中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光學(xué)與光學(xué)工程系王亮教授課題組設(shè)計(jì)并制備的InGaAs單光子探測器芯片取得重大進(jìn)展。該研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)金屬—分布式布拉格反射器優(yōu)化單光子探測器芯片的光學(xué)性能，完成低本征暗計(jì)數(shù)的單光子探測器芯片的全自主化設(shè)計(jì)與制備，實(shí)現(xiàn)了單光子探測器芯片的全國產(chǎn)化，為解決國家亟需的前沿科技問題邁進(jìn)了重要一步。相關(guān)研究成果以“High performance InGaAs/InP single-photon avalanche diode using DBR-metal reflector and backside micro-lens”為題，在線發(fā)表在電子工程技術(shù)領(lǐng)域的知名期刊Journal of Lightwave Technology上。

 

基于InGaAs材料的半導(dǎo)體單光子雪崩二極管（SPAD）具有單光子級(jí)別高靈敏度、短波紅外波段的人眼安全、大氣窗口波段低損耗、穿透霧霾、低功耗、小尺寸、易于集成等優(yōu)秀特點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使 SPAD在量子信息技術(shù)、主被動(dòng)的焦平面探測器、城市測繪、激光雷達(dá)等多個(gè)領(lǐng)域均發(fā)揮著巨大的作用，具有極大的民用、商用以及軍用價(jià)值。

 

王亮教授研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整MOCVD的溫度、V/III比、摻雜濃度等生長參數(shù)實(shí)現(xiàn)低缺陷密度和高摻雜精度的外延結(jié)構(gòu)生長。在SPAD器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出并設(shè)計(jì)了新型的寬譜（全光通信波段）全反射鏡，即金屬—分布式布拉格反射鏡用以提升SPAD芯片的光電吸收效率。研究團(tuán)隊(duì)所制備的12μm窗口的低暗計(jì)數(shù)SPAD，在溫度233 K及 10%的探測效率下具有127 Hz的超低本征暗計(jì)數(shù)，比國外同類產(chǎn)品低一個(gè)量級(jí)，擁有更優(yōu)的器件性能，此芯片可滿足量子通信等應(yīng)用的單光子探測的使用需求并可替代進(jìn)口器件。

圖1（a）SPAD的器件結(jié)構(gòu)示意圖（b）12μm窗口的超低暗計(jì)數(shù)SPAD芯片及測試結(jié)果

 

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光學(xué)與光學(xué)工程系王亮教授為該論文的通訊作者，博士研究生張博健為該論文的第一作者。本項(xiàng)研究得到國家科技部、國家自然科學(xué)基金委和安徽省科技廳的資助，也得到了中國科大物理學(xué)院、中國電子科技集團(tuán)第13研究所、中國科大微納研究與制造中心、中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

 

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9720212