JP2021530872A - 光検出器 - Google Patents

Abstract

本明細書では、光子が吸収される少なくとも１つの吸収領域を備える光検出器を開示する。少なくとも１つの吸収領域上に配置された複数の電極であって、電極は、互いに離間している。使用中、少なくとも１つの電極の幾何学は、アバランシェ増倍が少なくとも１つの電極の近くで発生するのに必要な大きさの電界の形成を増強するように選択される。

Description

本開示は、光検出器に関する。

フォトダイオードは、内部の光電効果を利用する半導体光検出器であり、光検出に利用される内蔵電界が形成されるｐｎ接合に基づいている。基本的なデバイス構造を図１に示すが、図に示されているものよりもはるかに多くの層が含まれる場合がある。見られるように、ｎドープ層１０５およびｐドープ層１１０があり、それらの間の界面（ｐｎ接合１１５）に、印加された逆バイアスで増強される内蔵電界が確立される。

ｐｉｎフォトダイオードが最も一般的に使用されるフォトダイオードであることが知られている。残念ながら、量子限界までの低レベルの光検出（単一光子検出）に必要な光電流の固有の増幅は、その構造のために、ｐｉｎフォトダイオードで達成することは非常に困難である。ｐドープ層とｎドープ層の間に挟まれた真性層は、内蔵電界を低減し、非常に高いブレークダウン電圧をもたらす。

アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と呼ばれる高濃度にドープされたフォトダイオードの形式は、実質的な内蔵電界を誇り、ｐｉｎフォトダイオードと比較して比較的低いブレークダウン電圧をもたらし、逆バイアスを適用してアバランシェ増倍の発生に必要な臨界レベルまで内蔵電界を増強するガイガーモードでの動作により単一光子に感度が高くなる。これにより、量子限界までの低レベルの光検出のために光電流の固有の増幅が提供される。

現在の最先端技術では、フォトダイオードは通常、コストと製造の複雑さの両方を増大させる多数の層を有する。さらに、層間の接合に形成される結晶欠陥は、電荷キャリアが再結合またはトラップされる可能性を高め、その結果、それらの応答性が低下し、それらの効率が制限される。さらに、ＡＰＤに必要な高濃度のドーピングにより、静電容量が増加し、これにより、帯域幅が制限される。

従来技術では、光伝導体（例えば、金属−半導体−金属（ＭＳＭ）光検出器）は、内部光電効果を利用するが、ｐｎ接合に基づかない光検出器であることも知られている。代わりに、光伝導体は、外部バイアスを直接印加することによってバルク材料に確立された電界を光検出に利用することに基づいている。フォトダイオードと比較して、光伝導体は、歴史的に比較的低い応答性に悩まされており、量子限界までの低レベルの光検出に必要な光電流の固有の増幅を提供することが実証されていない。

大まかに言えば、本開示は、材料上に配置された複数の電極を備える電子デバイスに関するものであり、電極の形状および電極間の分離は、光子吸収を最適化し、結果として生じる光電流を最大化および増幅するために、材料内に増強された電界を確立するように最適化（または選択または選ばれる）される。

本開示の一態様によれば、光子が吸収される少なくとも１つの吸収領域を備える光検出器が提供される。複数の電極は、少なくとも１つの吸収領域上に配置され、電極は、互いに離間している。使用中、複数の電極のうちの少なくとも１つの電極の幾何学が選（または選択または最適化）ばれて、少なくとも１つの電極の近くで発生するアバランシェ増倍に必要な大きさの電界の形成を増強する。アバランシェ増倍に必要な電界の大きさは、所与の材料のブレークダウン電圧で発生することが理解されよう。

少なくとも１つの吸収領域は、所定の材料を備え得、アバランシェ増倍は、所定の材料（電極の近くまたは近接）で起こる。アバランシェ増倍は、少なくとも１つの電極（または複数の電極）と少なくとも１つの吸収領域（所定の材料内）との間の表面近くで起こり得る。少なくとも１つの吸収領域（または層）は、所望の波長または波長範囲の入射光子を吸収するように特別に選択された所定の材料を含み、アバランシェ増倍が起こる電極との界面近くの少なくとも１つの領域を備えることが理解される。

一般的に言えば、吸収領域は、所定の材料で作られた接触領域である。電極または接点は、所定の材料上に形成される。接触領域の材料は、真性（ドープされていない）材料であるか、またはドーピングまたは不均一材料の領域の包含が、所定の材料中のキャリアを補償するために、またはそれからキャリアをはじくために使用される材料であり得る。言い換えれば、接触領域または吸収領域は、実質的に（またはほとんど）キャリアフリーの材料から作られている。

少なくとも１つの吸収領域は、キャリアがないかまたは少数のアバランシェ領域を備え得、アバランシェ増倍は、アバランシェ領域において起こり得る。アバランシェ増倍を達成するために、少なくとも１つの電極の形状および配置を選択できる。アバランシェ増倍を達成するために、少なくとも２つの電極間の距離（または分離）を選択できる。アバランシェ増倍を達成するために、少なくとも１つの電極の曲率を選択（または選ぶことが）できる。アバランシェ増倍を達成するために、少なくとも１つの電極の相対的な曲率を変えることができる。相対的な曲率は、少なくとも２つの電極間の距離と少なくとも１つの電極の半径値との比から導き出すことができる。

