无过量噪声的光电二极管制造技术

本发明专利技术涉及无过量噪声的光电二极管，并提供了可以经由具有超晶格倍增区来使光电二极管(诸如线性模式雪崩光电二极管)不含过量噪声，该超晶格倍增区仅允许一种电流载流子类型(诸如电子或空穴)在被偏置时(其中层被晶格匹配)积聚足够的动能以进行碰撞电离。光电二极管可以通过以下来构造：i)超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，ii)吸收体区，以及iii)半导体衬底。可以通过这些构造层制造具有多个光电二极管的检测器，以具有在从1.7pm至4.9pm的任何地方变化的截止波长以及处于一定水平的由暗电流产生的噪声，使得该光电二极管可以准确地感测具有期望最小波长截止的电磁辐射信号。小波长截止的电磁辐射信号。小波长截止的电磁辐射信号。

【技术实现步骤摘要】
无过量噪声的光电二极管
[0001]本申请是于2019年5月24日提交的名称为“无过量噪声的光电二极管”的中国专利申请201980043875.0的分案申请。
[0002]相关申请
[0003]本申请作为部分继续申请要求提交于2018年7月11日提交的标题为LINEAR MODE AVALANCHE PHOTODIODES WITHOUT EXCESS NOISE的国际PCT专利申请号：PCT/US18/41574的优先权和权益，并且该专利申请全文以引用方式并入本文。


[0004]本公开的实施例整体涉及光电二极管。

技术介绍

[0005]光电检测器的功能是感测入射光并输出与入射光通量成比例的电流，即光电流。理想情况下，光电检测器为每个入射光子产生一个输出电子或空穴，并且每个输出电子或空穴都是入射光子的结果。对于其中入射通量较低的许多应用，输出电流需要放大，然后才能由后续电子器件使用。在先前的一些光电检测器中，为了实现光子计数，需要将光电流倍增104到106的增益机制来检测单个光子。除了增加电流的幅值外，放大器还具有向电流添加噪声的缺点。
[0006]实际上，许多类型的光电检测器在室温下的来自电子放大器的噪声电流远高于检测单光子流(光子计数)所需的电流。由于放大器噪声是由温度驱动的，因此对于这些类型的光电检测器，将放大器冷却至低温会降低其噪声，但这种方法仅在有限数量的应用中可接受。
[0007]一种当前的倍增机制是碰撞电离。基于这种机制的光电检测器被称为雪崩光电二极管(APD)。

