD的反向偏壓高于雪崩電壓.經(jīng)過優(yōu)化,當(dāng)前門控模式的InGaAs-SPAD的光子探測(cè)率可以達(dá)到55%,測(cè)得對(duì)應(yīng)的外量子效率,可以推算出80%被吸收的光子可以得到有效探測(cè)[22].但同時(shí)后脈沖在10%以上,暗計(jì)數(shù)率仍為kHz以上.由于必須精確知道光子到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間,因此門控模式的InGaAs-SPAD僅限于量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)(QKD).絕大多數(shù)的應(yīng)用情況均無(wú)法得知光子到達(dá)探測(cè)器的精確時(shí)間,因此需要用自由運(yùn)行模式(free running mode)[23].但是這一模式的InGaAs-SPAD還尚未成熟,往往探測(cè)率和暗計(jì)數(shù)(或者后脈沖)不可兼得,Korzh等[23]提出的自由模式的InGaAs-SPAD可以將暗計(jì)數(shù)抑制到1 Hz,但是對(duì)應(yīng)的PDE僅僅只有10%,后脈沖仍然高達(dá)2%,遠(yuǎn)不到實(shí)際應(yīng)用的階段.

2.3 半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子探測(cè)器

基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的單光子探測(cè)器件是近年來新興的單光子探測(cè)方案[50].其中量子點(diǎn)光學(xué)門控場(chǎng)效應(yīng)晶體管(quantum dot optically gatedfield-effect transistor,QDOGFET)為一種探測(cè)效率較佳的半導(dǎo)體探測(cè)器,其結(jié)構(gòu)示意圖及探測(cè)原理見圖3.該器件在GaAs襯底上自下而上生長(zhǎng)200 nm的GaAs緩沖層、2.5 μm的Al0.2Ga0.8As、Si δ摻雜層、70 nm的Al0.2Ga0.8As、100 nm的GaAs吸收層、密度為400—500μm?2的InGaAs量子點(diǎn)、200 nm的Al0.2Ga0.8As、最后為10 nm的n型摻雜(～ 6×1017cm?3)的GaAs帽層.源極和漏極金屬為Ni/Au/Ge,柵極金屬為Pt,光學(xué)窗口約為0.7μm×0.7μm,Al2O3一方面可以對(duì)器件表面鈍化,降低噪聲,另一方面可以將外部光學(xué)窗口金屬與器件分離.

器件的單光子探測(cè)原理如圖3所示,入射的805 nm的光子進(jìn)入器件,首先在GaAs區(qū)域被吸收,產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在柵極反向電壓的作用下,電子注入二維電子氣中,而空穴則遷移至量子點(diǎn)處被俘獲,俘獲空穴的量子點(diǎn)將改變?cè)礃O和漏極之間的溝道電流Ids,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光子信號(hào)的探測(cè).

值得注意的是,即使是單個(gè)空穴的俘獲,也會(huì)引起Ids的宏觀變化,這一獨(dú)特的性能決定了QDOGFET與生俱來的光子數(shù)分辨能力[50].這種單光子探測(cè)器件的效率可以達(dá)到60%(～820 nm)以上,同時(shí)又能保證極低的暗計(jì)數(shù)[51].但是受GaAs帶隙所限,其吸收光波長(zhǎng)無(wú)法拓展至1μm以上,對(duì)于通信波段的(1330 nm和1550 nm)的光子幾乎沒有響應(yīng).此外,該器件的探測(cè)原理是基于量子點(diǎn)對(duì)空穴的俘獲,因此這類型器件對(duì)于溫度極其敏感,必須工作在極低的溫度下(～4 K)[51],這也限制了其應(yīng)用范圍.

圖3 光學(xué)門控場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件結(jié)構(gòu)示意圖及能帶結(jié)構(gòu)圖[50,51]Fig.3.Schematic diagrams of the composition and band structure of the QDOGFET[50,51].

3 上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器

上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器(USPD)[35]是一種基于近紅外半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換技術(shù)[30]的新型的單光子探測(cè)器,是一種全新的針對(duì)通信波段(1.33—1.55μm)的上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)方案.具體思路如下:以InP或者GaAs材料為襯底,利用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)或者金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)1.3—1.55μm光纖通信波段p-i-n近紅外探測(cè)器,其光吸收層為InGaAs;然后通過晶片鍵合方式將近紅外探測(cè)器與GaAs LED集成,制備半導(dǎo)體紅外單光子上轉(zhuǎn)換器件.1.3—1.55μm波長(zhǎng)光子被p-i-n近紅外探測(cè)器吸收后,形成的電子空穴對(duì)在外加偏壓作用下遷移至GaAs發(fā)光二極管功能層并復(fù)合發(fā)光,實(shí)現(xiàn)1.3—1.55μm波長(zhǎng)光子向0.87μm波長(zhǎng)光子的轉(zhuǎn)換.隨后,通過晶片鍵合技術(shù)或者光黏膠將半導(dǎo)體紅外單光子上轉(zhuǎn)換器件與Si SPAD黏合集成,上轉(zhuǎn)換而成0.87μm波長(zhǎng)光子耦合進(jìn)入Si SPAD并為其所探測(cè),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)1.3—1.55μm波長(zhǎng)單光子的探測(cè).

3.1 基本原理

3.1.1 器件模型

USPD的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(a)所示.整個(gè)單光子探測(cè)器件由一個(gè)半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換器件(upconverter)和一個(gè)Si-SPAD組成.上轉(zhuǎn)換器件由一個(gè)InGaAs光電探測(cè)器(PD)和一個(gè)GaAs LED通過晶片鍵合的方式制備而得.InGaAs-PD為傳統(tǒng)p-i-n結(jié)構(gòu),工作時(shí)需要施加反向偏壓.GaAs-LED是AlGaAs/GaAs/AlGaAs雙異質(zhì)結(jié)構(gòu),工作在正向偏壓下.整個(gè)單光子探測(cè)器工作原理為:入射的1550 nm的光子首先被InGaAs-PD吸收產(chǎn)生光生載流子,光生載流子在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入到LED的激活層發(fā)生輻射復(fù)合并且發(fā)光產(chǎn)生870 nm的近紅外光子.然后產(chǎn)生的近紅外光子再被Si-SPAD探測(cè),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè).USPD的器件等效電路圖和能帶示意圖分別如圖4(b)和圖4(c)所示.

