[發明專利]半導體紅外上轉換單光子探測設備及方法

無效

• 申請號: 201210300342.6
• 申請日: 2012-08-22
• 公開（公告）號: CN102820365A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 劉惠春;楊耀
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/18
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

1.一種半導體紅外上轉換單光子探測設備，其特征在于，包括半導體紅外單光子上轉換器件和Si單光子雪崩二極管探測器SPAD，其中，半導體紅外上轉換器件用于將紅外單光子轉換為1微米以下的近紅外光子或可見光子，Si?SPAD用于探測近紅外光子或可見光子，半導體紅外單光子上轉換器件和Si?SPAD通過高效率光耦合方式進行耦合：利用光黏膠粘合或通過晶片鍵合的方式直接集成。

2.如權利要求1所述的半導體紅外上轉換單光子探測設備，其特征在于，所述半導體紅外單光子上轉換器件包括半導體紅外探測器和發出1微米以下的近紅外光子或可見光子的半導體發光二極管。

3.如權利要求1或2所述的半導體紅外上轉換單光子探測設備，其特征在于，所述半導體紅外單光子上轉換器件是基于III-V族半導體材料體系，材料組分和器件結構根據待測波長所確定。

4.如權利要求3所述的半導體紅外上轉換單光子探測設備，其特征在于，待測波長為1.2至1.6微米，采取InP材料體系或者GaAs材料體系，以InP或者GaAs材料為襯底，利用分子束外延生長技術或者金屬有機化學氣相沉積生長1.2至1.6微米光纖通信波段p-i-n近紅外探測器，其光吸收層為InGaAs、InGaNAs、GaNAsSb或InAsSb。

5.如權利要求3所述的半導體紅外上轉換單光子探測設備，其特征在于，發光二極管發光為1微米以下近紅外光或可見光，采用GaAs/AlGaAs材料體系，通過直接外延生長或晶片鍵合方式將近紅外探測器與GaAs發光二極管集成，制備半導體紅外單光子上轉換器件：1.2至1.6微米波長光子被p-i-n近紅外探測器吸收后，形成的電子-空穴對在外加偏壓作用下遷移至GaAs?發光二極管功能層并復合發光，實現1.2至1.6微米波長光子向0.87微米波長光子的轉換。

6.一種半導體紅外上轉換單光子探測方法，其特征在于：包括：

??設置半導體紅外上轉換單光子探測系統，其包括半導體紅外單光子上轉換器件和Si單光子雪崩二極管探測器SPAD，半導體紅外單光子上轉換器件和Si?SPAD通過高效率光耦合方式進行耦合：利用光黏膠粘合或通過晶片鍵合的方式直接集成;

利用體紅外上轉換器件將紅外單光子轉換為1微米以下的近紅外光子或可見光子，

?利用Si?SPAD來探測近紅外光子或可見光子。

7.如權利要求6所述的方法，其特征在于：還包括：

待測波長為1.2至1.6微米時，可采取InP材料體系或者GaAs材料體系，以InP或者GaAs材料為襯底，利用分子束外延生長技術或者金屬有機化學氣相沉積生長1.2至1.6微米光纖通信波段p-i-n近紅外探測器，其光吸收層為InGaAs、InGaNAs、GaNAsSb或InAsSb。

8.如權利要求6所述的方法，其特征在于：還包括：

發光二極管發光為1微米以下近紅外光或可見光，可采用GaAs/AlGaAs材料體系，通過直接外延生長或晶片鍵合方式將近紅外探測器與GaAs發光二極管集成，制備半導體紅外單光子上轉換器件：1.2至1.6微米波長光子被p-i-n近紅外探測器吸收后，形成的電子-空穴對在外加偏壓作用下遷移至GaAs?發光二極管功能層并復合發光，實現1.2至1.6微米波長光子向0.87微米波長光子的轉換。

9.如權利要求6所述的方法，其特征在于：還包括：

通過光黏膠將紅外上轉換器件與Si?SPAD粘合集成，當光黏膠的厚度與出射近紅外光子波長相當時，發生光子隧穿效應，保證很高的光耦合系數；或

?利用晶片鍵合技術，將紅外上轉換器件和Si?SPAD鍵合成一個整體；

GaAs和Si的光折射系數相當，可以保證很高的光耦合系數。

10.如權利要求9所述的半導體紅外上轉換單光子探測方法，其特征在于：半導體紅外單光子上轉換器件的工作于小偏壓狀態，以最大程度的減少暗電流和暗電流噪聲。