電極またはデバイスの「幾何学」という用語は、電極の形状、トポロジー、トポグラフィー、曲率、および／または配置を指すことが理解されよう。本開示では、幾何学的配置は、所与のブレークダウン電圧で所望のアバランシェ増倍効果を達成するように選択されることが理解されよう。当業者は、電極の曲率および／またはそれらの分離の両方がそれらの幾何学を定義することを理解するであろう。電極の形状、電極の配置、電極の曲率、または電極間の距離（または分離）のいずれか１つまたは複数がデバイスの幾何学に寄与することも当業者によって理解されるであろう。電極の幾何学は、これらのパラメータの特定の１つまたは全てに限定されない。幾何学は、これらのパラメータのいずれか１つまたは任意の組み合わせにできる。

有利なことに、開示されたデバイスは、ドーピングではなく幾何学を本質的に利用して、所定の材料でアバランシェブレークダウンが発生するのに必要な大きさの電界の形成を増強し、それによって、量子限界までの低レベルの光検出（単一光子検出）に必要な電流の必要な増幅を提供する。一例では、驚くほど低いブレークダウン電圧（例えば、１５Ｖ未満、好ましくは１０Ｖ未満）を有するそのような単一光子感受性デバイスは、これまで状況において報告されていなかった。

一例では、驚くべきことに、ＡＰＤとは異なり、開示されたデバイスのアバランシェ領域は、接点または電極が形成され、光子の大部分が吸収される表面に位置している。さらに、開示されたデバイスは、電荷キャリアを急速にその中に駆動するアバランシェ領域を取り囲む実質的な場を示す。その結果、アバランシェ領域にドリフトする際の電荷キャリアの再結合とトラップの両方に起因する有効性の大幅な低下が包括的に軽減される。これにより、一例では、応答性と検出効率の両方を最大化することで、動作時間および／または光パワーを大幅に削減する。ドープされた半導体では、表面アバランシェ層と実質的な駆動場の両方を実現することは不可能である。

有利なことに、開示されたデバイスの平面構造は、ＡＰＤの高度にドープされたｐｎ接合と比較して著しく減少した静電容量をもたらし、それにより、かなり増強された動作帯域幅をもたらす。これらの特性を組み合わせることで、任意の小さな電圧で、高速および／または高吸収量の動作が容易になる。開示されたデバイスには、低レベルの光検出と単一光子検出の両方の利点があることが理解されよう。開示されたデバイスは、これらの用途のいずれか１つだけに限定されないことが理解されよう。

一般的に言えば、材料をそのブレークダウン電界以上で動作させることにより（ガイガーモード動作と呼ばれる動作方法）、内部光電効果によって生成された移動電荷キャリアは、衝突が電離するのに十分な運動エネルギーを電界から得ることができる。これにより、プロセスを再度繰り返すことができる追加の移動電荷キャリアが生成される。アバランシェブレークダウンと呼ばれるこのメカニズムは自立しており、単一光子から巨視的な電荷の動員を生成する。これにより、測定可能な検出信号が得られる。有利なことに、開示されたデバイスは、最も高濃度にドープされたアバランシェフォトダイオードよりも桁違いに低いアバランシェブレークダウン電圧（例えば、約１５Ｖ未満）を示すことができ、これにより、動作電圧の低下という途方もない見通しを提供し、非常に大規模な統合のための機能を増強し、超低レベルの消費電力を実現する。さらに、超伝導単一光子検出器とは異なり、開示されたデバイスは、熱的に活性化されたキャリアの生成が制限要因ではないという条件で、室温で動作できる。

有利なことに、開示されたデバイスの構造は、同様に広範囲の特性の広範囲の材料システムと互換性がある。多くの元素半導体と化合物半導体は互換性のある候補であり、速度、閉じ込め、調整された波長の混合を可能にし、シリコンを使用して、量子コンピューターと古典的なコンピューターの両方にリンクする。絶縁体またはワイドギャップ半導体も、より短い波長の検出に使用できる。波長の適切な選択は、任意のオプトエレクトロニクスデバイスとの相互作用の手段を提供する。有機デバイスは、新しい製造技術を補完する可能性のある構造の単純さからも恩恵を受ける可能性がある。

開示されたデバイス構造は、非常に用途が広く、デバイスの幾何学を変更するだけで、様々な用途に合わせて調整できる。例えば、光子数検出のために、デバイスのアレイは、単一のチップ上に空間的に多重化され得る。さらに、開示されたデバイスは、オンチップ平面導波路と統合され得る。その技術的単純さのために、それはまた、光子源に近接して、真上または真下に、あるいは横方向に隣接して製造またはその後堆積され得る。

電極の近くでの電界増強の程度は、その曲率とともに急激に増加する。少なくとも２つの電極間にバイアスが加えられると、それらの近くに確立された電界が実質的に増大する。言い換えれば、バイアスが少なくとも２つの電極間に加えられ得るとき、電界は、少なくとも２つの電極の近くで増強され得、電界は、少なくとも２つの電極間の領域で実質的に（またはほとんど）減少される。一般的に言えば、電極間に印加された所与のバイアスに対して、ある領域の増強された場は、他の場所の減少場によって補償されるが、減少した場の大きさは、ゼロにならないことを強調することが重要である。すなわち、減少した領域で生成された光子誘起キャリアは、意図したとおりに増強された領域に駆動される。

アバランシェ増倍は、吸収体材料のバンドギャップ電位に対応する理論上の最小バイアス電圧で達成でき、一般に約１５Ｖ未満であり、より好ましくは、典型的な半導体では約１０Ｖよりかなり低い。アバランシェ増倍は、室温で起こり得る。

