高性能Ge/Si单光子雪崩倍增探测器基础研究

批准号:
61534005
项目类别:
重点项目
资助金额:
300.0 万元
负责人:
陈松岩
依托单位:
学科分类:
F0403.半导体光电子器件与集成
结题年份:
2020
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
成步文、梁琨、赖虹凯、王辅明、刘智、黄巍、李俊、韩响、武文周
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中文摘要
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。
英文摘要
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。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Interface State Calculation of the Wafer-Bonded Ge/Si Single-Photon Avalanche Photodiode in Geiger Mode
盖革模式下晶圆键合Ge/Si单光子雪崩光电二极管的界面态计算
DOI:10.1109/ted.2017.2696579
发表时间:2017-05
期刊:IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES
影响因子:3.1
作者:Ke Shaoying;Lin Shaoming;Mao Danfeng;Ji Xiaoli;Huang Wei;Xu Jianfang;Li Cheng;Chen Songyan
通讯作者:Chen Songyan
DOI:10.1088/1674-4926/39/11/113001
发表时间:2018-11
期刊:Journal of Semiconductors
影响因子:5.1
作者:Shaoming Lin;S. Ke;Yujie Ye;Donglin Huang;Jinyong Wu;Songyan Chen;Cheng Li;Jianyuan Wang;Wei Huang
通讯作者:Shaoming Lin;S. Ke;Yujie Ye;Donglin Huang;Jinyong Wu;Songyan Chen;Cheng Li;Jianyuan Wang;Wei Huang
DOI:10.13232/j.cnki.jnju.2017.03.009
发表时间:2017
期刊:南京大学学报(自然科学版)
影响因子:--
作者:赖淑妹;毛丹枫;陈松岩;李成;黄巍;汤丁亮
通讯作者:汤丁亮
Schottky barrier height modulation effect on n-Ge with TaN contact
肖特基势垒高度调制对带有 TaN 接触的 n-Ge 的影响
DOI:10.1016/j.mssp.2018.11.016
发表时间:2019-03-01
期刊:MATERIALS SCIENCE IN SEMICONDUCTOR PROCESSING
影响因子:4.1
作者:Wang, Jianyuan;Huang, Wei;Chen, Songyan
通讯作者:Chen, Songyan
Silicon Based GeSn p-i-n Photodetector for SWIR Detection
用于 SWIR 检测的硅基 GeSn p-i-n 光电探测器
DOI:10.1109/jphot.2016.2607687
发表时间:2016-10-01
期刊:IEEE PHOTONICS JOURNAL
影响因子:2.4
作者:Cong, Hui;Xue, Chunlai;Wang, Qiming
通讯作者:Wang, Qiming
InGaAs/Si大失配异质界面稳定性及高增益带宽积APD研究
- 批准号:62375229
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:49万元
- 批准年份:2023
- 负责人:陈松岩
- 依托单位:
键合制备高质量Ge/Si异质结材料及高性能PIN光电探测器研究
- 批准号:61974122
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:59.0万元
- 批准年份:2019
- 负责人:陈松岩
- 依托单位:
Si基子带跃迁中红外探测器研究
- 批准号:61176050
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:71.0万元
- 批准年份:2011
- 负责人:陈松岩
- 依托单位:
Si基高效率发光新结构制备研究
- 批准号:50672079
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:29.0万元
- 批准年份:2006
- 负责人:陈松岩
- 依托单位:
GaAs衬底InP-PIN探测器直接键合研究
- 批准号:60006004
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:18.0万元
- 批准年份:2000
- 负责人:陈松岩
- 依托单位:
国内基金
海外基金
