圖1波導耦合三端鍺硅單光子雪崩晶閘管示意圖
1.導讀
單光子偵測技術在量子信息、深空通訊、生物醫學成像等弱光偵測領域具有重要應用，在近些年來，引起許多關注。鍺硅光電偵測器作為近年來的熱點研究領域，除了具有靈敏的紅外響應，并且與用于肥城度和大規模集成光電子產品的CMOS技術有挺好的兼容性。這種內在的優勢促使鍺硅單光子雪崩晶閘管（SPAD）在光芯片集成方面具有較大的潛在應用價值。目前，鍺硅SPAD的研究仍處于發展階段，存在著噪音過大，工作體溫過高的問題。
針對這種問題，近期上海學院雷蕾副院長團隊和華北科技學院張新亮、余宇院士團隊合作在發表最新文章，提出了一種三端口調控的元件結構（見圖1），不同于傳統的雪崩光電晶閘管結構用一個偏置電流來同時控制光吸收和電荷倍增區域，所提出的三端口結構可以獨立控制兩個單獨的電壓降，對這兩個區域提供了更好的電流調節。據悉，因為電場的獨立控制，相比于傳統結構，電荷層的參雜難度得到了減小，極大減少了工藝設計難度。通過增加鍺吸收區電場硬度，降低了噪音水平，在保證元件偵測效率不變的情況下增加了暗計數。最終，該元件實現了34.62%的片上偵測效率（SPDE），的暗計數（DCR）和3.27×10?16WHz?1/2的等效噪音功率（NEP）。
該研究成果展示了鍺硅單光子偵測器在硅光集成芯片上潛在的應用價值，可以被廣泛的應用于片上激光雷達和量子技術等場景中。
2.研究背景
隨著量子信息等技術的不斷發展，對于高性能單光子偵測器的需求日漸擴大，發展比較成熟的單光子偵測器主要有超導納火鍋單光子偵測器，光電倍增管和半導體單光子雪崩光電晶閘管等。超導單光子偵測器經過多年的發展，各方面的性能指標均已達到或接近理想偵測器的極限，但是極低的工作濕度（大于10K）一直是阻礙其發展的最大障礙，無法實現大規模的應用。光電倍增管主要工作在紫外到可見光范圍，性能較SPAD略有不如。半導體SPAD發展相對成熟，結構簡單，對環境的要求低，是目前市場上主流的單光子偵測器。
到目前為止，蓋革模式的/InPSPADs作為成熟的商業產品，早已在紅外波段得到了廣泛的應用。因為與硅基集成電路不兼容，這些偵測器一般作為分立元件或模塊工作。鍺作為一種紅外吸收材料，除了可以提供靈敏的紅外響應，并且能夠與CMOS技術挺好地兼容，適用于青州度和大規模集成光電子產品。這種內在的優勢促使鍺硅單光子偵測器在光芯片集成方面具有較大的潛在應用價值。目前，硅基鍺單光子偵測器的研究仍處于發展階段，性能相比于/InP偵測器還有較大差別，怎么進一步提高偵測器性能是當下亟需解決的重要科學問題。
3.創新研究
針對那些問題，研究人員設計了一種三端口調控的元件結構，與傳統分離吸收電荷倍增型（SACM）雪崩光電晶閘管結構相比，所提出的三端口結構可以獨立控制鍺吸收區和硅倍增區的電場硬度，提供了更好的電流調節能力（見圖2）。相比于傳統結構須要精細的控制電荷區的參雜含量來調控吸收倍增區的電場，三端口結構的電荷層參雜難度得到了減緩，這極大減少了工藝設計難度。據悉，通過調控加載在鍺吸收區的電流，增加鍺吸收區電場硬度，可以減少元件的噪音水平，在保證元件偵測效率不變的情況下增加暗計數。
圖2常規(a)和三端(b)SPAD截面示意圖
此后，研究人員制備并表征了該偵測器在78K體溫，不同驅動電流VS1下的片上偵測效率和暗計數。在圖3（a）中，與偵測器暗電壓變化的趨勢相像，DCR隨著VS1的降低而降低，當VS1被偏置在1V時達到最小。這是因為鍺吸收區內部和界面處的電場隨著VS1的降低而降低。因為DCR主要與曝露側壁處的青州度界面圈套有關，降低VS1有利于降低暗計數。偵測器的片上偵測效率主要取決于光子在鍺吸收區的吸收機率、電子從鍺吸收區甩尾到硅倍增區以及在硅倍增區成功觸發雪崩的機率。在同一氣溫下，光子吸收幾乎保持不變。電子飄移到硅倍增區的機率受鍺的電場影響，而成功觸發雪崩的機率與硅倍增區的電場有關。倍增區的電場與過量展寬成反比，因而在圖3（b）中可以見到，SPDE隨著過量展寬幾乎線性降低。對不同的VS1，SPDE保持相對恒定鍺與量子通訊，表明在-1和1V之間調節鍺的電場不會影響電子從鍺吸收區向硅倍增區的甩尾，而當電流小于1V時，我們確實觀察到效率的增長。
圖3常規(a)和三端(b)SPAD截面示意圖
表1比較了該偵測器與目前報導的鍺硅和/InPSPAD的性能參數。在集成波導耦合的鍺硅SPAD解決方案中，該結果表現出了最低的DCR和NEP，證明了元件在片上應用的潛力。但與目前商用/InPSPAD相比，性能仍有較大的不足。考慮到與CMOS平臺制造的集成兼容性，這些基于硅基平臺的單光子偵測器解決方案依然具有很大的吸引力。
表1鍺硅和/InPSPAD的性能參數對比
4.應用與展望
研究團隊報告了一種高性能的波導耦合鍺硅SPAD，具有獨立可控的吸收和倍增結構。通過在吸收區和倍增區提供三個電極和兩個獨立的電壓降，可以分別調整鍺吸收層和硅倍增層中的電場。與傳統的SACMSPAD相比，三端SPAD表現出較低的設計難度和復雜性。據悉，通過控制電流和降低鍺吸收區的電場，可以挺好地降低DCR而不影響SPDE。所設計的高性能SPAD實現了3.27×10-16WHz-1/2的NEP鍺與量子通訊，片上SPDE為34.62%，DCR為279kHz，顯示了在激光雷達和量子技術等片上應用的潛力，。
該研究成果以“High--on--Diodeand”為題在線發表在。
本文作者分別是Wang,,YanZuo,YuYu,LeiLei,Zhang,Qian，YuYu和LeiLei為共同通信作者。張新亮、余宇院士團隊隸屬于華北科技學院北京光電國家實驗室，雷蕾副院長團隊隸屬于北京學院四川省光電子元件與系統重點實驗室。
