知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ ザ ユニバーシティー コート オブ ザ ユニバーシティー オブ グラスゴーの特許一覧 ▶ ヘリオット−ワット・ユニバーシティの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-10
(45)【発行日】2024-06-18
(54)【発明の名称】単一光子アバランシェ検出器、その使用方法および製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 31/107 20060101AFI20240611BHJP
G01J 1/02 20060101ALI20240611BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 B
G01J1/02 B
【請求項の数】
19
(21)【出願番号】P 2021537517
(86)(22)【出願日】2019-09-09
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-04
(86)【国際出願番号】 GB2019052508
(87)【国際公開番号】W WO2020053564
(87)【国際公開日】2020-03-19
【審査請求日】2022-09-01
(31)【優先権主張番号】1814688.6
(32)【優先日】2018-09-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(73)【特許権者】
【識別番号】301008419
【氏名又は名称】ザ ユニバーシティー コート オブ ザ ユニバーシティー オブ グラスゴー
(73)【特許権者】
【識別番号】505469481
【氏名又は名称】ヘリオット－ワット・ユニバーシティ
【氏名又は名称原語表記】Ｈｅｒｉｏｔ－Ｗａｔｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ポール、ダグラス ジョン
(72)【発明者】
【氏名】デュマス、デレク
(72)【発明者】
【氏名】キルドダ、ヤロスロウ
(72)【発明者】
【氏名】ミラー、ロス ダブリュ
(72)【発明者】
【氏名】ミルザ、ムハマド エム
(72)【発明者】
【氏名】ブラー、ジェラルド エス
(72)【発明者】
【氏名】ヴァインズ、ピーター
(72)【発明者】
【氏名】クズメンコ、カテリーナ
【審査官】吉岡 一也
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０３２６２５９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／００２８４４３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１７２５２５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－２１３３６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３００８３８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－２０７２３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５８－０９１６８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０５７２０１２９（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／０２－３１／０３９２，３１／０８－３１／１１９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ｎ型半導体接触層上に形成されたＳｉベースのアバランシェ層と、アバランシェ層の中または上に形成された、面内幅を有するｐ型電荷シート層と、
電荷シート層および／またはアバランシェ層の上に、電荷シート層と重なるように形成された、面内幅を有するＧｅベースの吸収層と
を備える、単一光子アバランシェダイオードデバイス（ＳＰＡＤ）であって、
少なくとも１つの表面内方向において、前記Ｇｅベースの吸収層の前記面内幅は、前記ｐ型電荷シート層の前記面内幅より大きい
ＳＰＡＤデバイス。
【請求項2】
すべての表面内方向において、前記Ｇｅベースの吸収層の前記面内幅が前記ｐ型電荷シート層の前記面内幅より大きい、請求項１に記載のＳＰＡＤデバイス。
【請求項3】
前記Ｇｅベースの吸収層上に形成された、面内幅を有するｐ型半導体接触層をさらに備え、前記ｐ型半導体接触層の少なくとも一部が、前記ｐ型電荷シート層の少なくとも一部の実質的に上方に形成され、その間に前記Ｇｅベースの吸収層が介在している
請求項１または請求項２に記載のＳＰＡＤデバイス。
【請求項4】
少なくとも１つの表面内方向において、前記Ｇｅベースの吸収層の前記面内幅が、前記ｐ型半導体接触層の前記面内幅より大きい、請求項３に記載のＳＰＡＤデバイス。
【請求項5】
すべての表面内方向において、前記Ｇｅベースの吸収層の前記面内幅が、前記ｐ型半導体接触層の前記面内幅より大きい、請求項３に記載のＳＰＡＤデバイス。
【請求項6】
すべての表面内方向において、前記Ｇｅベースの吸収層の前記面内幅が、前記ｐ型半導体接触層の前記面内幅より大きく、かつ前記ｐ型電荷シート層の前記面内幅より大きい、請求項３に記載のＳＰＡＤデバイス。
【請求項7】
前記ｐ型半導体接触層全体が、前記ｐ型電荷シート層の少なくとも一部の実質的に上方に形成された、請求項３から６のいずれか一項に記載のＳＰＡＤデバイス。
【請求項8】
前記Ｇｅベースの吸収層は、前記表面内方向に側壁を有し、前記電荷シート層は、前記表面内方向に横方向縁部を有し、かつ（ａ）前記Ｇｅベースの吸収層が少なくとも１μｍの厚さを有する場合、前記電荷シート層の前記横方向縁部と前記Ｇｅベースの吸収層の前記側壁との間の前記表面内方向の距離は、前記Ｇｅベースの吸収層の前記厚さより少なくとも１μｍ大きい、または
（ｂ）前記Ｇｅベースの吸収層の厚みが１μｍ未満の場合、前記電荷シート層の前記横方向縁部と前記Ｇｅベースの吸収層の前記側壁との間の前記表面内方向の距離は、少なくとも１μｍである、
請求項１から７のいずれか一項に記載のＳＰＡＤデバイス。
【請求項9】
前記電荷シート層の横方向縁部と前記Ｇｅベースの吸収層の側壁との間の前記表面内方向の距離は、少なくとも５μｍである、請求項１から８のいずれか一項に記載のＳＰＡＤデバイス。
【請求項10】
前記ｐ型半導体接触層は、前記表面内方向に横方向縁部を有し、前記電荷シート層は、前記表面内方向に横方向縁部を有し、かつ（ｃ）前記電荷シート層の幅が２５μｍ以上の場合、前記電荷シート層の前記横方向縁部と前記ｐ型半導体接触層の前記横方向縁部との間の前記表面内方向の距離が２μｍ以上である、または
（ｄ）前記電荷シート層の幅が２５μｍ未満の場合、前記電荷シート層の前記横方向縁部と前記ｐ型半導体接触層の前記横方向縁部との間の前記表面内方向の距離は、少なくとも１μｍである、
請求項３から７、または請求項３から７のいずれか一項に従属する請求項８から９のいずれか一項に記載のＳＰＡＤデバイス。
【請求項11】
前記電荷シート層は、前記Ｓｉベースのアバランシェ層の表面から１０～１００ｎｍの範囲の深さで最大ドーピング濃度を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＳＰＡＤデバイス。
【請求項12】
請求項１から１１のいずれか一項に記載のＳＰＡＤデバイスをそれぞれ少なくとも１×２で配列し、共通の基板上に形成された、ＳＰＡＤアレイ。
【請求項13】
隣接するＳＰＡＤデバイスのそれぞれのＧｅベースの吸収層は、（ｉ）隣接するＳＰＡＤデバイスのそれぞれのＧｅベースの吸収層を形成するため、少なくとも前記ｐ型電荷シート層の深さまで、連続した前記Ｇｅベースの吸収層がエッチングされた空間によって、または
（ｉｉ）隣接するＳＰＡＤデバイスのそれぞれのＧｅベースの吸収層を形成するため、少なくとも前記ｐ型電荷シート層の深さまで、連続した前記Ｇｅベースの吸収層のドーピングされた部分によって、または
（ｉｉｉ）隣接するＳＰＡＤデバイスのそれぞれのＧｅ吸収層を形成するため、パターン化された電気絶縁層内で選択的に成長されたそれぞれの前記Ｇｅベースの吸収層とすることによって、
横方向に隔離された、請求項１２に記載のＳＰＡＤアレイ。
【請求項14】
０．９～２．０μｍの範囲の波長の光を発する光源と、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＳＰＡＤデバイス、または請求項１２から１３のいずれか一項に記載のＳＰＡＤアレイとを備える、ＬＩＤＡＲシステム。
【請求項15】
０．９～２．０μｍの範囲の波長を有する少なくとも１つの光子の検出における、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＳＰＡＤデバイス、または請求項１２から１３のいずれか一項に記載のＳＰＡＤアレイの使用。
【請求項16】
請求項１から１１のいずれか一項に記載のＳＰＡＤデバイスを製造する方法であって、前記ｐ型電荷シート層が、前記Ｓｉベースのアバランシェ層へのドーパントの選択エリア注入により形成される、ＳＰＡＤデバイスを製造する方法。
【請求項17】
前記電荷シート層は、Ｇｅベースの吸収層の堆積前に８５０℃以上の温度でアニールされて活性化される、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
Ｇｅベースの吸収層の少なくとも１つの上面および／または側面がパッシベーションされる、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項19】
前記パッシベーションは、熱成長したＧｅＯ２層により提供され、Ａｌ２Ｏ３層で保護される、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）に関し、特に、排他的ではないが、１３００～１６００ｎｍ（ＳＷＩＲ）または１７００ｎｍの間の波長で動作するように設計された単一光子アバランシェ検出器に関する。本発明は、そのような検出器のアレイに加え、そのような検出器またはアレイの使用方法、およびそのような検出器またはアレイの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