圖4 上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器示意圖[35] (a)器件結(jié)構(gòu)示意圖;(b)器件等效電路圖;(c)器件能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.4.Device model schematic diagram of USPD[35]:(a)Structure of the USPD device;(b)equivalent circuit diagram of the USPD;(c)band diagrams of USPD.

值得注意的是,上轉(zhuǎn)換后的光子必須經(jīng)過一個(gè)光學(xué)耦合過程然后進(jìn)入到Si-SPAD中.耦合效率的高低直接影響著單光子探測(cè)效率,這將在接下來的章節(jié)中詳細(xì)討論.能帶結(jié)構(gòu)圖闡明了上轉(zhuǎn)換和單光子探測(cè)過程的微觀機(jī)制,上轉(zhuǎn)換所需的額外能量來自外加電場(chǎng).

從器件原理上,我們可以看出USPD同時(shí)結(jié)合了InGaAs-PD對(duì)于1550 nm光子的高吸收率和Si-SPAD的高的單光子探測(cè)率.器件這樣設(shè)計(jì)的一大優(yōu)勢(shì)就是可以把傳統(tǒng)的InGaAs-SPAD的吸收層和倍增層分離,只利用InGaAs吸收層,轉(zhuǎn)而利用Si-SPAD當(dāng)作器件的倍增層,這樣就可以大幅抑制暗計(jì)數(shù)和后脈沖效應(yīng).光子在上轉(zhuǎn)換器件中被吸收并且上轉(zhuǎn)換為短波光子,然后短波光子在Si-SPAD中被雪崩放大,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè).由于上轉(zhuǎn)換器件和Si-SPAD工作模式的不同,兩部分器件可以用兩個(gè)獨(dú)立的電路分別控制.理論上來講,得益于Si材料的高質(zhì)量,這樣的設(shè)計(jì)可以將傳統(tǒng)的InGaAs-SPAD的暗計(jì)數(shù)和后脈沖效應(yīng)抑制到Si-SPAD的量級(jí).如此一來,USPD既可以工作在自由運(yùn)行模式下,又能保證不犧牲探測(cè)率.

3.1.2 器件輸運(yùn)性質(zhì)

為了更好地認(rèn)識(shí)USPD的單光子探測(cè)機(jī)制,必須清楚器件的載流子輸運(yùn)過程.原理上來看,USPD中上轉(zhuǎn)換器件和Si-SPAD是電絕緣的,二者之間是光耦合連接在一起,因此我們只需考慮上轉(zhuǎn)換器件的載流子輸運(yùn)特性.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(TCAD)被采用研究上轉(zhuǎn)換器件的能帶結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)特性.計(jì)算過程中,我們考慮了不同的復(fù)合機(jī)制,包括俄歇復(fù)合、Shockley-Read-Hall(SRH)復(fù)合和輻射復(fù)合.以典型的半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換器件[29]為例,圖5(a)所示為其在5 V偏壓下的能帶結(jié)構(gòu)(QFL代表準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)).很明顯,只要1550 nm的光子進(jìn)入上轉(zhuǎn)換器件,就會(huì)被InGaAs層所吸收,產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)將在耗盡區(qū)電場(chǎng)作用下迅速分離.由于PD和LED的界面處幾乎沒有勢(shì)壘,空穴將順利地抵達(dá)LED中,而電子將被迅速遷移至陽(yáng)極中.與此同時(shí),為了保持整個(gè)上轉(zhuǎn)換器件中的電平衡,將有對(duì)應(yīng)數(shù)目的電子從陰極注入LED激活層中并與空穴發(fā)生復(fù)合.從這一角度來看,上轉(zhuǎn)換器件好像是一個(gè)電學(xué)泵.為了保證高的輻射復(fù)合效率,LED的激活層需要重型p摻雜[34],因此LED的激活區(qū)中有大量的空穴“等待”電子過來復(fù)合.此外,LED激活層中的重?fù)诫s也保證了USPD可以獲得一個(gè)很好的時(shí)間分辨率.

圖5 TCAD計(jì)算結(jié)果[35] (a)5 V偏壓下上轉(zhuǎn)換器件的能帶圖;(b)不同偏壓下的InGaAs p-i-n探測(cè)器光電流和上轉(zhuǎn)換器件光電流;(c)凈光電流(光電流扣除暗電流)Fig.5.Calculated results[35]of(a)band diagram of the up-converter under 5 V forward bias,(b)photocurrent of PIN and up-converter at different bias voltage,(c)net photocurrent(subtract dark current from the photocurrent)of PIN and up-converter at different bias voltages.

需要注意的是,即使光生空穴要穿過鍵合界面,但是上轉(zhuǎn)換過程卻并不依賴于產(chǎn)生的光生空穴.由于鍵合界面兩側(cè)無(wú)論是LED還是PD均為重型p摻雜,所以空穴在結(jié)合界面處屬于多子.低注入情況下,多數(shù)載流子壽命可以近似看作是一個(gè)常數(shù).吸收少數(shù)光子后轉(zhuǎn)換而得到的少數(shù)空穴進(jìn)入這一區(qū)域仿佛進(jìn)入一個(gè)“空穴?！币粯?由于是在極弱光條件下,產(chǎn)生的載流子很少屬于低注入條件,因此多數(shù)載流子的壽命理論上是無(wú)限長(zhǎng)的.另一方面,電子并不需要穿過結(jié)合界面,因此結(jié)合界面的質(zhì)量對(duì)于上轉(zhuǎn)換過程幾乎沒有影響.