光検出器は、単一光子光検出器であり得る。

複数の電極は、非対称であり得る。これは、ある電極が他の電極と比較して異なる曲率および／または形状および／または配置を有し得ることを意味し得る。

複数の電極のうちの少なくともいくつか（または全て）は、透明電極であり得る。複数の電極のうちの少なくともいくつか（または全て）は、凹型電極であり得る。

複数の電極のうちの少なくともいくつか（または全て）は、吸収領域の主平面に平行以外に配向された吸収体表面に隣接して堆積され得る。他の例では、複数の電極の少なくともいくつかは、吸収領域の主平面に平行以外に配向された吸収体表面上に堆積され得る。

光子は、導波路を介して検出器に送達され得る。光検出器デバイスは、フォトニック結晶に組み込まれ得る。

一例では、光子は、検出器上に形成され得るレンズによって検出器に集束され得る。

少なくとも１つの光子は、プリズムまたは格子によってスペクトル的に分離され得、これらは、１つまたは複数の検出器デバイスに入射するかまたは入射しないなど、検出器上に形成され得る。

複数の電極のうちの少なくともいくつか（または全て）は、（外部または統合された）制御回路に接続され得る。複数の電極は、金属、金属多層、ポリシリコンまたは他の導電性半導体を含む任意の１つまたは複数の導電性材料、および／または吸収領域（または吸収層）の成長手順中に形成される１つまたは複数の層を備え得る。

光検出器は、反射防止コーティングまたは反射防止層を備え得る。これらの層は、そうでなければ検出効率を低下させるであろうデバイス表面からの光子の反射を防ぐので有利である。

光検出器は、光子を反射して吸収層に戻すための埋め込み反射層をさらに備え得る。埋め込み反射層（またはスタック）は、そうでなければ検出されないであろう光子を反射するために使用され得る。

光検出器は、吸収された光子が検出器電流に寄与するキャリアを生成し得る吸収領域内の検出領域をさらに備え得る。光検出器はまた、検出領域の下および／または上にバリア層を備え得る。バリア層は、より広いギャップのバリア層であり得る。一般的に言えば、再結合するキャリアは、電極に到達することによって検出器電流に寄与せず、キャリアが電極に到達するのにかかる時間は、帯域幅を制限する可能性がある。しかしながら、本デバイスでは、絶縁性または高度にキャリアが枯渇した吸収体材料の使用は、両方を改善する。自由キャリアの不足は、再結合を強力に阻害し、導体およびドープされた半導体で確立される電界を制限するスクリーニング効果を低減し、より高いドリフト速度、したがって、より速い通過およびより速い動作速度をもたらす。

光検出器の接点または電極は、入射角の横方向成分を有する光子を検出するために、表面ステップの面、またはステップに隣接する上面に配置できる。これには、横方向の導波管から放射されるものが含まれる場合がある。

暗電流は、ある種の絶縁が望ましいほど十分に大きい可能性がある。これを達成する方法は、検出領域の下にギャップの広いバリア層を組み込み、キャリアのバルク生成を最小限に抑え、および／またはそれらのキャリアの表面への進行をブロックすることである。これは、接点の可能な限り大きな領域がバリア材料上にあるように吸収体をメサエッチングすることによってさらに改善できる。犠牲埋め込み層のエッチングによる除去、基板全体の薄化、または吸収体として自立型薄膜を使用することも同様の効果をもたらす可能性がある。

本開示の他の態様によれば、光検出器を製造する方法が提供され、この方法は、光子が吸収される少なくとも１つの吸収領域を形成するステップと、少なくとも１つの吸収領域上に配置された複数の電極を堆積させるステップと、を含む。複数の電極は、互いに離れて配置されている。この方法は、複数の電極のうちの少なくとも１つの電極の幾何学を選んでまたは選択して、アバランシェ増倍が少なくとも１つの電極の近くで発生するのに必要な大きさの電界の形成を増強するステップをさらに含む。この方法は、リソグラフィー技術を使用することをさらに含み得る。

有利なことに、その製造に必要なステップ数が最小限であり、イオン注入の困難でコストのかかる段階が必要とされないため、ｐｉｎフォトダイオードおよびアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などのような既存の単一光子検出技術よりも製造がはるかに簡単で低コストである。この処理は、最終的な金属化段階のみを含む基本的な形式で、業界標準の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）プロセスとも互換性がある。

一般的に言えば、開示されたデバイスには以下の利点がある。

・強力に増強された場
・低ブレークダウン電圧

・単層
・誤検出率の低下、訓練を受けた人は、誤検出の例として暗い検出やアフターパルスが含まれることを理解する。
・最小化された製造コスト

・最小の処理ステップ数
・イオン注入なし
・ＣＭＯＳ互換
・既存の構造物に遡及的に配置することが可能

・アバランシェ層は、吸収層でもある（従来のＡＰＤとは異なる）
・電荷キャリアが再結合またはトラップされる可能性を低減する
・電子と正孔の両方がアバランシェを開始する可能性がある