波長１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの単一光子検出器は、量子光学、量子拡張イメージング、光ファイバによる量子通信、自動車や自律走行車のＬＩＤＡＲ（光検出及び測距、ＬＩＤＡＲ：Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）など、幅広い応用で必要とされている。イメージングと距離測定の応用では、１５００～１６００ｎｍの波長での動作が特に重要である。この波長は、スペクトルの可視部分を含む短波長に比べて、水蒸気が光を強く吸収または散乱しない大気のウィンドウである。煙［５４］、スモッグ［１５］、霧やヘイズ［１６］は、すべてこのウィンドウでは可視光に比べて透明度が向上する。可視波長のバックグラウンド信号として機能する太陽放射は、可視波長から１５５０ｎｍで大幅に低減する［１４］。１４００ｎｍ超の波長では、可視光および近赤外光に比べてレーザの安全閾値が高くなるため［１３］、ＬＩＤＡＲなどの活性システムの光源の光パワーも、波長１５５０ｎｍでは可視光の波長に比べて少なくとも２０倍以上増加し、システムの信号対雑音比を向上させることができる。そのため、１５５０ｎｍでのＬＩＤＡＲの性能は、可視波長と比べて、特に多くの不明瞭なものが存在する場合には、大幅に向上する。
【0003】
２０１６年のＬＩＤＡＲ市場は５億８、０００万ドル規模（主に地理情報システムに加え、ＣＭＯＳイメージセンサとロボティクスが約市場の４０％を占める軍事システム）であったが、２０２２年には１２億ドル規模に成長し、自動車用ＬＩＤＡＲが市場の１６％を占めるようになるとの報告もある。ＵＳ５０ドルの自動車用ＬＩＤＡＲシステムを提供できるようになれば、商業的にも大きな利益が得られる。すでに自動車および自律走行車向けに、オールＳｉの光検出器を利用した可視光または可視光に近い光（例えば、９０５ｎｍまたは９４０ｎｍ）のＬＩＤＡＲシステムが多数入手可能である。
【0004】
市販されているシリコンＣＭＯＳ ＳＰＡＤは、９４０ｎｍまでの可視光で動作するが、Ｓｉの間接バンドギャップのため、単一光子検出効率（ＳＰＤＥ）は低い（１０％以下）［１２］。現在、波長１３１０～１５５０ｎｍの単一光子検出器として市販されているのは、２３３Ｋでペルチェ冷却器を使用して動作するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤデバイスのみで、価格は１ピクセルモジュールで約２万ポンドである。これらのＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤデバイスのイメージングアレイは１０万ポンド以上かかり、ＩＴＡＲ（米国の規制制度）で制限されている。８Ｋ未満の極低温動作が必要な超伝導単一光子検出器もそれぞれ通常単価８万ポンドで市販されているが、極低温冷却器は大型で、かなりの電力を必要とするため、持ち運び可能な応用での使用機能が制限されている。どちらの技術も高価である間に、特に自動車および自律走行車の市場では、一般的に低価格（ＵＳ５０ドル程度）のシステムが求められており、現在の技術では大量生産しても到達することは極めて困難である。
【0005】
上記のような市場で必要とされる性能を備えた安価な製品を量産するように、大量製造できる単一光子検出器デバイスを生産できることが望ましい。
【0006】
本発明は、以上の検討を踏まえて考案されたものである。
【発明の概要】
【0007】
本発明の発明者らは、平面Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤアーキテクチャを使用することで、意義深い性能が得られる可能性があることに気付いた。これは、本発明の一般的な態様を構成している。これにより、安価なＧｅ－ｏｎ－Ｓｉプラットフォームを利用しながら、Ｇｅ吸収層の電界を横方向に閉じ込めることで、メサ型平面Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤアーキテクチャよりも性能が向上できると考えられる。
【0008】
したがって、本発明は好ましく第１の態様において、ｎ型半導体接触層上に形成されたＳｉベースのアバランシェ層と、アバランシェ層の中または上に形成された、面内幅を有するｐ型電荷シート層と、電荷シート層および／またはアバランシェ層の上に、電荷シート層と重なるように形成された、面内幅を有するＧｅベースの吸収層とを備える単一光子アバランシェダイオードデバイス（ＳＰＡＤ）であって、少なくとも１つの表面内方向において、前記Ｇｅベースの吸収層の前記面内幅は、前記ｐ型電荷シート層の前記面内幅より大きいＳＰＡＤデバイスを提供する。
【0009】
本発明は好ましく第２の態様において、第１の態様にそれぞれ係るＳＰＡＤデバイスを少なくとも１×２で配列し、共通の基板上に形成したＳＰＡＤアレイを提供する。
【0010】
本発明は好ましく第３の態様において、１．３～１．６μｍの範囲の波長の光を発する光源と、第１の態様に係るＳＰＡＤデバイス、または第２の態様に係るＳＰＡＤアレイとを備える、ＬＩＤＡＲシステムを提供する。
【0011】
本発明は好ましく第４の態様において、第１の態様に係るＳＰＡＤデバイス、または０．９～２．０μｍの範囲の波長を有する少なくとも１つの光子の検出における、第２の態様に係るＳＰＡＤアレイの使用を提供する。第１の態様に係るＳＰＡＤデバイスまたは第２の態様に係るＳＰＡＤアレイは、１．３～１．６μｍの範囲の波長を持つ少なくとも１つの光子の検出における使用されてよい。
【0012】
本発明は好ましく第５の態様において、第１の態様に係るＳＰＡＤデバイス、または第２の態様に係るＳＰＡＤアレイを製造する方法であって、前記ｐ型電荷シート層が、Ｓｉベースのアバランシェ層への選択エリア注入によって形成される製造する方法を提供する。
【0013】
ここで、本発明の任意の特徴を説明する。
【0014】
好ましくは、すべての表面内方向において、Ｇｅベースの吸収層の面内幅は、ｐ型電荷シート層の面内幅よりも大きいことである。これにより、デバイス内の電界分布が適切になり、１または複数の領域での「ホットスポット」を回避することが確実にできる。また、側壁の表面状態による暗計数率（ＤＣＲ）への寄与を低減または回避することもできる。
【0015】
ＳＰＡＤデバイスは、前記Ｇｅベースの吸収層上に形成された、面内幅を有するｐ型半導体接触層をさらに備えてよく、前記ｐ型半導体接触層の少なくとも一部が、前記ｐ型電荷シート層の少なくとも一部の実質的に上方に形成され、その間に前記Ｇｅベースの吸収層が介在してよい。
【0016】
この場合、好ましくは、少なくとも１つの表面内方向において、Ｇｅベースの吸収層の面内幅がｐ型半導体接触層の面内幅よりも大きい。より好ましくは、すべての表面内方向において、前記Ｇｅベースの吸収層の前記面内幅が、前記ｐ型半導体接触層の前記面内幅より大きく、かつ前記ｐ型電荷シート層の前記面内幅より大きい。
【0017】
好ましくは、前記ｐ型半導体接触層全体が、前記ｐ型電荷シート層の少なくとも一部の実質的に上方に形成される。代替的に、ｐ型半導体接触層の少なくとも一部が、ｐ型電荷シート層全体の実質的に上方に形成されていることが好ましい。
【0018】
前記Ｇｅベースの吸収体は、表面内方向に側壁を有してよい。また、電荷シート層は、前記表面内方向に横方向縁部を有してよい。また、Ｇｅベースの吸収体の厚さが１μｍ以上の場合、電荷シート層の横方向縁部とＧｅベースの吸収体の側壁との間の表面内方向の距離は、Ｇｅベースの吸収体の厚さよりも１μｍ以上大きいことが好ましい。これにより、上述および後述の説明された技術的利点を得るために、Ｇｅベースの吸収体をｐ型電荷シート層の上に適切に重ならせることができると考えられる。
【0019】
代替的に、Ｇｅベースの吸収体の厚さが１μｍ未満の場合、電荷シート層の横方向縁部とＧｅベースの吸収体の側壁との間の表面内方向の距離は、１μｍ以上であってよい。
【0020】
いくつかの実施形態において、電荷シート層の横方向縁部とＧｅベースの吸収体の側壁との間の表面内方向の距離は、少なくとも５μｍである。
【0021】
いくつかの実施形態において、電荷シートの幅が少なくとも２５μｍである場合、電荷シート層の横方向縁部とｐ型半導体接触層の横方向縁部との間の表面内方向の距離は少なくとも２μｍであってよい。代替的に、電荷シートの幅が２５μｍ未満の場合、電荷シート層の横方向縁部とｐ型半導体接触層の横方向縁部との間の表面内方向の距離は、少なくとも１μｍであってよい。
【0022】
本開示では、デバイスの表面内方向の寸法を示すために、一般的に「幅」という表現を使用している。表面内方向とは、デバイスを形成する基板（代表的には単結晶Ｓｉ基板）の主面に平行な方向である。「直径」という表現は、デバイスの特定の特徴の幅を示すために使用され、典型的には島状構成を有する特徴である。「直径」という表現の使用は、必ずしもその特徴が平面視で円形であることを（可能であり、場合によってはそれが望ましいことにかかわらずに）示すものではない。この特徴は、平面視で正方形、長方形、丸みを帯びた正方形または丸みを帯びた長方形、楕円形、レーストラック、またはその他の同等の形状を有しており、その「直径」は関心のある表面内方向の幅を示すことを意図してよい。
【0023】
電荷シート層は、通常、Ｓｉベースのアバランシェ層の表面からの深さに応じて変化するドーピング濃度を有している。そのため、最大ドーピング濃度の深さに相当する深さを特定することができる。好ましくは、電荷シート層は、Ｓｉベースのアバランシェ層の表面から３０～１００ｎｍの範囲の深さに最大のドーピング濃度を有する。この構成により、ドーパントが表面に拡散して失われるのを防ぎ、したがってＧｅベースの吸収層の堆積前に洗浄することができると考えられる。
【0024】
Ｓｉベースのアバランシェ層は、少なくとも０．５μｍの厚さであってよい。好ましくは、少なくとも１μｍの厚さであり、最大２μｍの厚さであってよい。
【0025】
Ｓｉベースのアバランシェ層はｉ－Ｓｉでよい。
【0026】
また、ｎ型半導体接触層は、ｎ＋＋Ｓｉであってよい。
【0027】
Ｇｅベースの吸収体はｉ－Ｇｅであってよい。Ｇｅベースの吸収体は、ｉ－Ｇｅを含めてよい。Ｇｅベースの吸収体は、８０％以上のＧｅ、８５％以上のＧｅ、９０％以上のＧｅ、９５％以上のＧｅ、または９９％以上のＧｅを含めてよい。Ｇｅベースの吸収体は、Ｇｅ合金ベースの吸収層であってよい。Ge合金ベースの吸収体は、ＧｅとＳｎ（スズ）、Ｓｉ（シリコン）またはＣ（カーボン）の合金を含めてよい。例えば、Ge合金ベースの吸収体は、ＧｅｘＳｉ１－ｘ、Ｇｅ１－ｘＳｎｘ、ＧｅｘＳｉ１－ｘ－ｙＳｎｙ、またはＳｉ１－ｘＧｅｘＣｙを含んでよい。ｐ型半導体接触層は、１０～１００ｎｍの範囲の厚さを有してよい。
【0028】
また、ｐ型半導体接触層は、ｐ＋＋Ｇｅであってよい。
【0029】
また、Ｇｅベースの吸収層の少なくとも１つの上面および／または側面がパッシベーション化されてよい。このパッシベーションは、ＧｅＯ２層に提供されてよい。これは、例えば、熱成長してよい。ＧｅＯ２層はＡｌ２Ｏ３層で保護されてよい。適切なＡｌ２Ｏ３層は、原子層堆積法によって堆積されてよい。Ａｌ２Ｏ３層は、ＧｅＯ２層が大気中の水分によってエッチングされるのを防ぐことができてよい。
【0030】
電荷シート層の横方向縁部は、電荷シート層の最大ドーパント濃度からアバランシェ層のドーパント濃度までの表面内距離に応じて変化するドーパント濃度のプロットにおいて、電荷シート層の最大ドーパント濃度の０．５倍の位置と定義することができる。
