[發明專利]低噪聲量子探測元件及制作該光電探測元件的方法

有效

• 申請號: 201480075386.0
• 申請日: 2014-12-17
• 公開（公告）號: CN105981179B
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: B·波爾捷;M·凡爾登;R·海達爾;J-L·佩盧阿德;F·帕爾多
• 申請（專利權）人: 中央科學研究中心;法國宇航院
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/0304;H01L31/105;H01L31/109
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司31100
• 代理人: 陸嘉

技術領域

本發明涉及一種低噪聲量子光電探測元件及制作該光電探測元件的方法。本發明尤其應用于具有很高靈敏度的紅外光電探測器的設計。

背景技術

光探測器將光輻射轉換成電信號。這種光子-電子轉換可以是間接的：例如在熱探測器的情況下，光吸收表現為吸收材料的溫度上升，其隨后被轉換成電信號。相反，光子(或量子)探測器涉及在感光材料(半導體材料的情況)內直接產生可以被射出(光電發射效應)或釋放的電荷。

光敏電阻器和光電二極管在半導體探測器中尤其占重要位置。光敏電阻器(或LDR)包括半導體材料層；它們表現為根據光照而允許較大或較小電流通過的電阻器。光電二極管是在給定電偏壓下由取決于光照的電流導通的面結型二極管。它們包括例如P型摻雜半導體和N型摻雜半導體，它們在其界面處形成結(所謂的PN結)。N型摻雜是通過將增加負電荷(電子)密度的電子供體雜質加入晶體中進行的。P型摻雜是借助于增加正電荷(空穴)密度的電子受體雜質進行的。圖1A示出PN結中的電子的能量圖。在結的附近，存在耗盡區(缺乏自由載流子)，也稱作空間電荷區(SCZ)。能量比半導體禁帶(“間隙”)的能量更大的光子(即波長比所謂的截止波長(λc)更短的光子)被吸收并引發電子從價帶躍遷到導帶，這表現為出現額外的可移動電荷對：導帶中的電子和價帶中的空穴。在空間電荷區，在該區中占優勢的電場的作用下，空穴會被朝向P型區加速且電子會被朝向N區加速，它們各自增加了這些區的多數載流子。這導致電子-空穴對的分離且電流在裝置中從N型區流向P型區，即光電流，其增加了二極管的反向電流。此方案有時通過在這兩個區之間增加非有意摻雜層(泛稱為“本征”)來得以改善，使得可能增加SCZ的厚度，從而使其更接近半導體(“PIN”結)中的光子的吸收波長。

圖1B示出被光通量E照射的光電二極管的電流/電壓特性，所述光通量E可取幾個值E1、E2、E3，使得E1<E2<E3。強度I對應于從其中流過的、根據其端子間電壓V變化的電流的強度。如圖1B所示，光電二極管的特征在于：其電流/電壓特性取決于其接收的光通量。在沒有光照的情況下，所述特性是面結型二極管特別針對零施加電壓具有零電流時的特性。隨著光通量增加，可觀察到負向電流強度的增加，特別是針對負電壓。根據針對I和V方向選擇的慣例，如果乘積P＝I*V是正的，則偶極子接收能量并作為接收器。如果所述乘積是負的，則偶極子提供能量；其作為發生器。發生器象限對應于光伏域。

當偶極子作為接收器時，所述裝置的特征在于其探測靈敏度：其中η_ext是該裝置的量子產率，且j_obs是暗電流密度，暗電流定義為光電探測器在沒有光照時的電流。暗電流的主要來源一方面是本征來源，例如少數載流子的擴散電流和來自電荷的輻射和非輻射的生成-復合的電流，且另一方面是與制作方法相關的來源，例如來自半導體缺陷的非輻射復合的電流(所謂的SRH電流)，其在表面或界面附近處尤為強烈。

少數載流子的擴散電流與它們密度的梯度成比例，其本身一方面在SCZ的界限處且另一方面在電觸頭的界限處受邊界條件作用。當電子或空穴在半導體中分布不均勻時，它們的運動沿傾向于使它們的空間分布更均勻的方向進行。在PN結中，少數載流子在摻雜區中的分布是不均勻的，因此這些載流子擴散。產生的電流被稱作擴散電流。

由S.R.Forrest等人在1980發表的文章(見"In_0.53Ga_0.47As photodiodes with dark current limited by generation-recombination and tunneling"(暗電流受產生-復合和隧道效應限制的In_0.53Ga_0.47As光電二極管)Appl.Phys.Lett.37(3),1980)描述了借助于InP/InGaAs型異質結中的InP“阻擋層”大大減少了擴散電流。