图1波导耦合三端锗硅单光子雪崩晶闸管示意图
1.导读
单光子侦测技术在量子信息、深空通讯、生物医学成像等弱光侦测领域具有重要应用，在近些年来，引起许多关注。锗硅光电侦测器作为近年来的热点研究领域，除了具有灵敏的红外响应，并且与用于肥城度和大规模集成光电子产品的CMOS技术有挺好的兼容性。这种内在的优势促使锗硅单光子雪崩晶闸管（SPAD）在光芯片集成方面具有较大的潜在应用价值。目前，锗硅SPAD的研究仍处于发展阶段，存在着噪音过大，工作体温过高的问题。
针对这种问题，近期上海学院雷蕾副院长团队和华北科技学院张新亮、余宇院士团队合作在发表最新文章，提出了一种三端口调控的元件结构（见图1），不同于传统的雪崩光电晶闸管结构用一个偏置电流来同时控制光吸收和电荷倍增区域，所提出的三端口结构可以独立控制两个单独的电压降，对这两个区域提供了更好的电流调节。据悉，因为电场的独立控制，相比于传统结构，电荷层的参杂难度得到了减小，极大减少了工艺设计难度。通过增加锗吸收区电场硬度，降低了噪音水平，在保证元件侦测效率不变的情况下增加了暗计数。最终，该元件实现了34.62%的片上侦测效率（SPDE），的暗计数（DCR）和3.27×10−16WHz−1/2的等效噪音功率（NEP）。
该研究成果展示了锗硅单光子侦测器在硅光集成芯片上潜在的应用价值，可以被广泛的应用于片上激光雷达和量子技术等场景中。
2.研究背景
随着量子信息等技术的不断发展，对于高性能单光子侦测器的需求日渐扩大，发展比较成熟的单光子侦测器主要有超导纳火锅单光子侦测器，光电倍增管和半导体单光子雪崩光电晶闸管等。超导单光子侦测器经过多年的发展，各方面的性能指标均已达到或接近理想侦测器的极限，但是极低的工作湿度（大于10K）一直是阻碍其发展的最大障碍，无法实现大规模的应用。光电倍增管主要工作在紫外到可见光范围，性能较SPAD略有不如。半导体SPAD发展相对成熟，结构简单，对环境的要求低，是目前市场上主流的单光子侦测器。
到目前为止，盖革模式的/InPSPADs作为成熟的商业产品，早已在红外波段得到了广泛的应用。因为与硅基集成电路不兼容，这些侦测器一般作为分立元件或模块工作。锗作为一种红外吸收材料，除了可以提供灵敏的红外响应，并且能够与CMOS技术挺好地兼容，适用于青州度和大规模集成光电子产品。这种内在的优势促使锗硅单光子侦测器在光芯片集成方面具有较大的潜在应用价值。目前，硅基锗单光子侦测器的研究仍处于发展阶段，性能相比于/InP侦测器还有较大差别，怎么进一步提高侦测器性能是当下亟需解决的重要科学问题。
3.创新研究
针对那些问题，研究人员设计了一种三端口调控的元件结构，与传统分离吸收电荷倍增型（SACM）雪崩光电晶闸管结构相比，所提出的三端口结构可以独立控制锗吸收区和硅倍增区的电场硬度，提供了更好的电流调节能力（见图2）。相比于传统结构须要精细的控制电荷区的参杂含量来调控吸收倍增区的电场，三端口结构的电荷层参杂难度得到了减缓，这极大减少了工艺设计难度。据悉，通过调控加载在锗吸收区的电流，增加锗吸收区电场硬度，可以减少元件的噪音水平，在保证元件侦测效率不变的情况下增加暗计数。
图2常规(a)和三端(b)SPAD截面示意图
此后，研究人员制备并表征了该侦测器在78K体温，不同驱动电流VS1下的片上侦测效率和暗计数。在图3（a）中，与侦测器暗电压变化的趋势相像，DCR随着VS1的降低而降低，当VS1被偏置在1V时达到最小。这是因为锗吸收区内部和界面处的电场随着VS1的降低而降低。因为DCR主要与曝露侧壁处的青州度界面圈套有关，降低VS1有利于降低暗计数。侦测器的片上侦测效率主要取决于光子在锗吸收区的吸收机率、电子从锗吸收区甩尾到硅倍增区以及在硅倍增区成功触发雪崩的机率。在同一气温下，光子吸收几乎保持不变。电子飘移到硅倍增区的机率受锗的电场影响，而成功触发雪崩的机率与硅倍增区的电场有关。倍增区的电场与过量展宽成反比，因而在图3（b）中可以见到，SPDE随着过量展宽几乎线性降低。对不同的VS1，SPDE保持相对恒定锗与量子通讯，表明在-1和1V之间调节锗的电场不会影响电子从锗吸收区向硅倍增区的甩尾，而当电流小于1V时，我们确实观察到效率的增长。
图3常规(a)和三端(b)SPAD截面示意图
表1比较了该侦测器与目前报导的锗硅和/InPSPAD的性能参数。在集成波导耦合的锗硅SPAD解决方案中，该结果表现出了最低的DCR和NEP，证明了元件在片上应用的潜力。但与目前商用/InPSPAD相比，性能仍有较大的不足。考虑到与CMOS平台制造的集成兼容性，这些基于硅基平台的单光子侦测器解决方案依然具有很大的吸引力。
表1锗硅和/InPSPAD的性能参数对比
4.应用与展望
研究团队报告了一种高性能的波导耦合锗硅SPAD，具有独立可控的吸收和倍增结构。通过在吸收区和倍增区提供三个电极和两个独立的电压降，可以分别调整锗吸收层和硅倍增层中的电场。与传统的SACMSPAD相比，三端SPAD表现出较低的设计难度和复杂性。据悉，通过控制电流和降低锗吸收区的电场，可以挺好地降低DCR而不影响SPDE。所设计的高性能SPAD实现了3.27×10-16WHz-1/2的NEP锗与量子通讯，片上SPDE为34.62%，DCR为279kHz，显示了在激光雷达和量子技术等片上应用的潜力，。
该研究成果以“High--on--Diodeand”为题在线发表在。
本文作者分别是Wang,,YanZuo,YuYu,LeiLei,Zhang,Qian，YuYu和LeiLei为共同通信作者。张新亮、余宇院士团队隶属于华北科技学院北京光电国家实验室，雷蕾副院长团队隶属于北京学院四川省光电子元件与系统重点实验室。