・アバランシェ層はドリフト層でもある（ＡＰＤとは異なる）
・電荷キャリアが再結合またはトラップされる可能性を低減する
・デバイスの応答時間を短縮する

・平面構造
・極小容量（超高帯域幅）
・面内フォトニクスと統合

本開示のいくつかの好ましい実施形態は、ここで、例としてのみ、添付の図面を参照して説明される。

既知のフォトダイオードを示している。 １つの実施に係る光検出器の３次元図を示している。 １つの実施に係る代替の光検出器の上面図を示している。 ２つの電極間の電界線分布が示されている図３ａの光検出器の上面図を示している。 １つの実施に係る代替の光検出器の上面図を示している。 ２つの電極間の電界線分布が示されている図４ａの光検出器の上面図を示している。 １つの実施に係る代替の光検出器の上面図を示している。 電極間の電界線分布が示されている図５ａの光検出器の上面図を示している。 １つの実施に係る代替の光検出器の上面図を示している。 電極間の電界線分布が示されている図６ａの光検出器の上面図を示している。 １つの実施に係る代替の光検出器の上面図を示している。 電極間の電界線分布が示されている図７ａの光検出器の上面図を示している。 ９つの異なる電極幾何学の電極間で確立された電界の大きさの平面プロファイルであり、それぞれが同じ電極間隔であるが、電極半径Ｒが異なる。 図８の様々な相対曲率の９つの異なる電極幾何学の線ｙ＝０に沿った電界の大きさを示している。 オンチップ平面導波路と統合するように構成されたデバイスの３Ｄ図を示している。 オンチップ平面導波路と統合するように構成されたデバイスの３Ｄ図を示している。

代替実施における一般的なデバイス構造

図２は、一実施形態または実施形態に係る光検出器の三次元図を示している。光検出器は、単一の吸収領域（または吸収層）２０５を含む。２つの電極２１０、２１５は、互いに離間された吸収領域上に配置または形成される。２つの電極２１０、２１５の間に（横方向の）距離（または分離）２２０が存在する。吸収領域２０５は、実質的にドープされていない材料を含む。換言すれば、吸収領域２０５は、真性材料を含む。この実施形態では、両方の電極２１０、２１５は、実質的に同じまたは同等の曲率を有する。電極の曲率および電極間の分離のために、十分な大きさのバイアス（または電気的バイアス）が電極２１０、２１５の間に印加されると、アバランシェ増倍がそれらの近くで発生するのに必要な大きさの電界がそれらの間に確立される。曲率および／または電極２１０、２１５間の距離２２０の両方が、ブレークダウン電圧を決定することが理解されよう。吸収領域にドーピングが使用されていないことを考えると、電極の幾何学（例えば、曲率および／または電極分離）を制御することによってアバランシェブレークダウンが達成され得ることは驚くべきことである。

図３ａは、一実施形態または実施形態に係る代替の光検出器の上面図を示している。図３ｂは、図３ａに示される光検出器の上面図を示しており、ここでは、２つの電極間の電界線分布が示されている。２つの電極３０５、３１０は、互いに離間された吸収領域上に配置されている。この例では、両方の電極３０５および３１０の曲率および／または形状は同等ではなく、したがって、非対称であると呼ばれる。例えば、第１の電極３０５は、所定の曲率を有し、第２の電極３１０は、第１の電極３０５と比較して異なる配置または形状を有する。十分な大きさのバイアスが電極間に印加されると、力線の密度の増加によって示されるように、電極３０５の近くに増強された電界が確立される（図３Ｂを参照）。この増強された電界は、第１の電極３０５の近くでアバランシェブレークダウンをもたらす可能性がある。

図４ａは、一実施形態または実施形態に係る代替の光検出器の上面図を示している。図４ｂは、図４ａの光検出器の上面図を示しており、２つの電極間の電界線分布が示されている。２つの電極４０５、４１０は、互いに離間された吸収領域上に配置されている。この実施形態では、両方の電極４０５、４１０の曲率および／または形状は、同等または実質的に同じであり、したがって、対称であると呼ばれる。十分な大きさのバイアスが電極間に印加されると、力線の密度の増加によって示されるように、増強された電界が、湾曲した電極４０５、４１０の近くの電極の近く４１５に確立される（図４ｂを参照）。この増強された電界は、電極４０５、４１０の近くでアバランシェブレークダウンをもたらす可能性がある。

図５ａは、一実施形態または実施形態に係る代替の光検出器の上面図を示している。図５ｂは、図５ａの光検出器の上面図を示しており、電極間の電界線分布が示されている。４つの電極５０５、５１０、５１５、５２０は、互いに離間された吸収領域上に配置されている。この例では、検出領域のボリュームを増やすために、より多くの電極が使用されている。一例では、電極５０５、５１０、５１５、５２０の曲率および／または形状は、対称であり得る。代替の例では、電極５０５、５１０、５１５、５２０の曲率および／または形状は、異なる可能性があり、したがって、電極５０５、５１０、５１５、５２０は、非対称であり得る。電極５０５、５１０、５１５、５２０に十分な大きさのバイアスが印加されると、力線の密度の増加によって示されるように、増強された電界がそれらの近くに確立される（図５ｂを参照）。この増強された電界は、電極５０５、５１０、５１５、５２０の近くでアバランシェブレークダウンをもたらす可能性がある。

図６ａは、一実施形態または実施形態に係る代替の光検出器の上面図を示している。図６ｂは、図６ａの光検出器の上面図を示しており、電極間の電界線分布が示されている。図６ａおよび図６ｂの実施において、８つの電極６０５、６１０、６１５、６２０、６２５、６３０、６３５、６４０は、互いに離間された吸収領域上に配置されている。図５の実施と同様に、この例では、検出領域のボリュームを増やすために、より多くの電極が使用されている。一例では、電極６０５、６１０、６１５、６２０、６２５、６３０、６３５、６４０の曲率および／または形状は実質的に同じであり、したがって、電極６０５、６１０、６１５、６２０、６２５、６３０、６３５、６４０は、対称である。代替の例では、電極６０５、６１０、６１５、６２０、６２５、６３０、６３５、６４０の曲率および／または形状は、異なる可能性があり、したがって、電極６０５、６１０、６１５、６２０、６２５、６３０、６３５、６４０は、非対称であり得る。電極６０５、６１０、６１５、６２０、６２５、６３０、６３５、６４０に十分な大きさのバイアスが印加されると、力線の密度の増加によって示されるように、増強された電界がそれらの近くに確立される（図６ｂを参照）。この増強された電界は、電極６０５、６１０、６１５、６２０、６２５、６３０、６３５、６４０の近くでアバランシェブレークダウンをもたらす可能性がある。