【0031】
通常、ｐ型半導体接触層はリソグラフィによって形成される。接触層は、エッチングまたは注入により形成されてよい。なお、ｐ型半導体接触層の横方向縁部は、Ｇｅベースの吸収層からのｐ型半導体接触層の最大高さの半分に相当する横方向位置と定義してよい。
【0032】
好ましくは、Ｇｅベースの吸収体は、少なくとも１つの表面内方向に側壁を有し、Ｇｅベースの吸収体の幅は、１つの側壁から別の側壁まで測定可能である。
【0033】
一般的には、デバイスはＳＡＣＭ（Ａｓｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｃｈａｒｇｅ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ）アーキテクチャを有することが好ましい。
【0034】
好ましくは、１００Ｋでの暗計数率（ＤＣＲ）が１００カウント/秒/μｍ２未満のデバイスである。
【0035】
好ましくは、このデバイスは、波長１．３～１．４５μｍの光子に対して、１００Ｋで１０％以上の単一光子検出効率（ＳＰＤＥ）を有する。
【0036】
好ましくは、このデバイスは、７８Ｋで２×１０－１５Ｗ／Ｈｚ１／２以下のノイズ等価電力（ＮＥＰ）がを有する。
【0037】
好ましくは、このデバイスは、１００Ｋで３×１０－１５Ｗ／Ｈｚ１／２以下のノイズ等価電力（ＮＥＰ）を有する。
【0038】
好ましくは、このデバイスは、１２５Ｋで７×１０－１５Ｗ／Ｈｚ１／２以下のノイズ等価電力（ＮＥＰ）を有する。
【0039】
ＳＰＡＤアレイでは、ＳＰＡＤデバイスが平面的な構造を有することが好ましい。これは、メサアーキテクチャよりも優先される。
【0040】
ＳＰＡＤアレイでは、少なくとも２×２個のＳＰＡＤデバイス、少なくとも４×４個のＳＰＡＤデバイス、またはその任意の他の適切なＳＰＡＤデバイスのアレイを持つことが好ましく、イメージング用途のように多数のＳＰＡＤデバイスを含むことも可能である。
【0041】
ＳＰＡＤアレイにおいて、隣接するＳＰＡＤデバイスのそれぞれのＧｅベースの吸収層は、
（i）隣接するＳＰＡＤデバイスのそれぞれのＧｅベースの吸収層を形成するため、少なくとも前記ｐ型電荷シート層の深さまで、連続した前記Ｇｅベースの吸収層をエッチングすることによって、または
（ii）隣接するＳＰＡＤデバイスのそれぞれのＧｅベースの吸収層を形成するため、少なくとも前記ｐ型電荷シート層の深さまで、連続した前記Ｇｅベースの吸収層をドーピングすることによって、または
（iii）隣接するＳＰＡＤデバイスのそれぞれのＧｅ吸収層を形成するため、パターン化された電気絶縁層内でそれぞれの前記Ｇｅベースの吸収層を選択エリア成長させることによって、横方向に隔離されてよい。
（i）隣接するＳＰＡＤデバイスのそれぞれのＧｅベースの吸収層を形成するため、少なくとも前記ｐ型電荷シート層の深さまで、連続した前記Ｇｅベースの吸収層をエッチングすることによって、または
（ii）隣接するＳＰＡＤデバイスのそれぞれのＧｅベースの吸収層を形成するため、少なくとも前記ｐ型電荷シート層の深さまで、連続した前記Ｇｅベースの吸収層をドーピングすることによって、または
（iii）隣接するＳＰＡＤデバイスのそれぞれのＧｅ吸収層を形成するため、パターン化された電気絶縁層内でそれぞれの前記Ｇｅベースの吸収層を選択エリア成長させることによって、横方向に隔離されてよい。
【0042】
なお、（iii）については、Ｓｉ－Ｇｅヘテロ界面の転位密度を低減するため、選択エリア成長が有利になれる。
【0043】
ＳＰＡＤアレイ（またはＳＰＡＤデバイス）は、ペルチェ冷却器に取り付けられて用いられてよい。
【0044】
ＳＰＡＤデバイスを適切な動作温度に維持するため、ペルチェ冷却器を使用することが低コストの実施形態では好ましい。
【0045】
ＳＰＡＤデバイスは、０．９～２．０μｍの範囲、または１．３～１．７μｍの範囲の波長を有する少なくとも１つの光子を検出するために使用されることが好ましい。 本発明の発明者らは、１．７μｍまでの間接吸収テールに改善が見られることが確認された。
【0046】
使用時には、ＳＰＡＤと同様に、デバイスにそのアバランシェ降伏電圧超にバイアスをかける。 これは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と呼ばれる、関連するが別の種類である対照的デバイスである。 光子が検出された後、ＳＰＡＤデバイスは通常、バイアスを耐圧未満に低減することでクエンチされ、その後、バイアスを耐圧電圧超に増やすことでリセットされる。
【0047】
本発明のデバイスを製造する方法では、Ｇｅベースの吸収層を堆積する前に、８５０℃以上の温度でアニールすることにより、電荷シート層を活性化してよい。
【0048】
本発明は、そのような組み合わせが明らかに許されない、または明示的に回避される場合を除き、記載されている態様および好ましいまたは任意の特徴の組み合わせを含むものである。本発明のさらなる任意の特徴は、本開示の残りの部分に記載されている。
【0049】
本発明の好ましい実施形態では、ゲルマニウム・オン・シリコン単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）を、シリコン鋳造業を使用した平面プロセスで製造することができるという大きな利点が提供される。これにより、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）またはＭＥＭＳ（微小電気機械システム）鋳造業の製造技術が可能となり、同一ダイ上に電子部品を集積する可能性がある。詳細は後述するように、この新しい設計・製造方法により、１２５Ｋで１３１０ｎｍの単一光子検出効率（ＳＰＤＥ）が最大３８％になることが実証された。これは、これまでのＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤデバイスの中で最も優れたものと比較して、ほぼ数値を一桁向上した［２９］［２８］［３０］。直径１００μｍのデバイスは１７５Ｋまで動作し、サイズを小さくすることで、現在市販されているＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤデバイスで使用されているようなペルチェ冷却器での動作が可能になる。ＳＰＤＥの性能は、市販のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤと同等以上であるが、ＤＣＲは他のＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤよりもかなり低く［２９］、最先端のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤ［４４］よりもまだ高い。ＤＣＲはデバイスの面積にほぼ比例するため、より小径のデバイスにスケールアップすることでＤＣＲを有利に低減する。
【図面の簡単な説明】
【0050】
ここで、本発明の原理を示す実施形態および実験について、添付図面を参照して説明する。
【0051】
【図1】本発明の一実施形態に係る装置の概略図である。
【図2a】本発明の一実施形態に係るプレーナデバイス（設計１）の電界プロファイルをシミュレーションしたもを示す図である。
【図2b】本発明の一実施形態に係るプレーナデバイス（設計１）の電界プロファイルをシミュレーションしたもを示す図である。
【図3a】比較例のメサデバイス（設計２）の電界プロファイルをシミュレーションしたものを示す図である。
【図3b】比較例のメサデバイス（設計２）の電界プロファイルをシミュレーションしたものを示す図である。
【図5】７８Ｋにおける１３１０ｎｍの波長の光を照射したときの暗電流と光電流の応答を示す図である。２０Ｖではシート電荷層のパンチスルーが明らかである。
【図6】設計１の直径１００μｍのＧｅ ＳＰＡＤの７８Ｋ、波長１３１０ｎｍにおける単一光子検出効率（ＳＰＤＥ）と暗計数率（ＤＣＲ）を示す図である。メサデバイス（設計２）と比較してＤＣＲが７００分の１に低減していることを明示する。
【図7】設計１の直径１００μｍのＧｅ ＳＰＡＤの１００Ｋ、波長１３１０ｎｍにおける単一光子検出効率（ＳＰＤＥ）と暗計数率（ＤＣＲ）をを示す図である。メサデバイス（設計２）と比較してＤＣＲが７００分の１に低減していることを明示する。
【図8】設計１の直径１００μｍのＧｅ ＳＰＡＤの１２５Ｋ、波長１３１０ｎｍにおける単一光子検出効率（ＳＰＤＥ）と暗計数率（ＤＣＲ）をを示す図である。メサデバイス（設計２）と比較してＤＣＲが７００分の１に低減していることを明示する。
【図9】ＳｉＯ２マスクにエッチングされたウィンドウの内側にあるＳｉの上に、選択的に成長させたＧｅ吸収体の走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の画像である。一方、ＳｉとＧｅの間のヘテロ界面にはミスフィット転位（黒点）が明らかであるが、１０μｍ幅のＧｅピクセルには貫通転位は明らかではない。Ｓｉ層とＧｅ層の一部に見られる座屈は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）サンプルの形成過程で生じた残留ひずみによるものである
【図10】原子層堆積Ａｌ２Ｏ３保護キャップを用いた熱酸化による平坦なＧｅ表面上のＧｅＯ２パッシベーションプロセスの静電容量－電圧挙動を示す図である。
【図11】過剰バイアス５．５％、温度７８Ｋ、入射放射線λ＝１３１０ｎｍの条件で、直径１００μｍのＳＰＡＤのタイミングヒストグラムである。半値全幅（ＦＷＨＭ）のジッタは３１０ｐｓである。
【図12a】、直径１００μｍのＳＰＡＤの温度１２５Ｋ（四角）、１５０Ｋ（丸）、１７５Ｋ（三角）における入射波長の関数としての正規化ＳＰＤＥを示す図である。
【図12b】、直径１００μｍのＳＰＡＤの温度１２５Ｋ（四角）、１５０Ｋ（丸）、１７５Ｋ（三角）における入射波長の関数としての正規化ＳＰＤＥを示す図である。
【図13】Ｇｅの遮断波長の実験値（四角）と理論値（線）を温度の関数として示す図である。
【図14】厚さ２μｍのＧｅ吸収領域を持つＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤの推定遮断波長とフィッティングを示す図である。
【図15】直径１００μｍのＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤ（開いた四角）のアフターパルシング確率を、直径２５μｍの市販のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤ（閉じた四角）に比べ、λ＝１３１０ｎｍで測定し、ＳＰＤＥ１７％と温度１２５Ｋの条件で動作させたときのゲート遅延時間の関数として示す図である。
【図16】過剰バイアスが２．０％（黒四角）、２．５％（赤丸）、３．５％（青の上三角）および４．５％（ピンクの下三角）の場合に、Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤのアフターパルシング確率から抽出した時定数を１／ｋＴの関数として示す図である。