計(jì)算而得的上轉(zhuǎn)換器件的I-V特性曲線如圖5(b)和圖5(c)所示,可以看出上轉(zhuǎn)換器件的I-V特性和普通的p-i-n光電探測(cè)器完全不同.施加反向偏壓,由于PD相當(dāng)于是正向偏壓而LED是反向偏壓,因此器件是不能工作的.施加正向偏壓,則PD和LED均為正常工作條件.LED的p-n結(jié)結(jié)構(gòu)決定了上轉(zhuǎn)換器件的開啟特性,施加的偏壓首先滿足LED的開啟特性,多余的電壓施加在PD部分.中紅外上轉(zhuǎn)換器件中也發(fā)現(xiàn)有類似的開啟特性[52].可以看出,USPD工作時(shí)的光電流和單個(gè)p-i-n PD的幾乎一致(圖5(b)).扣除背景暗電流后,二者的凈光電流結(jié)果也一致(圖5(c)).這一結(jié)果再次表明了鍵合的異質(zhì)結(jié)界面對(duì)于上轉(zhuǎn)換器件性能的影響微乎其微,和此前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)一致[29,30].

3.1.3 LED出光效率

器件原理表明,上轉(zhuǎn)換器件效率和LED的光子提取效率是成正比的.然而,LED的光輻射是各向同性的,對(duì)于平面結(jié)構(gòu)LED,會(huì)有接近50%的光子損失在器件襯底當(dāng)中.但是對(duì)于USPD而言,其特殊的結(jié)構(gòu)可以確保一個(gè)極高的光子提取效率.首先,由于半導(dǎo)體空氣界面的反射,從PD一端出射的光子的逃逸概率僅為～2%.也就是說,有98%的光子將被局限于上轉(zhuǎn)換器件中.其次,反向傳播進(jìn)入PD的光子將會(huì)被InGaAs層重新吸收并且產(chǎn)生光生載流子然后重復(fù)上轉(zhuǎn)換過程,這一過程稱為“光子循環(huán)”過程(如圖6所示).InGaAs的高吸收系數(shù)可以確保對(duì)于反向傳播光子的高效重吸收.

得益于光子循環(huán)效應(yīng),幾乎不會(huì)有光子從PD一端逃逸出去.因此上轉(zhuǎn)換器件中的InGaAs探測(cè)器部分不僅僅起著對(duì)于1550 mn入射光的吸收作用,更是相當(dāng)于是870 nm光子的一個(gè)電學(xué)反射鏡.因此,惟一限制USPD光子探測(cè)率的因素就是上轉(zhuǎn)換器件和Si-SPAD之間的光耦合效率.

圖6 上轉(zhuǎn)換器件中LED部分發(fā)光原理及光子循環(huán)效應(yīng)[35]Fig.6.Schematic diagram of the luminescence of the LED in the up-converter and photon recycling[35].

3.2 器件結(jié)構(gòu)及優(yōu)化

3.2.1 PD和LED性能優(yōu)化

上轉(zhuǎn)換器件由InGaAs PD和GaAs LED通過晶片鍵合的方式集成得到,為了確保上轉(zhuǎn)換器件具備高的上轉(zhuǎn)換效率,必須首先對(duì)PD和LED兩部分分別進(jìn)行優(yōu)化.其中,InGaAs PD器件性能的決定因素有很多,包括其器件結(jié)構(gòu)、吸收層摻雜濃度、工作溫度、器件制備工藝、表面鈍化工藝等.2012年以來,我們項(xiàng)目組嘗試過不同結(jié)構(gòu)的InGaAs PD器件[53?58],對(duì)其帽層材料、吸收層摻雜以及表面鈍化工藝進(jìn)行了詳細(xì)系統(tǒng)的研究.其中帽層材料對(duì)于器件暗電流和響應(yīng)率都有較大的影響,采用p-InP可以獲得83%以上的峰值量子效率,但是對(duì)應(yīng)其暗電流較大,?0.1 V的偏壓下可以達(dá)到10.2μA/cm2;采用p-InAlAs+InGaAs的帽層結(jié)構(gòu)暗電流相較于p-InP結(jié)構(gòu)可以減少50%,同時(shí)獲得90%的峰值響應(yīng)率;而采用原位摻雜的p-InAlAs可以降低一個(gè)量級(jí)的暗電流,但是對(duì)應(yīng)的峰值響應(yīng)率可以達(dá)到60%;通過優(yōu)化工藝,采用二次摻雜的p-InAlAs,可以將暗電流抑制在～400 nA/cm2(?0.1 V)的同時(shí),獲得99%的峰值量子效率.

圖7(a)所示為不同吸收層摻雜濃度對(duì)于器件響應(yīng)率的影響.四個(gè)器件均為臺(tái)面結(jié)構(gòu),S1為本征吸收層結(jié)構(gòu)的InGaAs p-i-n PD,在1550 nm處的響應(yīng)率約為0.8 A/W;S2在S1的基礎(chǔ)上進(jìn)行了器件表面鈍化(SiO2),相較器件S1,S2不僅提高了近10%的響應(yīng)率,其常溫下暗電流較之S1降低了接近3個(gè)量級(jí);FGA21為由美國(guó)Thorlabs公司生產(chǎn)的校準(zhǔn)的商用InGaAs探測(cè)器,在1550 nm的響應(yīng)率為0.96 A/W,對(duì)應(yīng)74%的量子效率;M79為項(xiàng)目參與單位——上海技術(shù)物理研究所(SITP)制備的臺(tái)面結(jié)構(gòu)InGaAs p-i-n PD,帽層材料為InP,可以獲得1.05 A/W的響應(yīng)率,對(duì)應(yīng)81%的量子效率.

