一種基于微腔的量子點場效應單光子探測器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體光電子器件領域，特別涉及一種對極微弱光信號進行探測的基于微腔的量子點場效應單光子探測器。
【背景技術】
[0002]作為一種極微弱光信號探測技術，高效率單光子探測由于其巨大的理論價值和戰(zhàn)略研究意義已經成為近年國際研究的最熱門領域之一。單光子探測技術不僅是現代光學、信息科學、量子通信、精密光電測量、超高靈敏度探測等前沿學位領域的迫切需要，該技術的迅猛發(fā)展同時也帶來了系列化新原理、新概念和新器件的突破，已經形成一個嶄新的學科分支一單光子探測和操控物理學，并正在持續(xù)地推動分子電子學、表面等離子激光學、紅外光子學等新興學科以及相關高新技術領域的發(fā)展。
[0003]經過多年的發(fā)展，目前單光子探測器已有多種成熟的類型，其中以光電倍增管和雪崩二極管為典型代表，這些探測器自出現之日起就一直支撐著最前沿的科學研究，并在眾多領域得到了廣泛的應用。然而，近些年來隨著信息技術的不斷進步，對光信號的探測靈敏度要求越來越高。特別是包括量子密鑰分發(fā)、量子計算等在內的量子信息技術飛速發(fā)展，對單光子探測器提出了極其苛刻的性能要求，如光子數分辨率、計數率及探測效率等都遠遠超出了現有的器件性能。因此，高性能新型單光子探測器的探索和研究，已經成為單光子探測技術發(fā)展亟待解決的關鍵問題。
【發(fā)明內容】
[0004]針對上述問題，本發(fā)明提出一種基于微腔的量子點場效應單光子探測器，器件結構簡單，體積很小，易于與其它光電子器件進行集成。其技術方案是:探測器采用δ摻雜技術，在吸收層與隔離層界面處形成一個二維電子氣結構，并作為導電通道，器件工作時柵極施加負偏壓，光子入射后在吸收層被吸收，產生電子空穴對，空穴被量子點俘獲，電子進入導電通道，利用量子點俘獲空穴對導電通道的調控作用來實現單光子探測；同時利用空氣/半導體界面作為上反射鏡，與下反射鏡之間形成一個微腔結構，使入射光子進入腔內以后得到共振增強，從而大幅度提高探測器的光吸收能力和光響應能力。
[0005]為實現上述目的，本發(fā)明提供了一種基于微腔的量子點場效應單光子探測器結構，其特征在于，包括:
[0006](I)襯底，該襯底為GaAs襯底，用于在其上進行探測器各層材料的外延生長；
[0007](2)緩沖層，該緩沖層為GaAs材料，生長于襯底上；
[0008](3)下反射鏡多層膜，該下反射鏡多層膜為AlAs / Alai5Gaa85As材料，生長于緩沖層上；
[0009](4)勢壘層，該勢壘層為Ala26Gaa74As材料，生長于下反射鏡多層膜上；
[0010](5)摻雜層,該摻雜層為S1-δ摻雜,生長于勢魚層上；
[0011](6)隔尚層，該隔尚層為Al。.26GaQ.74As材料，生長于慘雜層上；
[0012](7)吸收層，該吸收層為GaAs材料，生長于隔離層上；
[0013](8)量子點層，該量子點層為InAs量子點，生長于吸收層上；
[0014](9)接觸層，該接觸層GaAs材料，生長于量子點層上；
[0015](10)電極，該電極包括源電極、漏電極和柵電極，是通過光刻腐蝕后在接觸層上淀積而成。
[0016]本發(fā)明的特點及效果如下:
[0017]1.本發(fā)明涉及的基于微腔的量子點場效應單光子探測器采用的是二階光電導機制，其增益源自于載流子電導率對量子點束縛光生載流子的敏感性，因而具有極高的光電導增益和光子分辨能力。
[0018]2.本發(fā)明涉及的基于微腔的量子點場效應單光子探測器以二維電子氣作為導電通道，其中二維電子氣的形成采用的是δ摻雜GaAs / Ala26Gaa74As異質結構，即GaAs層不摻雜，寬帶隙的Ala26Gaa74As材料層一側設有一個δ摻雜層，δ摻雜層與GaAs層的二維電子氣通過空間隔離層隔開，從而避免了電離雜質對二維電子氣的影響，使導電通道內具有很高的電子遷移率。
[0019]3.本發(fā)明涉及的基于微腔的量子點場效應單光子探測器采用了一種無上反射鏡的微腔結構設計，實際上是利用了空氣/半導體界面作為微腔上反射鏡，同時微腔下反射鏡置于緩沖層和隔離層之間，從而避免了微腔反射鏡的串聯(lián)電阻對探測器光電響應的影響。由于微腔的作用，一方面使入射光子進入腔內以后得到共振增強，能夠極大的提高探測器的光吸收能力和光響應能力；另一方面由于微腔的波長選擇性，能夠大幅度減少外界噪聲的干擾，降低探測器的暗計數率。
【附圖說明】
[0020]圖1基于微腔的量子點場效應單光子探測器結構
[0021]圖2量子點場效應單光子探測機理不意圖
【具體實施方式】
[0022]結合附圖對本發(fā)明詳細說明如下:
[0023]基于微腔的量子點場效應單光子探測器結構如圖1所示，襯底(I)、緩沖層(2)、下反射鏡多層膜(3)、勢壘層(4)、摻雜層(5)、隔離層(6)、吸收層(7)、量子點層(8)、接觸層
(9)和電極(10)。其中，襯底(I)為GaAs襯底，用于在其上進行探測器各層材料的外延生長；緩沖層⑵為GaAs材料，生長于襯底⑴上，作用是形成高質量外延表面，以減小襯底
(I)與外延層之間的應力；下反射鏡多層膜(3)為交替周期生長的AlAs / Alai5Gaa85As材料，生長于緩沖層(2)上，多層膜對數越多，下反射鏡的反射率越高，探測器微腔的光吸收增強作用越明顯；勢壘層(4)為Ala26Gaa74As材料，生長于下反射鏡多層膜(3)上；摻雜層
(5)為S1-δ摻雜，生長于勢壘層(4)上，作用是為導電通道提供自由電子；隔離層(6)為Ala26Gaa74As材料，生長于摻雜層(5)上，作用是對探測器的導電通道和摻雜層(5)進行空間隔離，減小摻雜層(5)雜質對導電通道的影響；吸收層(7)為GaAs材料，生長于隔離層
(6)上，作用是對入射光進行吸收，并產生電子-空穴對；量子點層(8)為