図７ａは、一実施形態または実施形態に係る代替の光検出器の上面図を示している。図７ｂは、図７Ａの光検出器の上面図を示しており、電極間の電界線分布が示されている。１０個の電極７０５、７１０、７１５、７２０、７２５、７３０、７３５、７４０、７４５、７５０は、互いに離間された吸収領域上に配置されている。電極は、例えば、波長分析に適した配置で構成されている。図６の実施と同様に、この例では、検出領域のボリュームを増やすために、より多くの電極が使用されている。一例では、電極７０５、７１０、７１５、７２０、７２５、７３０、７３５、７４０、７４５、７５０の曲率および／または形状は実質的に同じであり、したがって、電極は、対称である。代替の例では、電極７０５、７１０、７１５、７２０、７２５、７３０、７３５、７４０、７４５、７５０の曲率および／または形状は、異なる可能性があり、したがって、電極は、非対称であり得る。電極７１５、７２０、７２５、７３０、７３５、７４０、７４５、７５０に十分な大きさのバイアスが印加されると、力線の密度の増加によって示されるように、増強された電界がそれらの近くに確立される（図７ｂを参照）。この増強された電界は、電極７１５、７２０、７２５、７３０、７３５、７４０、７４５、７５０の近くでアバランシェブレークダウンをもたらす可能性がある。この構成は、屈折や回折などの光子の空間的分離が得られる分光技術と組み合わせると、分光計の一部として使用できる。スペクトル特性は、光子の入射位置から推測でき、光子の入射位置自体は、キャリアを収集する電極から取得できる。

図１０ａおよび図１０ｂは、一実施形態または実施形態に係る光検出器の三次元図を示している。光検出器デバイスは、オンチップ平面導波路１０２５と統合するように構成される。光検出器は、単一の吸収領域（または層）１００５を含む。２つの電極１０１０、１０１５は、互いに離間された吸収領域上に配置されている。２つの電極１０１０、１０１５の間に距離１０２０が存在する。吸収領域１００５は、実質的にドープされていない材料を含む。接点または電極１０１０、１０１５は、上面からのステップ面（図１０ｂ）、または上面（図１０ａ）に配置できる。

幾何学的場の増強

ここで、本開示の実施に係るアバランシェ増倍のためにここで利用される電界の幾何学的増強の背後にある理論を説明する。また、数値シミュレーションの結果についても説明する。

マクスウェルの方程式によれば、磁界が変化しない場合、２つの電極間に確立される電界Ｅは、電位∇φの勾配によってのみ定義される。

（１）
ここで、

（２）
大きさが特定のポイントでの電界の空間変化率を定量化し、その方向がそのポイントからの最も急激な増加を指定するベクトル。

（１）および（２）から、電極間に印加されたバイアスが電極間に確立された電界に影響を与えるだけでなく、電極自体の幾何学（例えば、曲率および／または形状および／または配置および／または電極距離）そのものにも影響を与えることが明らかである。具体的には、電界の大きさは、印加されたバイアスと電極の曲率の両方で増加するが、電極の分離で減少する。

本開示の顕著な側面は、所定の材料でアバランシェブレークダウンが発生するのに必要な大きさの電界の形成を強化するために、幾何学、特に、ドーピングではなく電極の曲率の利用に固有のものである。これにより、単一光子検出に必要な電流の必要な増幅が提供される。

線形、等方性、均質媒体の場合、ガウスの法則は、与えられた電荷ρの分布によって確立される電界を定義する。

（３）
ここで、∇・Ｅは、電界の発散である。

（４）
電界が特定のポイントから発散する程度を定量化するスカラー、ε_ｒは、媒体の比誘電率、ε_０は、真空の誘電率である。

電荷密度が無視できる場合は、（１）と（３）から

（５）
ここで、

は、電位のラプラシアンである。

（６）
与えられたポイントでの電界の勾配の発散を定量化するスカラー。

電極間に印加されるバイアスＶ_Ｂと電極幾何学の両方が、最終的に電界の（１）を解く前に、有限要素法によって全空間の電位φの（５）を解くために必要かつ十分な境界条件を提供する。

（５）と（１）の２Ｄソリューションの結果の選択が表示される。これらは３Ｄシミュレーションと質的に類似しており、簡単にするために表示されていない。場の大きさαを次のように定義する。

（７）
ここで、ｄは、電極間隔、Ｖ_Ｂは、印加バイアス、｜Ｅ｜は、電界の大きさである。場の大きさは、単位がないことに注意することが重要である。

図８は、９つの異なる電極幾何学の電極（８０５と８１０）間で確立された場の大きさの平面プロファイルであり、それぞれが同等の電極間隔であるが、電極半径Ｒは、異なる。電極の間隔と電極の半径の比率は、ここでは相対曲率ｄｋと呼ばれる。ここで、ｋ＝１／Ｒは、曲率であり、０．２５から３２までの２進等比数列で変化する。比較のためにｄｋ＝０の平行電極の場合が含まれている。平行電極の場合（左上）の場合、電極８０５、８１０の間の全てのポイントで、場の大きさは、単一である（電極８０５、８１０の間で変化が示されていないため）。他の全ての幾何学については、電極８０５、８１０は湾曲しており、その近くで、場の大きさが単一よりも大きい場の増強の領域（白い領域）をはっきりと観察できる。

