低倍增电压InGaAs雪崩光电探测器研究

As an important atmosphere window, the short-wave infrared band covers numerous specific absorption features of substance, therefore forms a fruitful spectral region for significant scientific measurements and sensing. In this band, because of the very week signals in space or single photon detection applications, more attention have been aroused on the InGaAs APDs, which and more sensitive to the InGaAs PIN detectors. In space applications normally the array devices were needed, and the chips were hybridly integrated to readout circuits. The normal APD devices have much higher multiplication voltage, so the uniformity of array devices will become very poor, therefore unsuitable to real applications. In this project, the idea of band gap grading using quantum structure will be applied to the multiplication zone of SAGCM type InGaAs APDs; the specific MBE growth methods and chip processing steps will be developed. The new ideas and structures for the decrease of multiplication voltage of the APDs will be investigated and validated. Its relevancy to the device performance will be explored. The non-stop growth process, as well as precise composition and interface control methods, will be developed. InGaAs APD with lower multiplication voltage will be demonstrated. This project will be beneficial to the applications of novel detectors for space sensing and single photon detection, and accumulating scientific basis and core technologies.

短波红外波段作为重要的大气窗口，包含了众多物质的特征吸收，为重要科学测量提供了特别多产的光谱区域。在此波段由于航天遥感和单光子探测等应用中信号极其微弱，具有比传统InGaAs PIN探测器更高灵敏度的InGaAs APD受关注。航天等应用需要阵列形式器件，并需与读出电路混合集成，常规APD器件由于其倍增电压高，如制成阵列器件其均匀性严重劣化，难以实际应用。本项目通过将能带递变量子结构倍增的思想应用到SAGCM型InGaAs APD倍增区设计中，结合分子束外延生长特殊方法的开发和器件芯片工艺的优化，重点研究、验证和揭示降低APD倍增电压与过剩噪声和暗电流的新思想及新材料结构，探索其与InGaAs APD关键性能的内在关联，开发出适合新结构InGaAs-APD材料的不间断生长和组分、界面精确控方法，研制出低倍增电压器件，为发展航天遥感及单光子探测应用领域的新型探测器提供科学依据和积累核心技术。

本项目各方面均按计划执行并有较大超越，已圆满完成了预定的研究目标并有所突破，预定内容均已开展并取得了一系列重要进展，新增了波长扩展APD和量子点倍增APD等相关研究内容，这些研究结果已产生良好影响。.本项目取得的主要研究进展和重要结果包括：.（1）通过深入细致的研究探索在低工作电压下实现了高倍增特性，成功将InGaAs APD器件倍增M=10时的倍增电压降低到20V以下，具有良好的应用前景；此方面的研究结果发表于 IEEE Photon. Technol. Lett. .（2）对所研制的低倍增电压InGaAs APD的特性进行了深入分析，侧重研究了倍增电压及相关电场分布的裁剪、倍增特性的斜率与材料参数和器件结构的关系、暗电流的温度特性及其机理、材料和器件结构对光谱响应温度特性的影响及在焦平面应用中倍增特性均匀性等对器件物理和器件应用有重要影响的关键问题，此方面的研究结果发表于 Optics Express。.（3）探讨了对包含高电场区域的APD器件及其重要的刻蚀和钝化工艺以及器件形状对其性能的影响，包括多种不同的湿法和干法工艺以及圆形和方形器件等，获得了一系列对优化设计和改善器件性能有指导意义的结果，此方面的研究结果发表于 Optics Express。.（4）探索了波长扩展的InGaAs探测器，采用失配+匹配的APD结构方案获得了波长扩展至2.25 um的低倍增电压APD器件，并研究了其响应光谱及变温增益特性；此方面的研究结果发表于 IEEE Photon. Technol. Lett.。.（5）探索了新型APD结构，研究了在APD倍增区中插入量子点结构对其性能特别是噪声特性的影响，结果表明在倍增区中引入量子点后其倍增特性将有很大变化，使得过剩噪声显著降低，已接近Si器件水平，有望显著改善器件的性能，此方面的研究结果已投至 Advanced Optical Materials。. 项目执行期间共发表SCI论文38篇，在国际学术会议上做相关报告5次（其中邀请报告2次），国内学术会议上做相关报告4次（其中邀请报告1次），出版专著1本，专著篇章2章，以上均标注了本项目资助。此外还申请了发明专利28项（其中11项已授权），获得上海市科技奖励2次。其间毕业博士研究生3名，硕士研究生1名。