【図17】Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤの活性化エネルギーを過剰バイアスの関数として示す図である。
【図18】１２５ＫにおけるＧｅ－Ｓｉヘテロ界面のバンド構造を示す図であって、転位による閉じ込められた欠陥状態を示している（破線）。
【図19】単一光子特性評価機構を示す図である。黒い線は電気的接続を、赤い実線は光ファイバ接続を、赤い点線は自由空間光接続を示している。レーザスポットは、広帯域イメージングシステム（図示せず）を使用してＳＰＡＤの光学領域に向けられた。
【図20】設計１の直径１００μｍのＧｅ ＳＰＡＤと設計１の直径２６μｍのＧｅ ＳＰＡＤについて、７８Ｋ、１００Ｋ、１２５Ｋおよび１５０Ｋ、波長１３１０ｎｍにおける単一光子検出効率（ＳＰＤＥ）を示す図である。
【図21】設計１の直径１００μｍのＧｅ ＳＰＡＤと設計１の直径２６μｍのＧｅ ＳＰＡＤについて、７８Ｋ、１００Ｋ、１２５Ｋおよび１５０Ｋ、波長１３１０ｎｍにおける暗計数率（ＤＣＲ）を示す図である。
【図22】設計１の直径１００μｍのＧｅ ＳＰＡＤと設計１の直径２６μｍのＧｅ ＳＰＡＤのノイズ等価電力（ＮＥＰ）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0052】
ここで、本発明の態様および実施形態について、添付図面を参照して説明する。さらなる態様および実施形態は、当業者に対しては明らかである。本明細書において、文中に言及されたすべての文献の内容は、参照により組み込まれている。それらの文献は、説明の最後にリストアップされ、番号が付けられており、以下のテキストでは角括弧により示されている。
【0053】
［序章と概要］０．９μｍ～２．０μｍの波長領域でピコ秒分解能のタイミングアプリケーションに使用する新世代の平面Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）の設計、製造、特性評価を行った。この新規平面形状を採用することにより、このクラスの単一光子検出器の性能を大幅に向上させることができ、アバランシェ降伏を超える大きな過剰バイアスをかけることができ、その結果、１２５Ｋで、検出波長１３１０ｎｍの条件で３８％の単一光子検出効率（ＳＰＤＥ）を実現した。この波長領域で動作する他の半導体ベースの単一光子検出器と比較しても優れており、低暗計数率（ＤＣＲ）と相まって、Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤの記録的に低いノイズ等価電力（ＮＥＰ）である２×１０－１６ＷＨｚ－１／２を達成し、これまでの最良の結果に比べて５０倍の改善を達成した。初めて、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰとＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤとを同様の動作条件で比較したところ、Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤはアフターパルシング効果がかなり低く、非常に高い計数率での使用が可能であることが示されている。これらの結果は、安価なＧｅ－ｏｎ－Ｓｉプラットフォームを利用することで、アイセーフな自動車Oおよび自律走行車ＬＩＤＡＲ、及び、将来の量子技術利用の範囲内での利用のために、通信波長で動作する高効率、高計数率のＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤの大規模アレイの開発に向けたルートを提供する。
【0054】
室温に近いコンパクトな半導体ベースの単一光子検出器（ＳＰＡＤ）は、可視光および短波長赤外のスペクトル領域における様々な新興の応用分野で、光学的検出アプローチとして受け入れられているようになった［１］［２］［３］。ＳＰＡＤ検出器は、アバランシェ降伏を超える電界でバイアスされたガイガーモードのアバランシェフォトダイオードであって、ここで、入射した単一光子によって自立型アバランシェ電流が引き起こされることができる。光誘発アバランシェの後、次の検出事象の前に、検出器をリセットする、または「クエンチ」の必要がある。このような検出器は、通常、数百ピコ秒の時間的ジッタを持ち、高速の光過渡現象を超高感度で測定することができる。１μｍ未満の波長では、ＳｉベースのＳＰＡＤは、量子基盤の実験［４］およびファイバや自由空間での量子通信の実証実験［５］［６］を含む様々な量子フォトニック応用に使用されている。光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ：Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）などのより伝統的な応用分野でも、ＳｉベースのＳＰＡＤ検出器は、高感度とピコ秒の時間応答性により、射程距離の向上と表面間の分解能の改善を実現し、候補技術として浮上している［７］。Ｓｉ ＳＰＡＤ検出器は、標準的なＳｉ ＣＭＯＳプロセスと統合され、電子機器を内蔵した超高感度の大型検出器アレイを実現している［８］。この低コスト技術により、タイムオブフライトシステムは、自動車産業［９］［１０］［１１］およびスマートフォン産業［１２］への適用や開発が可能となった。
【0055】
ＳＰＡＤ検出器のスペクトル範囲を、ＳｉベースのＳＰＡＤの検出スペクトルを超えて短波長赤外（ＳＷＩＲ）領域に拡張することには、多数の明確な利点がある。まず、光ファイバの低損失通信ウィンドウとの互換性は、量子通信を含むほとんどのファイバベースの応用の基本要件である。次に、ＬＩＤＡＲや距離測定などの自由空間での応用では、眼の安全レーザ閾値のために、レーザ光源の光パワーは比較的低いレベルに制限されている。この閾値は、レーザの波長が８５０ｎｍから１５５０ｎｍに増大すると約２０倍に上昇し［１３］、活性イメージング応用において、眼の安全を維持しながら光パワーを向上させることができる。その結果、到達可能な最大範囲が大きくなり、および／または、深度分解能が向上する可能性がある。第３に、ほとんどの単一光子ＬＩＤＡＲシステムで通常バックグラウンドレベルとして機能する太陽放射は、ＳＷＩＲでは大幅に減少する［１４］。最後に、ＳＷＩＲでの動作は、特に煙、スモッグ［１５］、霧およびヘイズ［１６］などの不明瞭なものを通じた大気中の透過率を高めることになる。
【0056】
ＳＷＩＲ領域において、最も広く使用されている単一光子検出器は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤ、および超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）である［１］［２］。一般的に、ＳＮＳＰＤデバイスは優れた単一光子検出性能を持っているが、動作温度が通常３Ｋ未満の極低温であるため、特定の重要な応用分野での使用が制限されている。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤは、ＳＷＩＲ領域の主要な単一光子検出器であり、様々な量子通信実験、特に長距離量子鍵配布の実証実験に使用されている［１７］。最近、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤがＬＩＤＡＲやデプスプロファイリング実験に使用され、キロメーター範囲で良い効果を上げている［１８］［１９］。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤのアレイが開発され、通信波長で高性能な検出を実現している［２０］が、２次元アレイは、低コストで大量生産される自動車や自律走行車のＬＩＤＡＲ市場では高価になる可能性がある。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤの使用を困難にしている一つの問題は、後述するアフターパルシングの影響であり、多くの異なる応用状況において、これらのＳＰＡＤに対する可能な計数率を大幅に制限している。
【0057】
吸収層にＩｎＧａＡｓを使用する代わりに、半導体材料のＧｅを使用する方法がある。室温では、Ｇｅは１６５０ｎｍまでの波長の入射放射線に対して感度があり、Ｓｉ ＣＭＯＳ［２１］との集積化が可能で、電子機器集積化、高収率、低コストの量産が期待できる。これまで、Ｇｅのみで作製したＳＰＡＤは、時間分解フォトルミネッセンス［２２］など、実験室ベースの単一光子応用に使用されてきたが、Ｇｅの直接バンドギャップが約０．８ｅＶと狭いため、アバランシェのゲインはバンド間トンネリングによって制限されている。１２１０ｎｍの放射線を吸収するためにＳｉ０．７Ｇｅ０．３／Ｓｉ多重量子井戸を用いたＧｅ含有ＳＰＡＤは、Ｌｏｕｄｏｎらによって初めてＳｉアバランシェ領域を持つものが報告された［２３］。この検出器の効率と波長範囲は、比較的薄い歪んだ超格子の吸収層を使用することで制限されていた。この検出器は、短波長赤外域での効率が悪かったものの、ＳｉベースのＳＰＡＤ検出器におけるＳＡＣＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ、 Ｃｈａｒｇｅ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ）構造の別の初期の例であり、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤやアバランシェフォトダイオードで使用されていた以前のＳＡＣＭ設計と概念的に類似していた。Ｓｉ０．７Ｇｅ０．３吸収体領域では、トンネリングやインパクトイオン化を避けるために低電界とし、Ｓｉ増倍層では薄いＳｉチャージシートにより、より大きな電界を実現している。３００Ｋ（７８Ｋ）で３．６６ｅＶ（３．５３ｅＶ）という大きなＳｉ直接バンドギャップ［２４］は、高性能のＳＰＡＤに不可欠な高電界アバランシェ領域でのバンド間トンネリングによるノイズを大幅に低減する。この１０年間で、Ｓｉ基板上により厚いエピタキシャルＧｅ層を成長させることが可能になった。Ｋａｎｇらは、高ゲインの帯域幅製品で動作するモノリシックＧｅ－ｏｎ－Ｓｉアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を発表した［２５］。また、ＣＭＯＳ対応のＧｅ導波路型フォトダイオード［２６］およびＡＰＤ［２７］も開発されている。ガイガーモードのＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤは、Ｌｕら［２８］とＷａｒｂｕｒｔｏｎら［２９］によって発表された。後者では、１３１０ｎｍの検出波長を使用する１００Ｋで１×１０－１４ＷＨｚ－１／２のノイズ等価電力（ＮＥＰ）が報告された。より最近では、Ｍａｒｔｉｎｅｚらによって導波路型Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤが製造され［３０］、波長１３１０ｎｍ、８０Ｋでの単一光子検出効率（ＳＰＤＥ）が５．２７％であることが報告された。しかし、これらのＳＰＡＤは、いずれもＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤに十分に匹敵する性能を有しておらず、また、暗計数率が多くの応用で効果的に使用されることを阻止している。