２つの平行電極の場合、｜Ｅ｜＝Ｖ_Ｂ／ｄであることが知られており、この場合、（７）からα＝１である。したがって、場の増強の領域をα＞１であると定義し、場の減少の領域をα＜１であると定義する。

図９は、図８の様々な相対曲率の９つの異なる電極幾何学の線ｙ＝０に沿った場の大きさを示している。図８に示されている増強された領域での場の増強の程度は、図９で調査される。平行電極の場合（図８の左上）、場の大きさ（ｄｋ＝０を参照）は、電極間の全てのポイントで単一であることが再び確認される。他の全ての幾何学では、電極は、湾曲しており、場の大きさが単一より大きい電極の近くに増強された領域を示す。増強された領域内の場の増強の程度は、電極の近接性の増加および曲率の増加の両方で増加することが観察され得る。湾曲した電極の場合、電極分離の中心点に近づくにつれて電界が減少することは、注目に値する。挿入図は、左側の電極付近の場増強の程度を明確に示している（両方の電極が全く同じ形状であるため、増強のレベルは右側の電極でも同じになる）、相対曲率ｄｋ＞２５６の場合、電界は、電極界面に少なくとも１桁近づくように増強される。全ての湾曲したデバイスについて、増強された領域は、各電極から少なくとも０．１ｄ伸びていることが分かる。

図８と図９の両方から、電極の曲率を大きくすると、近接する場の増強が大きくなることが明らかである。増強の程度は、曲率の増加とともに指数関数的に増加し、急速に無限大になる傾向がある。電極間に印加されるバイアスＶ_Ｂは、増強された場が他の場所の減少場によって補償されることを要求するが、減少した場の大きさは一般にゼロではないことを強調することが重要である。すなわち、減少した領域で生成された光子誘起キャリアは、意図したとおりに増強された領域に駆動される。

アバランシェブレークダウンによる単一光子検出の例

材料をそのブレークダウン場Ｅ_ｂ以上で動作させることにより（ガイガーモード動作と呼ばれる動作方法）、内部光電効果によって生成された可動電荷キャリアは、衝突が電離するのに十分な運動エネルギーを電界から得ることができる。これにより、プロセスを再度繰り返すことができる追加の可動電荷キャリアが生成される。アバランシェブレークダウンと呼ばれるこのメカニズムは自立しており、単一光子から巨視的な電荷の動員を生成する。これにより、測定可能な検出信号が得られる。本開示は、単一光子検出のみに限定されないことが理解されよう。

ブレークダウン場とバンドギャップ

次の表は、様々な材料のブレークダウン場を、大きさの昇順で並べ替えたものである。Ｖ_Ｂ＝１０Ｖの印加バイアスでアバランシェブレークダウンを促進するために必要な２つの平行電極間の分離がリストされている。

表１．ブレークダウン場とバンドギャップ。大きさの昇順で並べ替えられ、選択された材料のブレークダウン場が一覧表示される。各材料について、Ｖ_Ｂ＝１０Ｖでのアバランシェブレークダウンと印加バイアスを促進するために必要な２つの平行電極間の分離が、ｅＶおよびｎｍの単位での材料のバンドギャップとともにリストされている。^＊は、材料に間接バンドギャップを有することを示している。

幾何学的場増強の例

一例としてのみ、電極間隔がｄ＝１μｍのＧａＡｓデバイスの場合、（７）からＶ_Ｂ＝１０Ｖでブレークダウンを達成するには、α≧４の場の大きさが必要である。これは、２Ｄでは、半径Ｒ＝１６ｎｍに対応するｄｋ＝６４の相対曲率で電極に近づくことで実現される。

実験結果

デバイスは、半絶縁性ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）から製造されており、低電圧（例えば、１０Ｖ以下）でアバランシェブレークダウンを起こし、増幅なしで、応答時間が１００ｐｓ未満の室温の低レベル光検出を実行できることが証明されている。

実施の一般原理

次に、本開示の光検出器デバイスの動作の一般原理について説明する。これらの原理は、上記の図２〜図８で説明した全てのデバイスに適用できる。一般的に言えば、電荷キャリアは、入射光子の吸収と熱励起の両方によって吸収領域で生成され、前者が望ましく、後者は望ましくない。吸収された光子は、吸収体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する。ここで、吸収体は、特定の用途に合うように選択できるが、不要な熱的に生成されたキャリアは、バンドギャップの小さい材料ではより問題になるという条件がある。

生成されたキャリアは、以下に依存するアバランシェブレークダウンを開始する可能性がある。

１．それらの生成の場所。散乱プロセスに依存するが、キャリアは、電界ベクトルと平行に移動する傾向がある。キャリアの経路がアバランシェ領域に遭遇せずに電極に到達した場合、アバランシェは発生しない。

２．印加されたバイアス、および吸収体のブレークダウン場値。電界の形状は、印加電圧に依存しないが、その大きさは、そうではない。より大きな電圧は、より大きなアバランシェ領域を与え、より多くの生成されたキャリアがアバランシェ電流に寄与することを可能にする。同様に、ブレークダウン場が低いと、アバランシェボリュームが小さくなる。