圖7 (a)不同結(jié)構(gòu)InGaAs p-i-n探測(cè)器的響應(yīng)情況,其中器件S1和S2為上海交通大學(xué)(SJTU)采用的本征吸收層結(jié)構(gòu),M79為上海技術(shù)物理研究所采用的n型摻雜濃度為7×1016cm?3的結(jié)構(gòu),FGA21為美國(guó)Thorlabs公司校準(zhǔn)的InGaAs探測(cè)器;(b)不同激活層摻雜濃度的LED響應(yīng)情況Fig.7.(a)Response of InGaAs p-i-n detector with different structures,where S1,S2 adopt intrinsic absorption layer fabricate by SJTU,M79 use an n-doped absorption layer with 7×1016cm?3fabricated by SITP,FGA21 is a commercial detector from Thorlabs.(b)LED response at different doping concentrations in the activation layer.

GaAsLED為n-AlGaAs/p-GaAs/p-AlGaAs的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),其中關(guān)鍵為p-GaAs的激活層,即LED電子空穴發(fā)生復(fù)合進(jìn)而發(fā)光的功能層.半導(dǎo)體中SRH復(fù)合、俄歇復(fù)合、表面復(fù)合、輻射復(fù)合等多種復(fù)合機(jī)制并存,LED工作時(shí)要求輻射復(fù)合占據(jù)主導(dǎo),并且盡可能地抑制非輻射復(fù)合.這一點(diǎn)對(duì)于上轉(zhuǎn)換器件中的LED部分尤其重要,因?yàn)檩椛鋸?fù)合的效率直接決定了上轉(zhuǎn)換效率.圖7(b)所示為不同結(jié)構(gòu)和不同激活層摻雜濃度的LED響應(yīng)率測(cè)試結(jié)果.結(jié)果表明,隨著激活層摻雜濃度的升高,LED的量子效率先增大后減小,這主要是因?yàn)殡S著摻雜濃度變化,激活層內(nèi)的主要復(fù)合機(jī)制也發(fā)生變化[34].其中當(dāng)激活層摻雜濃度為1×1018cm?3時(shí),LED的量子效率達(dá)到峰值,且在低注入電流密度條件下也能保持一個(gè)很高的量子效率.

為了進(jìn)一步提高LED量子效率,我們?cè)趽诫s濃度為7×1017cm?3的激活層內(nèi)加入了一層9 nm厚的In0.1Ga0.9As量子阱,結(jié)果顯示在低溫下LED的量子效率較之不加量子阱結(jié)構(gòu)的LED提升了一倍以上,但是在常溫下,量子效率反而低于不加量子阱結(jié)構(gòu)的LED.其主要原因是,在低溫下量子阱可以局限更多的載流子,使得其載流子濃度更高,從而獲得更高的輻射復(fù)合系數(shù).但是常溫下,由于熱激發(fā)的存在,量子阱的局限載流子的效果被大大削弱,而且由于In0.1Ga0.9As的和GaAs的晶格失配造成了大量缺陷,這就使得其非輻射復(fù)合概率極大地上升,從而降低了其量子效率.值得一提的是,雖然這一結(jié)構(gòu)的LED在常溫下表現(xiàn)不盡如人意,但是其在低溫下的高性能對(duì)于中紅外[28]或者遠(yuǎn)紅外[59]上轉(zhuǎn)換有著重大意義.

3.2.2 上轉(zhuǎn)換器件優(yōu)化

前文所述的光子循環(huán)效應(yīng)可以保證所有的反向傳播光子均被InGaAs層重吸收,從而再次利用進(jìn)行上轉(zhuǎn)換.但是這個(gè)過程中,我們忽略了p-i-n PD中的p-InP帽層對(duì)于870 nm的光子也有一個(gè)很高的吸收系數(shù)(～104/cm).而且由于p-InP帽層并非處于耗盡層,電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)而言很低,因此吸收870 mn的光子并不能有效地產(chǎn)生光生載流子.因此,在實(shí)際操作中,可以考慮在進(jìn)行鍵合集成上轉(zhuǎn)換器件之前將p-InP帽層去除.鍵合之后,LED中的p-AlGaAs也可以充當(dāng)p-i-n結(jié)構(gòu)的p型區(qū).根據(jù)我們計(jì)算得到的去除p-InP帽層前后的上轉(zhuǎn)換器件能帶圖(如圖8所示),可以發(fā)現(xiàn)去除p-InP帽層之后,對(duì)于器件基本沒有影響.

忽略光子在器件中的傳播速率和載流子遷移速率,并且考慮3次光子循環(huán),接近90%(第一次50%,第二次25%,第三次12.5%)的光子將被從上轉(zhuǎn)換器件中耦合而出.光子循環(huán)的一大弊端就是會(huì)增加器件的時(shí)間抖動(dòng),這一問題將在3.3.1節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)的討論.

圖8 上轉(zhuǎn)換器件能帶結(jié)構(gòu)圖 (a)包含p-InP帽層結(jié)構(gòu);(b)不包含p-InP帽層結(jié)構(gòu)Fig.8.Band diagram of the up-converter:(a)With p-InP cap layer;(b)without p-InP cap layer.

3.2.3 光耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化

USPD中的上轉(zhuǎn)換器件和Si-SPAD是通過光學(xué)方法耦合在一起的.最簡(jiǎn)單直接的光學(xué)耦合方法是通過非球面鏡將LED端出射的光子準(zhǔn)直聚焦到Si-SPAD的感光面上,這種耦合方式稱為空間光耦合.這種耦合方式簡(jiǎn)單方便,但是多余的光學(xué)系統(tǒng)的引入使得整個(gè)器件不是特別緊湊,并且由于光子在半導(dǎo)體空氣界面的低的光子逃逸概率(只有～2%),所以USPD的單光子探測(cè)率相對(duì)過低.

為了提升USPD的光子探測(cè)率,一種有效的嘗試是將上轉(zhuǎn)換器件和Si-SPAD通過晶片鍵合的方式集成起來,由傳統(tǒng)光學(xué)理論可以推算出這種耦合方式的效率可以比空間光耦的方式高出一個(gè)量級(jí),達(dá)到24%:

其中θc是GaAs與Si界面的臨界角;nSi,nGaAs分別為Si和GaAs的折射率.