【0058】
今まで、標準的な入射用Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤでは、デバイスの側壁が露出するメサ型設計が採用されていた。本発明の発明者らは、このような状況下では、表面効果のために検出器の性能が大きく制限され、暗計数率が非常に高くなることに気付いた。本発明の発明者らはさらに、高電界領域がいずれの側壁からも十分に離れた場所にある平面設計を使用することで、これらの制限を回避でき、高品質のパッシベーション層の要件を軽減できることに気付いた。本明細書において、初の垂直入射の平面型Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤを報告し、高性能な動作を実証する。Ｓｉ ＣＭＯＳと統合することで、低コストで高性能なＳＰＡＤアレイによるＳＷＩＲバンドのイメージングが明らかに可能になることを示す。
【0059】
設計、製造、特性評価の結果
【0060】
図１は、参照番号で示される以下の特徴を有する本発明による装置の概略断面図である。
１．ｐ＋＋Ｇｅトップオーミック接触層；
２．ｉ－Ｇｅ吸収体；
３．Ｐ型ドープＳｉシート電荷層；
４．ｉ－Ｓｉアバランシェゲイン増倍領域；
５．底部ｎ＋＋Ｓｉオーミック接触層；
６．シリコン基板；
７．ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯｘＮｙ、水素シルセスキオキサン、ＴＥＯＳ、ＢＰＳＧ、ポリイミド、ベンゾシクロブテンベースのポリマ、などの電気絶縁体；
８．Ｇｅ ｏｎ Ｓｉ ＳＰＡＤデバイスの上部電気接点への金属配線；
９．Ｇｅ ｏｎ Ｓｉ ＳＰＡＤデバイスの底部の電気接点への金属配線；
１０．トップオーミック接触層（１）の外側とＰ型ドープシート電荷層（３）の外側との間の横方向距離；
１１．Ｇｅ吸収体の厚さ；
１２．ドープシート電荷層（３）の外側の縁部とＧｅ吸収層（２）の外側の縁部との間の距離；
１３．ｉ－Ｓｉアバランシェゲイン増倍領域の厚さ；
１４．ドープシート電荷層（３）の幅。
１．ｐ＋＋Ｇｅトップオーミック接触層；
２．ｉ－Ｇｅ吸収体；
３．Ｐ型ドープＳｉシート電荷層；
４．ｉ－Ｓｉアバランシェゲイン増倍領域；
５．底部ｎ＋＋Ｓｉオーミック接触層；
６．シリコン基板；
７．ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯｘＮｙ、水素シルセスキオキサン、ＴＥＯＳ、ＢＰＳＧ、ポリイミド、ベンゾシクロブテンベースのポリマ、などの電気絶縁体；
８．Ｇｅ ｏｎ Ｓｉ ＳＰＡＤデバイスの上部電気接点への金属配線；
９．Ｇｅ ｏｎ Ｓｉ ＳＰＡＤデバイスの底部の電気接点への金属配線；
１０．トップオーミック接触層（１）の外側とＰ型ドープシート電荷層（３）の外側との間の横方向距離；
１１．Ｇｅ吸収体の厚さ；
１２．ドープシート電荷層（３）の外側の縁部とＧｅ吸収層（２）の外側の縁部との間の距離；
１３．ｉ－Ｓｉアバランシェゲイン増倍領域の厚さ；
１４．ドープシート電荷層（３）の幅。
【0061】
図示していないが、このデバイスは、反射防止コーティング（ＡＲＣ－窒化シリコン、または屈折率が約２である他の透明な材料など）をさらに含んでよく、ホットスポットを減らすためにトップオーミック接触層を段階的にエッチングし、ドープシート電荷層（３）をＧｅ－Ｓｉヘテロ界面からゼロではない距離に埋め込んでもよい。
【0062】
理論に縛られることなく、本発明の発明者らは、以下に説明する特徴を単独で、またはより好ましくは組み合わせて、既知のデバイスと比較して技術的に顕著な差異を提供することを示唆する。
【0063】
まず、能動デバイスの特定の部分を覆うように、選択エリアに注入されたシート電荷層３を使用する。これにより、高電界のＳｉアバランシェ領域を横方向に閉じ込めることができ、Ｇｅ吸収体内の電界を横方向に閉じ込めることができる。注入後、このシート電荷層３を９５０℃でアニールして活性化させてから、その上にＧｅ吸収体２とトップｐ＋＋接触層１をエピタキシャル成長させる。このアプローチでは、Ｇｅの融点超の温度で供給層のドーパントを高レベルで活性化し、ＤＣＲを増加させる可能性のある点欠陥を減らすことができる。シート電荷層３は、Ｇｅ吸収体の成長前に、表面への拡散やその後の洗浄によってドーパントがほとんど失われないように、シリコン表面の下から約６０ｎｍのところに最大ドーピングを持つように注入された。
【0064】
第２に、選択エリアドーピング３とゲルマニウム吸収体２を組み合わせたプレーナーデバイスプロセスを設計する。その後、ゲルマニウム層を電荷シートの深さとほぼ同じ深さまで、電荷シートのサイズよりもピクセルのサイズが大きい「スーパーピクセル」の設計でエッチングする。距離１２と１０は、Ｇｅの厚さ１１（実証デバイスでは約１．１μｍの深さ）よりも大きいことが好ましい。これは、「スーパーピクセル」の側壁での電界がゼロに近くなるようにして、側壁の表面状態によるＤＣＲへの寄与を抑えるためである。この結果、同一面積、同一温度、同一電圧のオーバーバイアスにおいて、公開されたメサデバイスと比較して、暗計数率（ＤＣＲ）を７００分の１に低減することができる［２９］。アバランシェ降伏前の暗電流（図４）とＤＣＲ（図６、図７および図８においては７８～１２５Ｋ）の低減により、図６、図７および図８に示すように、そのデバイスを著しくより高い単一光子検出効率（ＳＰＤＥ）で動作させることができる。これは、新しいプレーナデバイスの設計とプロセスにより、以前のメサデバイス［２９］に比べてＳＰＤＥが１０倍向上したことに相当する。後述の図２および図３に示す電界モデルでは、設計１のほうが側壁での電界が著しくより低いことが示されている。
【0065】
第３に、埋め込まれたシリコン３、４の上にＧｅ吸収体２は再生される。このＧｅ吸収体は、パターン化された電気絶縁層（例えば、二酸化ケイ素または窒化ケイ素）７の内側にあるバルクエピタキシャル成長層、または選択的に成長したエピタキシャル層とすることができる（図９参照）。また、選択エリアアプローチにより、デバイスの横方向電気的な隔離が可能となり、アレイの実現が可能となる。４×４のテストアレイが生成され、この隔離を実証した。このように、電荷シート層３および上部のｐ＋＋－Ｇｅオーミック接触層１よりも横方向に大きいＧｅ吸収体に「スーパーピクセル」設計を採用することで、デバイスの縁部でアバランシェ降伏の早期開始につながるデバイスのアバランシェ領域のホットスポットを最小限に抑えるように設計されている（すなわち、縁部降伏）。ホットスポットがあると、活性領域の中心部でデバイスの効率が低下するため、ＳＰＤＥが低下し、デバイスを効率的により高いバイアスレベルで動作させる必要があり、結果的に暗計数率が高くなる。
【0066】
第４に、吸収体をバルクＧｅエピタキシャル成長させた後に、ピクセルを電気的に隔離する別の方法がある。これは、スーパーピクセルの側壁をGe層２の深さ全体に渡ってエッチングし、ピクセル間の横方向の電気的隔離を行うことを意味する。これは、シャロートレンチアイソレーションと同様に、ゲルマニウムの高い固有キャリア密度と典型的なバックグラウンドドーピングレベル（＞１０１５ｃｍ－３）の組み合わせにより、デバイスを横方向に電気的に隔離する方法が必要となるためである。トレンチのエッチングされた縁部は、デバイスの活性領域から少なくともＧｅヘテロ層２の深さ分の横方向の距離に配置されることが好ましい。活性領域は、ｐ＋＋表面のオーミック接触１と埋め込られたｐ型シート電荷層３との間の電界プロファイルの観点から考えられる。これは、表面状態で捕捉電荷が電界によってアバランシェ領域に加速され、暗電流およびＤＣＲが増加するのを防ぐことを目的とするアプローチである。代替的に、ドーピングを利用して横方向のｐ－ｎ電気的な隔離を形成することもできる。
【0067】
第５に、熱成長したＧｅＯ２（図示せず）をＧｅ表面２およびエッチングされた表面に使用して、パッシベーション化されたＧｅ表面を生成する。いくつかの実施形態において、このＧｅＯ２を原子層堆積Ａｌ２Ｏ３層で保護して、大気中の水によってＧｅＯ２がエッチングされることを防ぐ。図１０は、同じ厚さのＧｅＯ２層とＡｌ２Ｏ３層を直径１００μｍのコンデンサの一部として使用した場合のパッシベーションの電気的特性を示す。このＣＶでは、１０１１ｃｍ－２程度の捕捉電荷レベルが実証される。
【0068】
第６に、限られたエリア成長を利用して転位の数を減らし、デバイスの暗電流とＤＣＲを低減する。図９では、Ｓｉ－Ｇｅヘテロ界面からＧｅ表面に向かういずれの暗転位線がないことは、限られたエリア成長により貫通転位密度が低減できることが実証される。これにより、アフターパルシングの原因となる捕捉電荷が転位に関連していることが示された場合、この効果の悪影響をさらに低減または排除できる可能性がある。
【0069】
本明細書で説明する実施形態のデバイスは、図２ａおよび図２ｂにモデル化されたＳＡＣＭ構造を一般的に使用しており、または本明細書では「設計１」と呼ばれている。設計１は、ｐ－Ｇｅ接触を備え、直径をｐ－Ｓｉシート電荷層よりも小さくし、ｉ－Ｇｅ吸収体の幅を両者よりも大きくしたデバイスである。電界プロファイルにより、このデバイスの暗電流および暗計数率が比較的低いと示唆されている。なお、図２ａでは、横軸と縦軸は同じ縮尺ではない。図２ｂは、図２ａに示したデバイスの一部を示し、ｐ＋Ｓｉ電荷シートの縁部に対応するデバイスの領域における電界強度マッピングをより明確に示すため、横方向のスケールがさらに図２ａより拡大されたものである。
【0070】
図３ａおよび図３ｂに比較例のメサ構造が示される。ここでは「設計２」とも呼ばれる。設計２は、ｉ－Ｇｅ吸収体と同じ直径のｐ－Ｇｅ接触を持ち、両方ともｐ－Ｓｉシート電荷層の直径よりも小さい（あるいは同じの）直径を持つデバイスである。電界プロファイルは、エッチングされたＧｅメサの側面に高い電界ホットスポットがあることを示す。これは、アバランシェ（すなわち、縁部降伏）が早期開始したことを示唆している。これによりＳＰＤＥが低下し、デバイスを効率的により高いバイアスレベルで動作させることになり、結果として暗計数率が高くなる。
【0071】