技术实现思路

[0008]本文可以提供用于光电二极管的各种方法、装置和系统。
[0009]在一个实施例中，可以经由具有超晶格倍增区来使光电二极管(诸如线性模式雪崩光电二极管)不含过量噪声，该超晶格倍增区仅允许一种电流载流子类型(诸如电子或空穴)在被偏置时(其中层被晶格匹配)积聚足够的动能以进行碰撞电离。光电二极管可以通过以下来构造：i)超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，ii)吸收体区，以及iii)半导体衬底。可以通过这些构造层制造具有多个光电二极管的检测器，以具有在从1.7μm至4.9μm的任何地方变化的截止波长以及处于一定水平的由暗电流产生的噪声，使得该光电二极管可以准确地感测具有期望最小波长截止的电磁辐射信号。
[0010]光电二极管可以通过以下来构造：i)超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，ii)吸收体区，以及iii)半导体衬底。吸收体区还可以具有多种半导体合金的超晶格构造。可以通过超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的
晶格匹配对来构造给定的光电二极管，当光电二极管被电偏置以传导电流时，该超晶格倍增区仅允许选自i)电子或ii)空穴的一种电流载流子类型积聚足够的动能以进行碰撞电离。光电二极管将具有形成吸收体区的第三半导体合金和半导体衬底。倍增区和吸收体区可以与半导体衬底晶格匹配。倍增区和吸收体区从半导体衬底开始彼此交替堆叠。
[0011]匹配倍增区、吸收体区和半导体衬底中的合金，以将光电二极管设置为具有介于1.0μm和4.9μm之间的最小波长截止以及处于一定水平的由暗电流产生的噪声，使得光电二极管可以准确地感测具有期望最小波长截止的电磁辐射信号。
[0012]将讨论该设计的许多变型。
附图说明
[0013]图1示出了具有匹配超晶格结构的线性模式APD的框图的实施例，其中当载流子为空穴时，经由在价带中具有超晶格基本上消除了过量噪声。
[0014]图2a示出了在偏置下随距离累积动能的情况下，体半导体的价带中的空穴的曲线图的实施例。
[0015]图2b示出了针对Wannier
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Stark阶梯中的状态的跳跃通过偏置超晶格中的阱和能级的价带中的空穴的曲线图的实施例。
[0016]图3示出了针对电子注入的作为平均增益M和β/α比的函数的过量噪声因子F的理论值的曲线图的实施例。
[0017]图4示出了半导体的能带图的曲线图的实施例，其中垂直绘制能量并且水平绘制距离，以及进行碰撞电离以形成新电子
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空穴对所需的动能量。
[0018]图5示出了具有匹配超晶格结构的线性模式APD的框图的实施例，其中当载流子为电子时，经由在导带中具有超晶格基本上消除了过量噪声。
[0019]图6a示出了具有施加电场的体半导体中的电子的曲线图的实施例，该电子被场加速并积聚动能。
[0020]图6b示出了匹配超晶格通过控制局部的Wannier Stark状态来抑制碰撞电离的曲线图的实施例。
[0021]图7示出了具有匹配超晶格设计的线性模式APD的曲线图的实施例，其中电子倍增而不是空穴倍增被抑制。
[0022]图8示出了具有匹配超晶格结构的线性模式APD阵列的图的实施例，该匹配超晶格结构具有原位存储器和并行列读出。
[0023]图9示出了具有带匹配超晶格结构的线性模式APD的读出电路示意图的图的实施例。
[0024]图10示出了示例性InGaAs
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GaAsSb超晶格带图的框图。
[0025]图11A
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图11B示出了经由以下方式来构造无过量噪声的光电二极管的实施例的流程图：具有超晶格以及晶格匹配以具有介于1.0μm和4.9μm之间的最小波长截止以及处于一定水平的由暗电流产生的噪声，使得光电二极管可以准确地感测具有期望最小波长截止的电磁辐射信号。
[0026]尽管该设计可以具有各种修改、等同形式和替代形式，但其特定实施例已经通过示例在附图中示出并且现在将对其进行详细描述。应当理解，设计不限于所公开的特定实
施例，而是相反，其意图是覆盖使用特定实施例的所有修改、等同形式和替代形式。
具体实施方式
[0027]在下面的描述中，可以阐明许多具体细节，诸如具体数据信号、命名部件、帧数等的示例，以便提供对本设计的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本设计。在其他情况下，没有详细描述众所周知的部件或方法，而是以框图的形式描述以便避免不必要地混淆本设计。另外，可以做出诸如第一光电二极管的特定附图标记。然而，特定附图标记不应解释为字面顺序，而应解释为第一光电二极管与第二光电二极管不同。因此，所阐述的具体细节可以仅是示例性的。可以根据本设计的精神和范围改变具体细节，并且该具体细节仍被预期在本设计的精神和范围内。术语“耦合”被定义为意味着直接连接到部件或通过另一个部件间接连接到部件。
[0028]图1
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图9讨论了第一组示例性光电二极管构造和技术。图10
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图11B讨论了第二组附加光电二极管构造和技术。第二组附加光电二极管构造和技术建立在第一组中讨论的概念和技术的基础上并结合该概念和技术。
[0029]一般地，讨论了方法、装置和系统。可以经由具有超晶格倍增区来使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种装置，包括：线性模式雪崩光电二极管，所述线性模式雪崩光电二极管通过以下来构造：超晶格倍增区中的第一半导体合金和第二半导体合金的晶格匹配对，当所述光电二极管被电偏置以传导电流时，所述超晶格倍增区仅允许选自i)电子或ii)空穴的一种电流载流子类型积聚足够的动能以进行碰撞电离，并且其中具有匹配的超晶格结构的所述线性模式雪崩光电二极管使得放大被配置为仅在i)导带或ii)价带中发生以生成增益，同时从足够低以能够检测单个光子而不会造成具有死区时间的损失的碰撞电离生成过量噪声，从而允许在检测到所述单个光子之后基本上立即发生对后续光子的检测。2.根据权利要求1的所述装置，其中具有匹配的超晶格的所述线性模式雪崩光电二极管被配置为检测所述单个光子而不会在检测到所述单个光子后造成具有所述死区时间的所述损失，其中具有所述死区时间的另一个线性模式雪崩光电二极管直到设定时间段后才能检测到另一个光子。3.根据权利要求1所述的装置，其中具有匹配的超晶格的所述线性模式雪崩光电二极管被配置为在室温或更高温度下同时实现单光子灵敏度的检测，而无死区时间。4.根据权利要求1所述的装置，其中具有匹配的超晶格的所述线性模式雪崩光电二极管被配置为解决多个光子的几乎同时到达，并且所述线性模式雪崩光电二极管在其检测到个体光子后没有死区时间。5.根据权利要求1所述的装置，其中所述线性模式雪崩光电二极管被配置为室温、基于InP的线性模式雪崩光电二极管，其具有至少104个电子/光子的增益和受控量的过量噪声。6.根据权利要求1所述的装置，其中所述线性模式雪崩光电二极管被配置为传递单极性增益，其输出耦合到电子放大器以产生波形，在所述波形中所述单个光子的到达可在噪声水平之上检测到并且能够区分多个光子的同时到达。7.根据权利要求1所述的装置，其中具有匹配的超晶格结构的所述线性模式雪崩光电二极管被配置为使得放大仅在i)导带或ii)价带中发生，并且生成等于或大于10000倍(104)放大的增益，同时由于来自放大的增益而引起的生成的过量噪声小于在处于或高于室温时存在的热噪声的三倍。8.根据权利要求1所述的装置，其中构成所述倍增区的所述第一半导体合金和所述第二半导体合金的所述晶格匹配对是InGaAsP
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InAlAs超晶格。9.根据权利要求1的所述装置，其中所述第二半导体合金是AlGaAsSb，并且其中所述第一半导体合金与AlGaAsSb的所述第二半导体合金配对以构成所述倍增区。10.根据权利要求1所述的装置，其中构成所述倍增区的所述第一半导体合金是InGaAsSb，其中所述超晶格被设置在导带中，使得电子碰撞电离。11.一种用于线性模式雪崩光电二极管的方法，包括：配置超晶格...

【专利技术属性】
技术研发人员：W，
申请(专利权)人：斯坦福国际研究院，
类型：发明
国别省市：