另一種方法通過光纖陣列中常用的光膠耦合(optical adhesive)的方式將上轉(zhuǎn)換器件和Si-SPAD集成在一起.由于Si(n=3.58)和GaAs(n=3.42)的折射率非常接近,理論上這二者之間是可以獲得一個(gè)很高的耦合效率的.但是已知光膠的折射率均小于3.通常的光膠折射率大約為1.55左右.當(dāng)光膠厚度較厚時(shí),對(duì)應(yīng)的耦合效率也不夠理想,可是當(dāng)光膠厚度和光波長(zhǎng)相比擬時(shí),就會(huì)發(fā)生所謂的“光子隧穿”效應(yīng),進(jìn)而獲得一個(gè)很高的耦合效率.理論上,光子隧穿效應(yīng)可以達(dá)到100%,實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)做出了81%的光耦合效率[60].因此,通過光膠耦合的方式將上轉(zhuǎn)換器件和Si-SPAD耦合在一起效率可以至少達(dá)到70%以上.

3.3 性能指標(biāo)

3.3.1 時(shí)間分辨率

時(shí)間分辨率(time resolution),也叫時(shí)間抖動(dòng)(time jitter),是單光子探測(cè)器的一個(gè)很重要的指標(biāo),在激光測(cè)距等實(shí)際應(yīng)用中直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能[61],因此在評(píng)估USPD的性能之前必須計(jì)算其時(shí)間抖動(dòng).USPD器件的時(shí)間抖動(dòng)可以表示為

其中tpin為InGaAs探測(cè)器的光響應(yīng)時(shí)間;ttrans為光生載流子的傳輸時(shí)間;tspont為GaAs LED的自發(fā)輻射壽命;tph是GaAs LED發(fā)出光子的傳輸時(shí)間;tSi為Si-SPAD的時(shí)間抖動(dòng).

對(duì)于一個(gè)傳統(tǒng)的InGaAs-SPAD,時(shí)間抖動(dòng)大約為50 ps[62],其中包括了器件光響應(yīng)時(shí)間和對(duì)應(yīng)的電路響應(yīng)時(shí)間.考慮到InGaAs的高吸收率和InGaAs-SPAD的極低的時(shí)間抖動(dòng),我們有理由認(rèn)為InGaAs探測(cè)器的光響應(yīng)時(shí)間可以忽略不計(jì),即tpin≈0.再考慮到上轉(zhuǎn)換過程的微觀機(jī)制,一旦入射光被吸收并且產(chǎn)生光生載流子,LED一端就會(huì)立即注入同樣數(shù)量的電子進(jìn)入LED的激活區(qū).光生載流子的產(chǎn)生和電子的注入可以看作是同步的.因此在計(jì)算USPD時(shí)間抖動(dòng)的過程中ttrans可以忽略不計(jì).考慮到器件僅在微米尺度,光子在器件中的傳播時(shí)間(tph)計(jì)算的結(jié)果大約為飛秒量級(jí).而對(duì)于高質(zhì)量的Si-SPAD,時(shí)間抖動(dòng)大約也為tSi≈50 ps.至于LED的自發(fā)輻射壽命,則由自發(fā)輻射系數(shù)(BT)和LED激活區(qū)多數(shù)載流子濃度(NA)決定(tspont=(BT×NA)?1).在USPD器件中,為了獲得一個(gè)高的輻射復(fù)合效率,LED激活層通常為重?fù)诫s(～1019cm?3).輻射復(fù)合系數(shù)在90,185和300 K的情況下分別為:BT=1.8×10?8,1.9×10?9,7.2×10?10cm3/s,對(duì)應(yīng)的自發(fā)輻射壽命分別為5.6,53和138 ps.因此USPD在90,185和300 K情況下的時(shí)間抖動(dòng)分別估算為50.3,72.9,147 ps.考慮到光子循環(huán)效應(yīng),則在90,185和300 K的情況下對(duì)應(yīng)的時(shí)間抖動(dòng)為150,219和441 ps,也是與Si-SPAD相比擬的量級(jí).

3.3.2 光子探測(cè)效率

光子探測(cè)效率PDE是指探測(cè)到的光子數(shù)和入射光子數(shù)的比值,是衡量單光子探測(cè)器的一個(gè)重要指標(biāo).USPD器件的光子探測(cè)率主要由InGaAs PD,LED,Si-SPAD以及LED和Si-SPAD之間的光耦合效率決定:其中ηPD和ηLED分別為InGaAs PD和GaAs LED的外量子效率;ηSi是Si-SPAD的光子探測(cè)效率;R是InGaAs PD的表面反射率;α為InGaAs的吸收系數(shù);d為InGaAs吸收層的厚度;為InGaAs PD的光電轉(zhuǎn)換效率;為L(zhǎng)ED的內(nèi)量子效率;ηcouple為Si-SPAD和LED之間的光耦合效率.In-GaAs PD表面通常會(huì)有一層減反鈍化膜,反射率為R=13%.由于InGaAs吸收層足夠厚(1—2μm)并且吸收系數(shù)極高,1? e?αd≈1.再者,得益于成熟的半導(dǎo)體工藝,可以接近100%.同時(shí),經(jīng)過優(yōu)化的LED在極低注入密度條件下的ηLinED也可以高達(dá)95%以上[34].此前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,集成的上轉(zhuǎn)換器件并不會(huì)減弱LED和PD各自的性能.因此,在PD和LED分別優(yōu)化并且完美鍵合的條件下,理論上PD-LED的上轉(zhuǎn)換內(nèi)量子效率可以達(dá)到或者接近100%.這樣,USPD器件的單光子探測(cè)率就僅僅依賴于LED和Si-SPAD之間的光耦合效率.