設計１のデバイス（設計２のデバイスの場合も同様）では、入射したＳＷＩＲ放射線はＧｅ吸収領域で吸収され、Ｓｉ増倍領域で信号増幅が行われる。これらの領域の間では、電荷シートを用いて電界を変調し、増倍領域では励起されたキャリアがアバランシェ降伏を起こすのに十分な高電界を、吸収領域ではバンド間および捕捉アシストトンネリングを防ぐのに十分な低電界を確実にする。しかし、Ｇｅ層には適度な電界が維持されており、光で発生した電子を効率よく増倍領域にドリフトさせることができる。ＳＰＡＤはアバランシェ降伏電圧超にバイアスされており、入射した光子がＧｅの吸収領域で吸収され、電子－正孔対が生成されることでプロセスが開始される。光励起された電子は、次に適度な電界の下をドリフトしながら、Ｓｉ増倍領域に到達する。ここで、高電界の下で加速され、十分な運動エネルギーを得て、電子－正孔対を生成するインパクトイオン化を受ける。二次電子と正孔は加速され、衝撃でイオン化され、さらに電子－正孔対が生成される。このプロセスが続くと、大きなアバランシェ電流が発生する。この電流は、デバイスにアバランシェ降伏超のバイアスをかけると、自己持続することができる。このような条件下では、最初のレーザーパルスに関連して、時限的に検出可能な電子信号が得られる。検出後、ＳＰＡＤをアバランシェ降伏未満に瞬間的にバイアスしてアバランシェをクエンチさせた後、ＳＰＡＤをその静止状態に戻し、次の入射光子を検出できるようにする必要がある。設計２のデバイスは、概ね同様の方法で動作する。
【0072】
図２ａおよび図２ｂに示すように、ＳＰＡＤの設計には、Ｓｉｌｖａｃｏ ＡＴＬＡＳソフトウェアを用いた有限要素解析モデリングが使用られた。電荷シートのドーピングレベル、増倍領域と吸収領域の厚さを決定し、ＳＰＡＤの好ましい全体設計寸法も決定した。これは、上述したように、SPAD全体の電界プロファイルが高性能を発揮するために適切であることを保証するために必要であった。図２のプレーナデバイス、および図３の比較例のメサ型デバイスのシミュレーションにおいて、アバランシェ降伏電圧より５％高い電位（または５％の過剰バイアス）に保持した場合の電界プロファイルを示している。図２ａおよび図２ｂから明らかなように、降伏時のＧｅ吸収体には低電界が存在し、高電界はＳＰＡＤの中心部に限定されていることにより、側壁で由来したキャリアが降伏現象を引き起こすことが防止される。
【0073】
スーパーピクセルの半径から電荷シートの半径を引いた値（図１では寸法１２となっている）は、側壁での電界を最小化し、図１のＡ点と呼ばれる側壁の最下部の角のすぐ下にある電界ホットスポットを減らすために、約２μｍ以上であることが好ましい。非常に薄いＧｅ吸収体（図１の寸法１１）の場合、寸法１２を２μｍよりわずかに小さくすることができる可能性がある。Ｇｅ吸収体の厚さが１μｍ以上の場合は、次の式で寸法１２の適切な最小値が得られる。 寸法１２＝寸法１１＋１μｍ
【0074】
好ましくは、接触層は、図１の寸法１０で示されるように、電荷シートよりも小さな半径を有する。好ましくは、接触層の半径は、典型的なデバイスの活性領域が２５μｍ以上であることを考慮すると、寸法１０は２μｍ超であることが好ましい（活性領域は、電荷シートの直径、すなわち図１の寸法１４として定義される）。寸法１４が２５μｍよりもはるかに小さい場合、寸法１０は２μｍよりも小さくてもよい。
【0075】
これらのデバイスの特性評価のために、直径１５０ｍｍのｎ＋＋型ドープＳｉ基板上に５つの構造を成長させた。まず、市販の減圧化学気相成長法（ＲＰ－ＣＶＤ）により、厚さ１．５μｍのＳｉ増倍領域を成長させた。フォトリソグラフィを用いて電荷シート領域を形成し、そこに１０ｋｅＶのエネルギーでホウ素アクセプタを注入した。製造公差を考慮し、最適な電界プロファイルの実現を確実にするために、５枚のウェハそれぞれに異なる電荷シート用量を注入した。注入後、高速熱アニール装置を用いて９５０℃で３０秒間、ホウ素ドーパントを活性化させた。ＲＣＡ洗浄後、選択的に注入されたＳｉ層の上に、厚さ１μｍの公称アンドープＧｅ吸収領域および５０ｎｍのｐ＋＋Ｇｅ上部接触層をＲＰ－ＣＶＤにより成長させた。ＳＰＡＤを電気的に隔離するため、電荷シートから横方向に１０μｍの距離でＧｅのトレンチエッチングを実行した。本実施形態では、Ｇｅ層のバックグラウンドのドーピングレベルのために、この隔離が必要であると考えられた。また、図３ａに示すような側壁が露出したメサ設計も製造し、特性評価の際の対照として使用された。その後、金属接触、ＧｅＯ２パッシベーション、反射防止（ＡＲ）コーティング、ボンドパッドが堆積された。短時間で高い収率を確実にするため、デバイスの直径を１００～２００μｍの範囲とし、以前のＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤと比べて非常に大きな断面積を実現した［２８］［２９］。しかし、本開示は、これよりも著しく小さいＳＰＡＤにも適用できることを意図している。例えば、暗計数率をさらに低減するためには、デバイスの直径を約１０μｍを使用することが適切である。
【0076】
製造後、ＳＰＡＤはＪａｎｉｓ社のマイクロマニピュレーション式極低温プローブシステムで冷却された。図４は、同一ウェハ上に製造された平面およびメサエッチングされたＳＰＡＤ構造の両方の、温度１００Ｋでの暗電流を示す図である。メサエッチング構造は、図２の平面形状と同様の微細構造を有しているが、ここで、イオン注入された電荷シートの直径よりも小さい直径のメサが、電荷シートのすぐ下の深さまで、および増倍層に、エッチングプロセスによりエッチングされて作成された（図３）。平面型ＳＰＡＤは、急激な降伏を有し、低増倍暗電流を示している。これは、望ましい低暗計数率性能の強力な指標であることが既に判明しており［３１］、電界モデルで予測されたように、表面生成効果が無視できることを示している。メサエッチングされたＳＰＡＤは、暗電流が降伏直前の平面構造の５０倍となり、よりソフトな降伏となった。これによれば、本開示に基づいて期待されるように、意義深い表面生成が存在し、平面型ＳＰＡＤと比較して高い暗計数率を有することを示唆している。実際、メサエッチングされたＳＰＡＤは、そのＤＣＲが非常に高いため、降伏以上の特性評価はできなかった。図５は、７８Ｋにおける平面型ＳＰＡＤの暗電流と光電流を逆バイアスの関数として示す図である。降伏前の暗電流は１ｎＡ未満で、ＳＰＡＤはデバイス間の暗電流のばらつきが少なく、良好な均一性を示した。λ＝１３１０ｎｍでの光電流測定では、電界が吸収領域に到達し、光励起された電子が増倍領域にドリフトする２０Ｖでの明確なパンチスルーが確認された。デバイスの収率は９０％以上で、Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤフォーカルプレーンアレイの最終的な実現に向けて、この初期段階では非常に有望な結果ができた。
【0077】
予備的な特性評価の後、「方法」部分で詳しく述べたように、時間相関単一光子計数法（ＴＣＳＰＣ）を用いて、ＳＰＤＥ、ＤＣＲ、ジッタの測定を行った。これらの測定では、電気的なゲーティングアプローチを用いて、減衰したレーザーパルスの到来に同期して、５０ｎｓの間、検出器をアバランシェ降伏超のガイガーモードに切り替えた。このゲート式検出器アプローチは、アバランシェを完全にクエンチし、後述するアフターパルシングの影響を避けるために、１ｋＨｚという低い周波数で使用された。ＳＰＡＤ検出器を７８Ｋに冷却してから、λ＝１３１０ｎｍのレーザ放射線を用いてＳＰＤＥ、ＤＣＲ、ジッタを測定した。図６、７および８は、７８Ｋ、１００Ｋ、１２５Ｋの各温度における過剰バイアスの関数としてのＳＰＤＥおよびＤＣＲを示している。なお、使用された検出器は大面積（直径１００μｍ）であり、以前にオールＳｉのＳＰＡＤで報告されたように、面積の小さいデバイスではＤＣＲがかなり低くなることが十分に予想される［３２］。
【0078】
測定されたＤＣＲは、以前のＧｅ－ｏｎ－Ｓｉの研究と比較して大幅に改善されたことが実証されている。Ｗａｒｂｕｒｔｏｎらは、メサ型Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤについて、温度１００Ｋで直径２５μｍのＳＰＡＤのＤＣＲが５．５ＭＨｚであることを報告した［２９]。これは１１、２００カウント／μｍ２に相当し、本研究で報告した１８．３カウント／μｍ２よりも約３桁高い値である。なお、この条件では、その論文で報告したＳＰＤＥが４％であるのに対し、本研究で報告したＳＰＡＤは２６％であることにも注意するべきである。１μｍ×１５．９μｍの矩形導波路ＳＰＡＤの５００ｋＨｚのＤＣＲを８０Ｋの温度で報告したＭａｒｔｉｎｅｚらの結果と比較しても、同様の関係が示される［３０］。これは３１、４００カウント／秒／μｍ２に相当し、ここで報告された６．３７カウント／秒／μｍ２よりも３桁超の高い値である。その結果、彼らに報告されたＳＰＤＥは５％であったのに対し、ここで報告されたＳＰＡＤは２２％である。このように暗計数率が大幅に減少したのは、これらの平面型検出器の電界プロファイルが慎重に設計されたためで、すなわち、高電界がＳＰＡＤ内に閉じ込められ、表面状態がＤＣＲに大きく寄与するのを防ぐことができる。
【0079】
図６、７および８は、ＳＰＤＥが過剰バイアスとともに増加し、１２５Kで最大３８％になることを示している。これは、ＧｅおよびＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤでこれまでに報告されたＳＰＤＥ ［２２]［２８］［２９］［３０］よりも著しく高く、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤで２２５Ｋで記録された最大値［３３］［３４］［３５］に匹敵する値である。これは、到達可能なＤＣＲが低いためにＳＰＡＤにかかる過剰バイアスが大きくなり、増倍領域での降伏確率が高くなったことが原因の一つである。また、１．５μｍのＳｉ増倍領域が比較的厚いため、インパクトイオン化して降伏連鎖が始まる前にキャリアが増倍領域から抜ける確率が低くなり、降伏確率が高くなる。Ｓｉ増倍層下部の残留ドーピングが少ないため、増倍領域に均一な電界が発生し、インパクトイオン化率が全体的に均一となり、降伏確率がさらに向上する。また、最適化された電界により、光励起された電子が低い確率で再結合しながら増倍領域にドリフトしていくことが確実にされた。意義深いのは、Ｇｅの吸収領域とＳｉ電荷シートの間には伝導帯のエネルギー障壁がないため、光励起された電子はＧｅからＳｉへと容易に移動することが保証できる。実際、参考文献［３６］の変形ポテンシャルを用いて計算すると、ＳｉのΔ谷の伝導帯縁部は、吸収体のＧｅのＬ谷の伝導帯縁部よりも２３５ｍｅＶ低い。これは、光励起されたキャリアがＩｎＰ増倍領域に到達するために乗り越えなければならないエネルギー障壁ステップを有するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤよりも有利である。
【0080】
これらのＳＰＡＤでは、吸収体－電荷シート界面へのキャリア蓄積を抑えるために、ＩｎＧａＡｓ領域とＩｎＰ領域の間にＩｎＧａＡｓＰグレーディング層を設ける必要がある。ＳＰＡＤの上面からの反射を入射放射線の１％未満にするために、デバイスにＡＲコーティングを含むことが好ましい。これらのサンプルによれば、より高い温度での測定は、熱発生率の増加によるＤＣＲの増加によって制限されていたが、検出器の面積を減らすことでＤＣＲがさらに減少し、著しくより高い動作温度が可能になる。
