高性能Ge/Si单光子雪崩倍增探测器基础研究

The national major strategic requires information security, at present only quantum communications method is proved to absolute safe. However, the lack of high-performance Single-Photon Avalanche Diode Detectors (SPADs) has become a development-hampering bottleneck. Thus, our project aims to develop high-performance Ge/Si SPAD device with separate absorption region and multiplication region structure. Our research includes the following contents: (1) the origin of SAPD dark count rates (DCRs), dynamics of interactions between carriers, impurities, and defects and exploring the inhibition pathway of DCRs and afterpulsing effect; (2) Ge epitaxy growth on Si substrate, revealing the mechanics of hetero-epitaxy stress relaxation and dislocation migration and fabricating Ge/Si APD hetero-structure with low dislocation density; (3) exploring the key techniques of Ge/Si APD device (passivation technique) to fabricate high-performance Ge/Si APD device; (4) building the performance test analysis platform and mastering evaluation methods of Ge/Si SPAPD device. (5) fabricating high-performance Ge/Si SPAPD device with low DCRs (<10kcps), high detecting rates (>15%) and 5 GHz frequency.

信息安全是国家重大战略需求，量子通信是目前唯一被严格证明无条件安全的通信方式，然而其中高性能单光子APD器件的缺失已成为阻碍我国量子通信发展的瓶颈。为此，本项目将融合Si与Ge各自优势，研制高性能Ge/Si吸收区与倍增区分离结构单光子APD器件。课题将研究Ge/Si APD单光子探测器暗计数的来源以及载流子与杂质和缺陷作用的动力学过程，阐明器件暗计数和后脉冲效应的抑制途径；研究硅衬底上锗材料外延生长，揭示大失配异质外延应力弛豫及位错迁移与抑制机制，获得低位错密度Ge/Si APD异质材料的制备方法；研究Ge/Si APD器件表面钝化等关键工艺，掌握高性能Ge/Si APD器件制备技术；建立器件性能测试分析平台，掌握单光子APD器件性能评估方法；研制出暗记数率低至10kcps、探测率高于15%、工作频率达5GHz的高性能Ge/Si单光子APD器件。

信息安全是我国国防科技核心战略需求，而量子加密作为绝对安全保密的通信技术已被国家纳入重点发展规划，突破核心元器件单光子探测器的技术瓶颈迫在眉睫，其中Ge、Si材料由于自身优异的光电特性，在领域内引起了广泛关注。项目组围绕Ge/Si 高性能单光子雪崩光电探测器（SPAD）的研制展开了一系列研究工作：理论上优化设计得到的Ge/Si低温键合单光子雪崩光电探测器在接近室温条件下（250K）展现出低暗计数率（104cps）以及高探测率（~21%）的特点；首次提出一种横向结构Ge/Si APD器件，在-22.2dBm 的1.55μm 入射光下实现246倍增益，器件性能相对传统吸收倍增分离结构得到明显改善；采用超高真空化学气相沉积技术外延得到高质量Si基Ge异质薄膜，位错密度低至106cm-2，满足高性能Ge/Si SPAD器件制备要求；首次采用非晶Ge作为中间过渡层在低温下（300℃）键合制备得到界面无氧化层的高质量Ge/Si异质材料，Ge薄膜中位错密度低于105cm-2，为高质量Ge/Si异质结材料制备提供了一种新颖有效的方案；采用纳秒脉冲激光退火技术结合P旋涂掺杂技术在Ge材料表层（40nm）实现高浓度的磷原子扩散与激活过程，得到n+Ge与Al的比接触电阻率为5.51×10-6 Ω•cm2；键合制备得到Ge/Si PN结光电二极管开关比达到了3.4×105；采用非晶Ge智能剥离工艺，制备得到的Ge/Si PIN光电二极管暗电流密度达到5.97mA/cm2，接近目前报道最好水平，器件在1.55μm以及1.31μm波长照射下响应度分别达到0.524A/W、0.71A/W；通过选区外延工艺制备得到的波导型Ge/Si APD器件在1.55μm波长照射下雪崩增益达到50，工作频率达到15.3GHz，增益带宽积高达375GHz；制备的台面结构吸收倍增分离型 Ge/Si SPAD平面器件在1310nm光照下雪崩增益高达775，器件在121.7K工作条件下，暗计数率低至9.34kHz，优于目前文献报道最好水平，盖革模式下器件单光子探测效率最高达到17.3%。本项目研究证实Ge/Si 高性能APD在近红外波段单光子探测领域的可行性与高效性，同时指明了Ge/Si 单光子APD器件性能进一步优化所面临的难点所在，为器件大面积推广应用奠定了基础。

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