USPD光子探測(cè)率隨Si-SPAD的探測(cè)率及光耦合效率變化的關(guān)系如圖9(a)所示,很顯然,實(shí)現(xiàn)高的光耦合效率是獲得高性能USPD的先決條件.圖9(b)所示為不同光耦合方式情況下的光子探測(cè)率,一旦光耦合方式確定,USPD的光子探測(cè)率就只依賴于Si-SPAD的性能.而Si-SPAD的光子探測(cè)率又隨波長(zhǎng)變化,目前Si-SPAD在870 nm的PDE約為40%,但是在其峰值波長(zhǎng)(650 nm)處的PDE可以超過70%.如果LED的發(fā)光波長(zhǎng)可以調(diào)至Si-SPAD的峰值探測(cè)波長(zhǎng)附近,并且采用光膠耦合,USPD將實(shí)現(xiàn)約為42.6%的探測(cè)率,這一數(shù)值是當(dāng)前InGaAs-SPAD探測(cè)率的2倍.此外,USPD的PDE在870 nm和650 nm的理論極限可以分別達(dá)到35%和61%.

圖9 (a)光子探測(cè)率隨光耦合效率和Si-SPAD光子探測(cè)率的變化關(guān)系;(b)三種不同光學(xué)耦合方式的光子探測(cè)率Fig.9.(a)Dependence of photon detection efficiency on optical coupling efficiency(ηcouple)and photon detection efficiency of Si-SPAD(ηSi);(b)photon detection efficiency for three different ways of optical coupling.

3.3.3 暗計(jì)數(shù)和暗發(fā)光

半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器(USPD)的暗計(jì)數(shù),其主要來源于兩部分.首先Si單光子雪崩二極管本身具有一定的暗計(jì)數(shù),成熟的Si-SPAD可以將暗計(jì)數(shù)控制在50 Hz以下,其次則是來源于上轉(zhuǎn)換器件中LED的暗發(fā)光.這一點(diǎn)和傳統(tǒng)的單光子雪崩二極管的暗計(jì)數(shù)有本質(zhì)區(qū)別,傳統(tǒng)的SPAD的暗計(jì)數(shù)主要由其材料的質(zhì)量所決定,并且背景輻射通過屏蔽的方式可以被有效抑制,可以忽略.然而,USPD中的Si-SPAD是和前端的上轉(zhuǎn)換器件耦合在一起的,即使在沒有入射光的情況下,Si-SPAD依舊可以被上轉(zhuǎn)換器件的暗發(fā)光所觸發(fā).暗發(fā)光是由上轉(zhuǎn)換器件的暗電流所引起,而由于上轉(zhuǎn)換器件特殊的n-p-n結(jié)構(gòu),其暗電流主要由其中反偏的PD部分暗電流構(gòu)成.具體包括PD器件本身的暗電流和由背景輻射導(dǎo)致的背景光電流.必須指出的是,一般而言探測(cè)器的背景光電流會(huì)被忽略掉,但是在USPD中,由于其會(huì)導(dǎo)致暗發(fā)光進(jìn)而引發(fā)暗計(jì)數(shù),因此不能忽略.目前,已知的通過特殊設(shè)計(jì)和鈍化處理的InGaAs-PD(25μm直徑)可以在室溫下將暗電流抑制到4 fA(0.1 V).而對(duì)于同樣的PD由(4)式計(jì)算而得的180?視場(chǎng)角300 K背景輻射引起的光電流僅有約10?5fA.

其中e是元電荷,h為普朗克常數(shù),gPD=1為InGaAs-PD的增益,λ為光波長(zhǎng),kB為玻爾茲曼常數(shù),A為器件面積,c是真空光速,T是開氏溫度.很明顯,器件的暗電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背景光電流,因此,總的暗電流主要由器件的暗電流決定.而器件的暗電流對(duì)于溫度極其敏感,例如在熱電制冷溫度(200 K)下工作的探測(cè)器暗電流要比室溫下低4—6個(gè)數(shù)量級(jí)以上.如此微弱的暗電流情況下,由暗發(fā)光造成的暗計(jì)數(shù)可以被抑制到和Si-SPAD本身暗計(jì)數(shù)的量級(jí),但是前提是PD須經(jīng)過嚴(yán)格的優(yōu)化工藝.這樣,整個(gè)USPD的暗計(jì)數(shù)可以被控制在與Si-SPAD同一個(gè)量級(jí).再者,由PD的反偏工作原理可以知道,其光響應(yīng)率是不依賴于偏壓的,即施加更大的反向偏壓并不會(huì)增加其光響應(yīng)率,這一點(diǎn)從后邊的實(shí)驗(yàn)中上轉(zhuǎn)換器件的發(fā)光光譜上可以明顯看出.但是PD的暗電流卻是嚴(yán)重依賴于器件偏壓,大的反向偏壓會(huì)導(dǎo)致暗發(fā)光劇增(這一點(diǎn)從后邊的實(shí)驗(yàn)中上轉(zhuǎn)換器件的發(fā)光光譜上也可以明顯看出),從而導(dǎo)致大的暗計(jì)數(shù).因此,實(shí)驗(yàn)中必須選擇合適的工作電壓,從而避免額外電壓所產(chǎn)生的不必要的暗計(jì)數(shù).

3.3.4 噪聲等效功率

噪聲等效功率(noise equivalent power,NEP)表示探測(cè)器可以分辨的最小入射光功率,代表了探測(cè)器的信噪比水平,是應(yīng)用最廣泛的衡量光電探測(cè)器的品質(zhì)因數(shù)[2].對(duì)于USPD而言,其NEP可以表示為[35]

其中,in,UD為USPD的器件總噪聲;RUD=Iph,UD/Pin=eλoutηSiηUP/hc為USPD的響應(yīng)率;e為電荷;h為普朗克常數(shù);c為光速;λout為L(zhǎng)ED的發(fā)光波長(zhǎng);ηSi和ηLED分別為Si-SPAD和LED內(nèi)量子效率;gSi為Si-SPAD的增益;?f為帶寬;Idark,PD,Ibg,PD,Idark,Si分別為InGaAs-PD的器件暗電流、背景光電流和Si-SPAD暗電流.需要指出的是,(5)式的結(jié)果是從器件響應(yīng)率和噪聲來源推導(dǎo)而出,其計(jì)算所得結(jié)果和傳統(tǒng)的單光子探測(cè)器的NEP(NEP=其中D為單光子探測(cè)器暗計(jì)數(shù),η為單光子探測(cè)器的PDE,ν為光子頻率)的計(jì)算結(jié)果基本一致.圖10所示為USPD探測(cè)率和噪聲等效功率與現(xiàn)有近紅外單光子探測(cè)器的對(duì)比結(jié)果.理論上,優(yōu)異的單光子探測(cè)器應(yīng)當(dāng)同時(shí)具有高的探測(cè)效率和低的噪聲等效功率,可以看出USPD無(wú)論是光子探測(cè)率還是噪聲等效功率,均處于相對(duì)領(lǐng)先地位.