【0081】
比較的薄いＧｅ吸収領域を使用しているにもかかわらず、高いＳＰＤＥを実現している。７７Ｋでの単結晶Ｇｅの吸収係数［３７］を用いて計算したところ、厚さ１μｍのＧｅ吸収体で吸収される１３１０ｎｍの波長の放射線は、動作温度範囲全体で５０％未満であった。ビール・ランバートの法則によれば、厚さ２μｍのＧｅ吸収体では吸収率が７０％超になり、１２５ＫでのＳＰＤＥが５５％超になる。この数値は、報告されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤのＳＰＤＥ［３３］［３４］［３５］よりも著しく高い。さらに厚いＧｅ層は、より高い吸収率も提供する。
【0082】
ＮＥＰ（Ｎｏｉｓｅ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ）は、以下の数式で検出器のＳＰＤＥとＤＣＲから算出されるＳＰＡＤの性能指数である。
ここで、ｈはプランク定数、ｖは入射放射線の周波数である。この値は検出器の比較に用いられ、値が小さいほど性能が高いことを示す。７８Ｋでは、Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤ検出器の測定したＮＥＰが１．９×１０－１６Ｗ／Ｈｚ１／２と記録的に低く、［２９］で報告されたＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤのＮＥＰよりも５０倍も低い値を示した。ＮＥＰの値は、温度が１００Ｋと１２５Ｋの場合、それぞれ３×１０－１６と７×１０－１６ＷＨｚ－１／２と算出された。
【数1】
【0083】
図１１は、過剰バイアス５．５％、温度７８Ｋで、λ=１３１０ｎｍで測定したタイミングヒストグラムである。ジッタＦＷＨＭは３１０ｐｓで、増倍領域の幅が大きくなっていることを考慮すると適当な値である［３８］［３９］。増倍領域をより幅広くすることで、一般的にＳＰＤＥは改善されるが、アバランシェ蓄積時間のばらつきが大きくなるため、ジッタが増加する。Ｓｉ ＳＰＡＤで以前に見られたように［４０］、また冷却されたデバイスの電子パッケージを改善することで、デバイスの直径を小さくするとジッタが減少することが予想されている。
【0084】
Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤ検出効率の波長依存性は、Ｇｅのバンドギャップが温度によって変化するのに伴い、ＳＷＩＲにわたって変化する。図１２ａおよび図１２ｂは、Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤのＳＰＤＥの波長依存性を温度関数として示す図である。高効率のＳＰＤＥ領域は、(点における伝導帯と価電子帯の間の直接的なバンドギャップ吸収に関連している。より長い波長での吸収は、Ｌ－ｖａｌｌｅｙと価電子帯への間接吸収が著しくより弱いことに関連している。室温ではＧｅの直接バンドギャップは０．８０ｅＶであるが［３６］、７８Ｋでは０．８８ｅＶに増加し、検出遮断波長が減少する［３６］。チューナブルなＮＫＴスーパーコンティニュアムレーザを使用して、ＳＰＡＤに入射する放射線の波長を１３１０ｎｍから１５５０ｎｍまで変化させ、様々な温度で正確な遮断波長を得ることができた。検出器のＳＰＤＥが１４５０ｎｍの波長値の５０％になる波長を遮断波長λｃと定義すると、図１３に示すように、λｃは１２５Ｋの１４６８ｎｍから１７５Ｋの１４９５ｎｍまで約０．５４ｎｍ／Ｋの割合で増加し、［４１］のＶａｒｓｈｎｉ温度依存性バンドギャップパラメータを用いて計算した値と一致していることが確認できる。また、ＳＰＡＤの動作温度を１８０Ｋ以上に増加すると、遮断波長を１５００～１８００ｎｍの大気透過ウィンドウまで広げることができる。これは、ＤＣＲ率が低く、高温動作が可能なより小径のデバイスを使用することで容易に実現できると考えられる（前述）。また、Ｇｅの吸収領域の厚みを増やすと、ＳＰＤＥが大きくなり、λｃがより長波長側にシフトする。図１４は、厚さ２μｍのＧｅ吸収領域を有するＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤの遮断波長の推定値を示している。これにより、１５５０ｎｍの波長の放射線を検出するのに必要な温度は２２０Ｋに低減した。
【0085】
Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤとＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤの代替手段との間の１つの決定的な違いは、検出器のアフターパルシングによる悪影響を大幅に減少させることであると考えられている。アフターパルシングは、アバランシェ事象の後にキャリアが捕捉され、後に放出される場合に発生し、バックグラウンドレベルを上昇させる。これは、各事象の後に長いホールドオフ時間（通常は＞１０μｓ）を使用して、検出器が再活性化する前に捕捉されたキャリアを放出できることで軽減できる。しかし、このアプローチでは不感時間が長くなり、可能な最大計数率が制限される。アフターパルシングは、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤの性能における主要な制限の１つとして認識されており、適度な計数率であってもその性能に重大な影響を与える。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ検出器のアフターパルシングは、主にＩｎＰ増倍層の深層捕捉状態から発生するが［４２］［４３］［４４］、Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤ検出器では、高品質のＳｉ増倍層がそのような状態のより低い密度を有する見込みである。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤとＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤとを同様の動作条件で比較することは初めてである。
【0086】
アフターパルシングの測定は、直径１００μｍのＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤを７８Ｋから１７５Ｋまでの温度で、時間相関キャリア計数法［４５］を用いて行い、ＳＰＡＤが意図的にアバランシェを起こした場合に行った。その後、該当デバイスをすぐにクエンチし、続いてすぐに電気ゲートを介して２回目の起動を行う。２つの検出器ゲート間の時間を変化させることで、２つ目のゲートでアバランシェが発生する確率を考察し、従って最初のアバランシェからの時間関数としてアフターパルシング確率を提供した。得られた結果は、市販最新のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤを同一温度で動作させ、両検出器に同一のＳＰＤＥを得るように各検出器に特定の過剰バイアスを印加した場合と比較した。図１５は、両検出器における温度１２５Ｋで２つのＳＰＡＤのＳＰＤＥ１７％に相当する過剰バイアスを印加したときのアフターパルシング確率の変化を示している。その結果、特定のホールドオフ時間において、Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤのアフターパルシング確率が大幅に減少したことが確認できる。例えば、ホールドオフ時間を１０μｓとすると、Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤ検出器の２０％のアフターパルシング確率を示す。１５０Ｋでも同様の傾向が示される。絶対アフターパルシング確率は、例えばゲート時間などの動作条件に影響されるが、これらの結果は、名目上同一の動作条件における２つのタイプの検出器の比較を提供するものであることに留意すべきである。これらの初期結果は、今後のＧｅ－ｏｎ－Ｓｉの開発に大きな期待を抱かせるものであり、アフターパルシング確率の向上は、この特殊な検出器の特性を最適化するために、特にＳｉのエピ層材料の品質をさらに向上させることで、さらに高まると考えられる。
【0087】
Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤのアフターパルシングメカニズムを決定するために、７８Ｋから１２５Ｋまでの範囲で温度関数としてアフターパルシングを考察し、指数関数的な減衰をフィットさせた。アレニウスプロットをフィットさせることで、８０～９０ｍｅＶの領域の活性化エネルギーをオーバーバイアスレベルの範囲で推定し、捕捉の起源を確認することを試みた。天然型Ｓｉ表面、天然型Ｇｅ表面およびＧｅ表面のＧｅＯｘは、それぞれ４２０ｍｅＶ［４６］、１３０ｍｅＶ［４６］、２００～３００ｍｅＶ［４７］に近い捕捉状態を有することが示されている。これにより、平面形状が露出した表面での捕捉やその他の不純物の影響を低減していることがさらに証明された。したがって、このアフターパルシングは、パッシベーションされたＧｅまたは露出したＳｉ表面の表面状態とは関係ないと考えられる。
【0088】
図１８は、分かりやすくするために電界をかけずに［２４］の変形ポテンシャルを用いて１２５Ｋで算出されたＧｅ－Ｓｉヘテロ界面のバンド構造を示しており、Ｇｅ中の転位の３つの主要な捕捉状態がバンドギャップ内の破線で示されている[48]。一方、図１７から抽出された８０～９０ｍｅＶの活性化エネルギーは、７０ｍｅＶのアクセプタと９０ｍｅＶのドナーがＧｅの転位から価電子帯域端に捕捉された状態に近いが、これらの状態でアフターパルシングが発生する原因となるメカニズムは明確ではない。このような値に近いエネルギーを持つＧｅ中の金属不純物は、Ｃｏ（９０ｍｅＶアクセプタ）、Ｚｎ（９０ｍｅＶアクセプタ）、Ｈｇ（８７ｍｅＶアクセプタ）およびＣｒ（７０ｍｅＶアクセプター）である［４９］が、本デバイスではいずれも微量レベルではないと予想される。同様のエネルギーを持つＳｉ中の金属不純物は、Ｂｉ（６９ｍｅＶドナー）、Ｇａ（７２ｍｅＶアクセプタ）、Ａｌ（６７ｍｅＶアクセプタ）である［４９］。一方、接触とボンドパッドにはＡｌが使用されているが、これらはＧｅの上部とＳｉウェハの背面にあり、デバイスのアバランシェ領域は埋め込まれているため、デバイスのアバランシェ領域に近いところには微量のＡｌは存在しないべきである。
【0089】
図２０、図２１および図２２は、直径２６μｍのＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤデバイスが、７８Ｋ、１００Ｋ、１２５Ｋおよび１５０Ｋの各温度で、直径１００μｍのＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤと比較して、ＳＰＤＥ、ＤＣＲおよびＮＥＰを大幅に低減することを示している。直径２６μｍのデバイスではＳＰＤＥの減少がわずかに明確されたが、これは使用したデバイスの横方向の効率プロファイルが不均一であったためと考えられる。さらに、直径２６μｍのＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤは、直径１００μｍのＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤと比較して、ジッタが大幅に低減されたことが実証された（１４９±１０ＰＳ ＣＦ．３１０±１０ＰＳ）。