３．外部または統合デバイスを使用しているかどうかにかかわらず、印加された電界または磁界、または磁性またはスピンホール効果を示す吸収領域によって生成されるような場。電界は、吸収体領域の電界を乱し、磁気効果は、移動するキャリアを偏向させる。

周期的バイアスの上記のブレークダウン部分（ゲートガイガーモード動作）中にキャリアがアバランシェ領域に到達すると、それは、衝突電離を通じて、それ自体に寄与するものに加えて電流を生成する。キャリアがアバランシェを起こさずに電極に到達した場合、この増幅効果はない。したがって、電界分布から、キャリア生成がアバランシェ増倍によって測定可能な信号につながる吸収体のボリュームを定義できる。このボリュームを検出領域と指定する。したがって、デバイスは、目的の波長の光子が検出領域で吸収されるように設計する必要がある。特徴的な吸収深度は、このボリュームを通過する光子の割合を許容できる程度まで減らすように最適化する必要がある。検出領域は、アバランシェ領域のサブセットである。

熱的に生成されたキャリアは、不要な暗電流の発生源であり、デバイスの動作を制限する要因である。重要な観察は、全ての吸収体材料は、有限のキャリア熱生成率を有しているが、検出領域内で生成されたものだけがデバイス電極に到達すると増幅されるということである。したがって、少なくとも原則として、デバイスに電気的絶縁を提供する必要はない。

開示されたデバイスの製造または実現

次に、開示された光検出器の製造について説明する。以下のコメントは、本開示で論じられる全てのデバイス（図２から図８）に適用可能である。デバイスは、多くの方法で作られ得る。その最も単純な構成は、吸収体材料の表面に直接２つ以上の電極を形成し、それらの電極を外部制御回路に接続することである。電極は、金属または金属多層であり得るが、ポリシリコンまたは吸収体の成長中に形成された１つまたは複数の層などの半導体であり得る。必要な条件は、デバイスが電気抵抗または中間絶縁層によって大幅に劣化しないこと、および導体のフェルミ準位が、接点からのキャリア注入が重要にならないように、バンドギャップ内のポイントで吸収体材料のバンド構造と整列する必要があることである。吸収体（または吸収領域）自体は、以下に説明する理由により、電気キャリアをできるだけ排除することを目的としているが、幾何学的増強の原理も、キャリアリッチ領域によって分離されたショットキータイプの接点に適用できるが、実用性は、低くなる。ペルチェデバイスを使用したサンプルの冷却は、実用的である可能性があり、低エネルギーの光子を検出したり、非常に低い光子束を検出したりするには、極低温技術が必要になる場合がある。

最も単純なタイプのデバイスは、レジストと適切な露光および現像を使用する標準的なリソグラフィー技術によって製造できる。一般的に言えば、これを行うためのテクニックは次の通りである。

１．リフトオフ。通常は金属または金属の多層である接触材料が、リソグラフィーでパターン化された表面に堆積される。レジストは、化学的に除去され、接触材料は、目的の領域にのみ残される。ここでの堆積は、抵抗性熱または電子ビーム蒸発などの指向性の高い技術に最適であり、材料の選択に技術的な制限があるが、多くの場合、金属に理想的である。

２．エッチングバック。表面全体に接触材料の層を形成し、続いてリソグラフィーと不要な材料の化学的またはプラズマエッチングを行う。蒸発堆積、分子線や化学エピタキシーなどのその場エピタキシャル成長、またはスパッタ堆積を含む、多くの技術が層堆積に適している。

一般に、デバイス表面からの光子の反射は、検出効率を低下させる。これは、反射防止コーティングまたは層を含む技術によって対処できる。同様に、埋め込まれた反射器スタックを使用して、そうでなければ検出領域を超えて移動するであろう光子を反射できる。

上記の（または他の）プロセスを使用して吸収体をパターン化することにより、デバイス内の電界プロファイルを調整することが有用な場合がある。堆積前の吸収体（または吸収領域）のエッチングにより、接点を窪ませて検出可能なボリュームを最適化できる。この種の構造では、検出領域の厚さが増強される。これは、キャリアが場プロファイルによって表面から引き離されるため、表面の再結合が問題になる場合にも役立つ。

アバランシェの前にキャリアを再結合すると、応答性と検出効率が低下し、キャリアがデバイスを通過するのにかかる時間が帯域幅を制限する可能性がある。しかしながら、本デバイスでは、絶縁性または真性半導体材料の使用は、両方を改善する。自由キャリアの不足は、再結合を強力に阻害し、導体とドープされた半導体の電界を制限するスクリーニング効果を低減し、より高いドリフト速度、したがって、より速い通過とより高い帯域幅をもたらす。

暗電流は、ある種の絶縁が望ましいほど十分に大きい可能性がある。これを達成する方法は、検出領域の下にギャップの広いバリア層を組み込み、キャリアのバルク生成を最小限に抑え、および／またはそれらのキャリアの表面への進行をブロックすることである。これは、接点の可能な限り大きな領域がバリア材料上にあるように吸収体をメサエッチングすることによってさらに改善できる。犠牲埋め込み層のエッチングによる除去、基板全体の薄化、または吸収体として自立型薄膜を使用することも同様の効果をもたらす可能性がある。