圖10 不同類型單光子探測(cè)器的NEP和PDE統(tǒng)計(jì),其中黑色方形表示自由模式InGaAs-SPAD[23,63?65],紅色圓形和藍(lán)色三角形分別表示門控模式InGaAs-SPAD[22,66,62,48]和光參量上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器[11,19,67,68],虛線圓圈框起來的綠色菱形表示USPD;括號(hào)里的第一項(xiàng)表示工作條件,第二項(xiàng)為報(bào)道年份Fig.10. The NEP and PDE achievements for different kind of single photon detectors.Free-running In-GaAs SPADs[23,63?65]were plotted as black squares.Gate-mode InGaAs SPADs[22,66,62,48]and optical upconversion SPADs[11,19,67,68]were shown as red circles and blue triangles respectively.The diamond in the dash circle representative the calculated results of USPD.Thefirst item in the bracket is the operating condition and the second one in the bracket is the time of report.

3.4 器件制備工藝

USPD的器件通用工藝主要包括以下幾部分:

1)InGaAs p-i-n結(jié)構(gòu)外延片,GaAs-LED結(jié)構(gòu)外延片以及Si-SPAD外延片生長(zhǎng);

2)InGaAs p-i-n PD與GaAs-LED集成上轉(zhuǎn)換器件,并且制備Si-SPAD器件;

3)上轉(zhuǎn)換器件和Si-SPAD耦合集成USPD器件.

制備好的器件如圖11左所示,整個(gè)器件的制備工藝中最關(guān)鍵的當(dāng)為上轉(zhuǎn)換器件的制備以及上轉(zhuǎn)換器件和Si-SPAD器件的耦合集成.其中上轉(zhuǎn)換器件的制備工藝[29,30]如圖11右流程所示,具體為:

1)在InP襯底片上外延生長(zhǎng)InP/InGaAs p-in結(jié)構(gòu),在GaAs襯底上生長(zhǎng)GaAs/AlGaAs雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu);

2)材料原片解理,其中GaAs LED片進(jìn)行光刻然后濕法腐蝕刻槽;

圖11 集成的USPD器件示意圖(左)及上轉(zhuǎn)換器件制備工藝流程圖(右),紅色虛線框所示為鍵合界面局部放大圖及SEM電鏡照片F(xiàn)ig.11.The schematic diagram of the integrated device(left)and fabrication process flow(right).The magnification of the wafer bonding interface and SEM photograph.

3)刻槽后的LED與PD片經(jīng)過深度清洗,去除表面氧化膜,再經(jīng)過表面等離子體激活,進(jìn)行范德瓦耳斯鍵合;

4)給經(jīng)過范德瓦耳斯鍵合的器件施加壓力,并且在N2環(huán)境中進(jìn)行退火處理;

5)通過減薄拋光化學(xué)腐蝕的方法移除LED襯底;

6)經(jīng)過光刻,進(jìn)行上轉(zhuǎn)換器件的Mesa臺(tái)面刻蝕;

7)臺(tái)面上下電極的金屬沉積及剝離;

8)電極引線及封裝.

集成的上轉(zhuǎn)換器件通過光學(xué)耦合的方式和Si-SPAD集成在一起即形成了USPD器件.可以通過鍵合的方式將二者集成,但是鑒于二者工作模式的不同,鍵合前電隔離層的設(shè)計(jì)必不可少;也可以通過光膠耦合的方式將二者集成,通過接觸式掩膜對(duì)準(zhǔn)技術(shù)[69],可以精確實(shí)現(xiàn)1μm以下的光膠鍵合.

3.5 USPD空間光耦合實(shí)驗(yàn)

圖12(a)所示為最近的USPD空間光耦合實(shí)驗(yàn)光路圖,1550 nm的光纖激光器發(fā)出來的光子首先經(jīng)過衰減,然后通過非球面鏡的準(zhǔn)直,在通過透鏡聚焦到上轉(zhuǎn)換器件的光敏面上;上轉(zhuǎn)換器件將吸收的1550 nm的光子轉(zhuǎn)換為870 nm的光子,由于LED出射光是空間彌散的,因此也需要非球面鏡的準(zhǔn)直;準(zhǔn)直后的光再被聚焦到Si-SPAD的光敏面上進(jìn)而被雪崩放大.上轉(zhuǎn)換器件前端的衰減片主要起到保護(hù)Si-SPAD的作用,防止入射光過強(qiáng)致使Si-SPAD飽和.

圖12 (a)USPD空間光耦合實(shí)驗(yàn)光路圖;(b)上轉(zhuǎn)換信號(hào)光譜和上轉(zhuǎn)換響應(yīng);(c)上轉(zhuǎn)換單光子計(jì)數(shù)測(cè)試及光子探測(cè)效率Fig.12.(a)The optical setup of the spatial optical coupling of USPD;(b)the up-conversion spectrum and response of the up-converter;(c)the single photon count and PED of the USPD with spatial optical coupling.

