硅基apd近红外敏感增强的分析

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1、-哈尔滨工业大学理学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景光探测技术在当今时代是普遍应用的，并且改变着现代人类传递和接收信息的方式。其中雪崩光电二极管(APD)更是一种广泛应用的光电子器件，主要应用于工业、医疗、航空航天以及科学分析等领域，包括光通信、卫星激光测距[1]、深空激光通信[2]、时间光子分辨计数[3]、量子密钥分配[4-6]、量子成像[7]，经常被作为一种前置放大器使用。事实上，目前的光通讯系统前置放大器的设计往往采用APD基的接收器而非以前传统的PIN二极管和掺铒光纤放大器的组合[8]。APD之所以在光通信领域应用广泛，

2、是因为APD具有较高的内部增益，在一些高速系统中可以提高接收器的灵敏度。由于硅半导体工艺技术业已完善成熟，特别容易与其他微电子器件结合，而且在制作硅基半导体器件时的Si薄膜材料有晶体型，无定型和多孔型等多种形式，应用灵活方便。因此硅基光电探测器对于探测波长为200nm-900nm的波段应用越来越普遍，而且在这个波段Si基光电子探测器的响应度比较高，但是随着波长的增加到1000nm左右的时候器件敏感响应度会很低。特别是伴随着近年来光通讯领域的迅猛发展，尤其是1064nm波段YAG激光器的技术成熟和广泛应用，使得对近红外波段的光探测器件

3、的需求越来越大，进而对APD在近红外波段的高敏感度的探测提出了迫切要求。但遗憾的是基于硅禁带宽度较大的固有缺陷，使得传统的硅基APD在近红外波段的响应度一直没能满足人们的需求。制约硅基APD在近红外方向特别是1064nm波段发展的原因有两个，第一，硅的禁带宽度是1.12ev，从而导致硅对1100nm处光的吸收截止。Si是间接带隙材料，在300K时硅的禁带宽度是1.12eV。因此硅的吸收截止波长是1100nm[9]。从而导致由间接半导体材料制做的APD器件在截止波长附近吸收效率非常低。为了使硅基APD在1064nm处获得较高的量子效率

4、，人们研发出使用其它半导体材料(锗、铟或者砷化镓)制作光电子器件，但是这些材料的光电子器件暗电流和噪声比较高，价格昂贵，而且与硅的晶格不匹配[10,11]。或者改变硅基APD的结构设计，还可以使用飞秒激光微构造技术，来改变硅在近红外处的光吸收特性。第二，APD制造工艺过程中必须引入尽可能少的缺陷以减少暗电流，从而保证器件具有较高的信噪比。-1-------哈尔滨工业大学理学硕士学位论文因此，拓宽硅基光电探测器件的探测波长范围及探测效率，不仅成为一个较为热点的分析领域，引起了各国科研工作者的兴趣，同时也成为光通信领域迫切需要克服的难题

5、，是市场应用所需迫切解决的问题。最近几年人们尝试了各种方法来提高Si基光APD的近红外探测效率，其中有增加Si基APD吸收层的厚度从而提高光子在Si中的吸收[12]，然而随着APD体积的增加，不但提高了近红外处的量子效率，同样增加APD器件的暗电流和噪声，也提高了APD的响应时间，所以用这种方法提高APD近红外的敏感率并不是最好的方法。还有一种方法就是在APD器件表面设计一层防反射层，这层防反射层可以使入射光在APD器件的表面发生多次反射，从而增加了透入到器件内部的光子[13]，也不会增加APD器件的体积，但是这种方法对工艺制作流程

6、要求严格，成本较高，虽然能提高器件的整体效果但依然不能将1064nm处的光探测效率提高到理想的程度。总之，拓展硅基APD器件的敏感波段，并提高硅基APD近红外敏感探测量子探测效率，越来越成为近年来急需分析解决的问题。1.1国内外分析现状1.2.1APD的发展概况一个世纪以前光探测技术就已经存在于人们的生产和生活当中，并且改变着人类传递和接收信息的方式。光探测器可以分为三大种：光电倍增管(PMT)，光电导元件及光电二极管。早在1913年Einstein发明光电功函数不久，探测弱光信号成为可能[14]，大概20年后，在RCA实验室发明了

7、第一台光电倍增管并于1936年投入市场，从此以后单光子探测成为可能。从此以后光电子器件的发展越来越趋于成熟，第一台硅基雪崩光电二极管实现于六十年代后期，由CRA公司的Mcintyre和Haitz在肖克利实验室完成[15]。第一个关于雪崩光电二极管的专利授予在六十年代末，七十年代初。紧接着日本于1972年也发表了相关专利[54]，那时雪崩光电二极管已经开始按照它们的工作方式分为线性的和盖革模式。下图1-1即为日本首发的固态单光子雪崩光电二极管[16]。图1-2是Mcintyre和Haitz首次发明的APD简图。第一个Geiger模式的

8、APD的性能尽管并不很理想，但是它在几个反偏电压下已经能够探测出单光子，此项分析奠定了对APD器件深入分析的发展。这种雪崩光电二极管称为单光子雪崩光电二极管(SPAD)，随后由Perkin-Elmer发明了SLIKTM结构，不久由RM