上記または図に示されている全てのドーピング極性および／または電圧極性を逆にでき、結果として得られるデバイスは、依然として本開示に従っていることが理解されよう。

当業者は、前述の説明および添付の請求の範囲において、「上」、「重複」、「下」、「横方向」、「垂直」などの位置用語が、標準的な断面図を示すものおよび添付の図面に示されるものなどの光検出器デバイスの概念図を参照して作成されることを理解するであろう。これらの用語は参照を容易にするために使用されているが、性質を制限することを意図したものではない。したがって、これらの用語は、添付の図面に示されている方向にあるときの光検出器を指すものとして理解されるべきである。

本発明は、上記の好ましい実施形態に関して説明されてきたが、これらの実施形態は例示にすぎず、請求の範囲は、これらの実施形態に限定されないことを理解されたい。当業者は、添付の請求の範囲内にあると考えられる開示を考慮して、修正および代替を行うことができるであろう。本明細書に開示または図示されている各特徴は、単独で、または本明細書に開示または図示されている他の特徴との適切な組み合わせであるかどうかにかかわらず、本発明に組み込むことができる。

Claims (24)

1. 光検出器であって、
   光子が吸収される少なくとも１つの吸収領域と、
   前記少なくとも１つの吸収領域上に配置された複数の電極であって、前記複数の電極は、互いに離間している、複数の電極と、を備え、
   使用中、前記複数の電極のうちの少なくとも１つの電極の幾何学は、アバランシェ増倍が少なくとも１つの電極の近くで発生するのに必要な大きさの電界の形成を増強するように選択される、光検出器。
2. 前記少なくとも１つの吸収領域は、所定の材料を備え、前記アバランシェ増倍は、前記所定の材料内で起こる、請求項１に記載の光検出器。
3. 前記アバランシェ増倍は、少なくとも１つの電極と少なくとも１つの吸収領域との間の表面の近くで起こる、請求項１または２に記載の光検出器。
4. 前記少なくとも１つの吸収領域は、少数または全くドーパントを有さないアバランシェ領域を備え、前記アバランシェ増倍は、前記アバランシェ領域で起こる、請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の光検出器。
5. 前記アバランシェ増倍を達成するために、少なくとも１つの電極の形状および配置が選択される、請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の光検出器。
6. 前記アバランシェ増倍を達成するために、少なくとも２つの電極間の距離が選択される、請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の光検出器。
7. 前記アバランシェ増倍を達成するために、少なくとも１つの電極の曲率が選択される、請求項１ないし６のうちいずれか１項に記載の光検出器。
8. 前記アバランシェ増倍を達成するために、少なくとも１つの電極の相対曲率が変化し、前記相対曲率は、少なくとも２つの電極間の距離と前記少なくとも１つの電極の半径値との比から導出される、請求項１ないし７のうちいずれか１項に記載の光検出器。
9. 前記少なくとも１つの電極の曲率が増加するにつれて、電界の大きさの増強の程度が増加する、請求項１ないし８のうちいずれか１項に記載の光検出器。
10. 少なくとも２つの電極間にバイアスが印加されると、前記少なくとも２つの電極の近くで電界が増強され、前記少なくとも２つの電極間の領域で電界が実質的に減少する、請求項１ないし９のうちいずれか１項に記載の光検出器。
11. 前記アバランシェ増倍は、約１０Ｖ以下で達成される、請求項１ないし１０のうちいずれか１項に記載の光検出器。
12. 前記アバランシェ増倍は、室温で起こる、請求項１ないし１１のうちいずれか１項に記載の光検出器。
13. 前記光検出器は、単一光子光検出器である、請求項１ないし１２のうちいずれか１項に記載の光検出器。
14. 前記複数の電極のうちの少なくともいくつかは、対称である、請求項１ないし１３のうちいずれか１項に記載の光検出器。
15. 前記複数の電極のうちの少なくともいくつかは、非対称である、請求項１ないし１３のうちいずれか１項に記載の光検出器。
16. 前記複数の電極のうちの少なくともいくつかは、透明である、請求項１ないし１５のうちいずれか１項に記載の光検出器。
17. 前記複数の電極のうちの少なくともいくつかは、デバイス表面のレベルより下に窪んでいる、請求項１ないし１６のうちいずれか１項に記載の光検出器。
18. 前記複数の電極のうちの少なくともいくつかは、制御回路に接続されている、請求項１ないし１７のうちいずれか１項に記載の光検出器。
19. 前記複数の電極は、金属、金属多層、ポリシリコン、および吸収領域の成長中に形成された１つまたは複数の層のうちの任意の１つまたは複数を備える、請求項１ないし１８のうちいずれか１項に記載の光検出器。
20. 前記光検出器は、反射防止コーティングまたは反射防止層をさらに備える、請求項１ないし１９のうちいずれか１項に記載の光検出器。
21. 前記光検出器は、光子を反射して吸収領域に戻すための埋め込み反射層をさらに備える、請求項１ないし２０のうちいずれか１項に記載の光検出器。
22. 前記光検出器は、アバランシェ領域内の検出領域および検出領域の下のバリア層をさらに備える、請求項４ないし１９のうちいずれか１項に記載の光検出器。
23. 前記バリア層は、より広いギャップのバリア層である、請求項２２に記載の光検出器。
24. 光検出器を製造する方法であって、前記方法は、
    光子が吸収される少なくとも１つの吸収領域を形成するステップと、
    前記少なくとも１つの吸収領域上に配置された複数の電極を堆積するステップであって、前記複数の電極は、互いに離間されている、ステップと、
    前記複数の電極のうちの少なくとも１つの電極の幾何学を選択して、アバランシェ増倍が少なくとも１つの電極の近くで発生するのに必要な大きさの電界の形成を増強するステップと、
    を含む方法。

Images