圖12(b)所示為上轉(zhuǎn)換器件弱光條件下的光譜測(cè)量結(jié)果和響應(yīng)結(jié)果(插圖).可以看出,同一入射光強(qiáng)不同偏壓下的上轉(zhuǎn)換信號(hào)強(qiáng)度基本不變,而隨著入射光強(qiáng)變化上轉(zhuǎn)換強(qiáng)度也基本保持線性變化,其中上轉(zhuǎn)換內(nèi)量子效率可以達(dá)到35%.值得注意的是,在不同偏壓下,上轉(zhuǎn)換器件的背景信號(hào)不同,隨著器件工作偏壓升高,上轉(zhuǎn)換器件的暗發(fā)光急劇上升.這是由于用于測(cè)量的上轉(zhuǎn)換器件并未進(jìn)行嚴(yán)格的鈍化處理和封裝,嚴(yán)重的表面復(fù)合和漏電造成了器件暗電流過高,從而導(dǎo)致暗發(fā)光過強(qiáng),這一現(xiàn)象可以通過器件鈍化工藝得到顯著改善.圖12(c)所示為Si-SPAD計(jì)數(shù)率隨入射光功率的變化情況以及整個(gè)USPD系統(tǒng)的光子探測(cè)效率,所給出的結(jié)果為扣除暗發(fā)光所致暗計(jì)數(shù)后的結(jié)果.光子探測(cè)效率約為理論預(yù)測(cè)的30%,與理論預(yù)期差異的主要原因是由于上轉(zhuǎn)換器件的效率只有35%,表面復(fù)合和漏電流不僅僅會(huì)增大上轉(zhuǎn)換器件的暗電流,更會(huì)降低其上轉(zhuǎn)換量子效率.此外,鍵合工藝的相對(duì)不成熟也可能會(huì)導(dǎo)致大量缺陷態(tài)的引入,進(jìn)而增加了器件漏電和非輻射復(fù)合,光路中的光學(xué)損耗也是造成誤差的一個(gè)因素.作為USPD器件的初步嘗試,并且上轉(zhuǎn)換器件未經(jīng)優(yōu)化處理和封裝,最小光響應(yīng)就可以測(cè)到fW量級(jí),并且光子探測(cè)效率達(dá)到了理論預(yù)期量級(jí),這充分說明了USPD的可行性.但是必須指出的是,該器件的各方面性能均未達(dá)到理論預(yù)期的最佳值,都僅僅處于初步嘗試階段,作為實(shí)際應(yīng)用,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到當(dāng)前主流單光子探測(cè)器的水平.更加完善的USPD器件制備和測(cè)試還需要更多的嘗試和努力.

4 總結(jié)與展望

本文回顧了三種目前常用的半導(dǎo)體單光子探測(cè)器,就其器件原理、工作模式、優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)等方面進(jìn)行了相關(guān)評(píng)述.其中,Si-SPAD受硅的帶隙所限,只能探測(cè)300—900 nm波段的光子,對(duì)于光纖通信波段光子幾乎無(wú)響應(yīng);InGaAs/InP-SPAD則受限于材料質(zhì)量,暗計(jì)數(shù)和后脈沖效應(yīng)過高,大大影響了器件性能;基于量子點(diǎn)的單光子探測(cè)器雖然探測(cè)率高且暗計(jì)數(shù)小,但也僅限于匹配GaAs帶隙寬度的光子(820 nm),對(duì)于通信波段的光子響應(yīng)過低.在此基礎(chǔ)上,著重介紹了本研究組所提出的一種新型半導(dǎo)體近紅外上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)技術(shù)(USPD)的研究進(jìn)展.從USPD的器件基本原理、器件結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)等多方面闡述了其可行性和優(yōu)越性,并給出了USPD最新的空間光耦合實(shí)驗(yàn)結(jié)果.必須指出的是,我們所提出的1.3—1.55μm波長(zhǎng)單光子探測(cè)方案目前在世界范圍內(nèi)未見公開報(bào)道,屬于首次提出.該方案的關(guān)鍵特性在于:它將不是采用InP結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大,而是利用成熟的SPAD器件來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和采集,從而規(guī)避了InP結(jié)構(gòu)在暗計(jì)數(shù)率和后脈沖效應(yīng)方面的問題.我們所提出的這一方案不僅是現(xiàn)有半導(dǎo)體紅外上轉(zhuǎn)換和紅外上轉(zhuǎn)換成像方面工作的簡(jiǎn)單延續(xù),它同時(shí)具備重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值,其主要目的是為了實(shí)現(xiàn)單光子層面的紅外上轉(zhuǎn)換,同時(shí)涉及到紅外單光子吸收、極少數(shù)載流子輸運(yùn)和復(fù)合等各方面的關(guān)鍵科學(xué)問題.此外,USPD的單光子探測(cè)方案的核心即為將近紅外光子上轉(zhuǎn)換為短波近紅外或者可見光子,再用商用Si-SPAD進(jìn)行探測(cè),這拓寬了單光子探測(cè)的思路,打開了另一扇單光子探測(cè)的窗口.受其啟發(fā),不僅僅是基于III-V族化合物半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換,有機(jī)-無(wú)機(jī)上轉(zhuǎn)換[31,70]、高增益上轉(zhuǎn)換發(fā)光晶體管等[71]高效上轉(zhuǎn)換器件均可用來嘗試作為USPD的上轉(zhuǎn)換器件部分,進(jìn)而嘗試單光子探測(cè),至于其各自優(yōu)勢(shì)及可行性,還需更加深入的研究和探索.

關(guān)于半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)的最初設(shè)想由劉惠春教授提出,但在項(xiàng)目實(shí)施第一年劉惠春教授不幸離世,項(xiàng)目具體由課題組成員實(shí)施完成.在課題實(shí)施過程中,得到了上海微系統(tǒng)研究所曹俊誠(chéng)教授、上海理工大學(xué)郭旭光教授、梁焰老師,華東師范大學(xué)曾和平教授、吳光教授的幫助.謹(jǐn)以此文向劉惠春教授致敬!向提供幫助的老師表示誠(chéng)摯的感謝!