【0090】
Ｓｉの転位捕捉は、Ｄ１からＤ４の捕捉状態で、１２Ｋの価電子帯上の８０７、８７０、９４０、および１００１ｍｅＶにそれぞれ集中していることが測定された［５０］。これらの転位捕捉状態のうち最後のものは、１２５ＫでのＳｉ伝導帯以下の約１３０ｍｅＶに相当し［５０］（図１８参照）、この温度では線幅に少なくとも１０ｍｅＶの熱膨張がある。Ｓｉ基板上に臨界厚さ以上に成長したＧｅまたはＳｉ１－ｘＧｅｘヘテロ層の緩和時に、いくつかの貫通転位がＳｉ基板に注入でき［５１］、ヘテロ界面近くのＳｉにある程度のひずみが伝わり、捕捉状態と伝導帯縁部との間のエネルギーが低減することはよく知られている。ＳｉのＤ４捕捉状態は、転位の緩和によるものであることが識別されており［５２］、熱膨張とひずみの不確実性と、３つの温度から抽出されたアフターパルシングの励起エネルギーの不確実性とを組み合わせると、このＳｉ中のＤ４転位捕捉がアフターパルシングの起源の有力な候補となる。Ｓｉ上にＧｅを限定的にエリア成長させることで、Ｇｅヘテロ層とＳｉ基板の両方に存在する貫通転位の密度が大幅に減少することがすでに実証された［５３］。これにより、アフターパルシングをさらに低減できるかどうかを判断し、Ｄ４捕捉状態がアフターパルシングのメカニズムに関与しているかどうかを確認し、したがってアフターパルシングの確率をさらに低減することができる。
【0091】
結論
【0092】
新規平面形状を用いて設計された高性能Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤを報告した。直径１００μｍのＳＰＡＤは、１２５Ｋ、検出波長１３１０ｎｍで３８％のＳＰＤＥを実証した。これは、Ｇｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤに関するこれまでのすべての報告と比較して、性能レベルが大幅に段階的な変化で向上しており、市販のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤと比較しても遜色ではない。温度７８ＫでのＮＥＰは１．９×１０－１６ＷＨｚ－1／2で、これまでに報告されたＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤの５０倍の改善された性能を達成している。アフターパルシング性能は、時間相関キャリア計数法を用いて分析され、市販のＩｎＧａＡｓ ＳＰＡＤと比較された。この初期のＧｅ－ｏｎ－Ｓｉ ＳＰＡＤ検出器は、市販のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤと比較して、同じ条件で不感時間を５０～７５％低減しながら動作でき、結果として、はるかに高い最大計数率で動作できる。これらの結果は、より厚いＧｅ吸収体を統合したより小型の検出器が、室温またはそれに近い温度で、低暗計数率および高計数率で動作可能になるという明確なルーティングを示している。この温度上昇により、これらの検出器は、比較的アイセーフの１５５０ｎｍの波長領域で高効率な動作が可能になる。Ｓｉプラットフォームを使用することで、アイセーフの短波長赤外領域での単一光子３Ｄイメージングおよびセンシングの低コストルーティングを提供する。これは、自動車や自律走行車のＬＩＤＡＲ、セキュリティ、環境ＬＩＤＡＲのモニタリングなど様々な一般的な応用において重要な意味を持つ可能性があり、また、重要な通信波長を使用する様々な量子技術応用にも有効である。
【0093】
方法
【0094】
［デバイス製造］このデバイスは、直径１５０ｍｍのｎ＋＋Ｓｉ（００１）ウェハ上に１．５μｍのアンドープＳｉを成長させたものから作製された。Ｓｉｌｖａｃｏ ＡＴＬＡＳソフトウェアを用いた有限要素解析モデリングにより、Ｇｅ吸収体には低電界を、Ｓｉアバランシェ領域には高電界を提供するための最適な電荷シート密度を決定した。その後、フォトリソグラフィを用いて、１０ｋＶのホウ素のイオン注入を行い、電荷シート層を選択的に形成した。９５０℃で活性化アニールを行った後、シート密度が１～５×１０１１ｃｍ－２の５つの異なるウェハを製造した。その後、厚さ１μｍのアンドープＧｅを成長させ、上部オーミック接触用に最大５０ｎｍのホウ素をｉｎ－ｓｉｔｕでドープした。フォトリソグラフィとフッ素系ドライエッチングとを用いて、Ｇｅに電気的な隔離トレンチをエッチングした後、ＳｉＯ２パッシベーション層と平坦化層を堆積した。ウェハの裏面にＡｌを堆積して底部オーミック接触を形成した。本明細書において、特性評価の結果が提示されたデバイスセットは、裏側接触を採用した。よく理解されているように、並びに図面に示されているように、図１において、ビアホール９を使用して底部オーミック接触を形成することが可能である。下位ｎ接点の接触方法は、デバイスの性能にとって重要ではないと考えられる。上部接触アプローチは工業的な実装に適していると考えられるが、一方、裏側接触は実験室規模の製造と試験により適しており、本明細書で報告された。なお、上部接触アプローチでは、基板を通して照射することも可能であり、これは一部の応用にとっては有利である。Ｎｉ／Ａｌを堆積してアニールし、上部金属接触を形成する前に、フォトリソグラフィを用いて酸化物に穴を上部オーミック接触までエッチングした。デバイス上部のＳｉＯ２をエッチングで除去し、ＰＥＣＶＤでＳｉ３Ｎ４反射防止コーティングを堆積した。
【0095】
単一光子特性評価
【0096】
図１９に概略的に示したこの特性評価に使用した機構により、時間相関単一光子計数（ＴＣＳＰＣ）技法を用いて、ＳＰＤＥ、ＤＣＲ、ジッタ測定を行った。ＳＰＡＤ検出器はＯｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社の液体窒素低温保持装置に取り付けられ、７８Ｋ～１７５Ｋでの測定が可能であった。低温保持装置には光学アクセスがあり、検出器と外部光学系との間の作業距離を短くすることができた。ＳＰＡＤのＳＰＤＥ測定にはピコ秒パルスレーザを使用し、１つのパルスに複数の光子が含まれる確率を低減するために、出力を１パルスあたり１光子よりはるかに少ないレベルに減衰させた。使用したレーザは、波長１３１０ｎｍを放射するＰｉｃｏＱｕａｎｔレーザダイオードと、１１５０ｎｍ～２０００ｎｍの波長範囲でチューナブルであるＮＫＴスーパーコンティニュアムレーザと２つあった。レーザ出力は単一モード繊維（ＳＭＦ－２８）に結合され、次に５０：５０の繊維スプリッタに接続された。スプリッタの１つの出力は、較正されたパワーメータに接続され、ｉｎ－ｓｉｔｕでの電力測定値を提供し、測定中は継続的に監視された。もう一方の出力は、プログラム可能な光減衰器に接続され、最大１００ｄＢまで減衰させることができた。この減衰器出力を反射性コリメータに挿入し、自由空間でのコリメーションを行った。コリメートされたビームは、広帯域照射チャンネルとイメージングチャンネルが形成された２つのペリクルビームスプリッタ（分割比９２：８）を通過し、ＳＰＡＤのレーザスポットの位置と焦点を合わせる用のＳＷＩＲカメラまで送られた。各ＳＰＤＥ測定の前に、ＳＰＡＤに到達するレーザパワーを測定し、ｉｎ－ｓｉｔｕパワーメータで測定した電力と比較した。この比率は、所与のパワーメータの測定値に対してＳＰＡＤに入射するパルスあたりの光子の数を計算するために使用された。このデバイスは、ＤＣソースでＳＰＡＤを耐圧のすぐ下にバイアスして、ゲートモードで動作した。マスタクロックは、レーザのトリガ、検出器のゲート、Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のＴＣＣ９００光子計数カードのスタート信号のタイミングを制御した。本開示において説明された実験では、５０ナノ秒継続時間の検出器ゲートを使用した。検出器ゲートはＴｅｋｔｒｏｎｉｘ社の５５３０ Ｂｉａｓ Ｔｅｅという製品を用いてＤＣバイアスと組み合わせ、その出力をＳＰＡＤのアノードに接続した。ＳＰＡＤのカソードは、光子計数カードの停止信号に接続された。ＳＰＤＥ、ＤＣＲ、デバイスジッタの計算には、光子計数カードで記録したタイミングビン幅１９．５ｐｓのタイミングヒストグラムを使用した。
【0097】
前述の説明、または以下の特許請求の範囲、または添付の図面に開示された特徴は、それらの具体的な形態で、または開示された機能を実行するための手段、または開示された結果を得るための方法またはプロセスの観点から、適切に表現されており、個別に、またはそのような特徴の任意の組み合わせで、本発明をその多様な形態で実現するために利用することができる。本発明を上述の例示的な実施形態と併せて説明してきたが、この開示を受ければ、多くの同等の修正および変形が当業者に明らかになるであろう。したがって、上述した本発明の例示的な実施形態は、例示的なものであり、限定的なものではないと考えられる。本発明の精神と範囲から逸脱することなく、説明された実施形態に様々な変更を加えることができる。
【0098】
任意の誤解を避けるために、ここで記載されている理論的な説明は、読者の理解を深めるためのものである。本発明の発明者らは、これらの理論的説明に拘束されることを望んでいない。
【0099】
本明細書で使用されているいずれのセクションの見出しは、整理のみを目的としたものであり、記載されている主題を限定するものと解釈されるものではない。後続の特許請求の範囲を含む本明細書全体において、文脈上他に要求されない限り、「備える」、「有する」、「持つ」および「含む」という単語、ならびに「備え」、「有し」、「持ち」、「含み」などの変形は、記載された完全体または段階、または完全体または段階の群を含めることを意味するが、他の完全体または段階、または完全体または段階の群を除外することはないと理解される。
【0100】
本明細書および添付の特許請求の範囲では、単数形の「１つの」、「１」、および「該当」は、文脈上明らかに別の意味を持つ場合を除き、複数の参照語を含むことに留意する必要がある。本明細書では、ある特定の値の「約」から、および／または別の特定の値の「約」までの範囲を表すことがある。このような範囲を表す場合、別の実施形態では、１つの特定の値からおよび／または他の特定の値までを含む。同様に、値が近似値として表現されている場合、先行詞「約」の使用により、特定の値が別の実施形態を形成していることが理解される。数値に関する「約」という用語は任意であり、例えば、±１０％を意味する。
【0101】
参考文献
本発明および本発明が属する技術分野の最新技術についてをより完全に説明し、開示するために、出版物を上記に多数引用している。これらの参考文献の完全な引用を以下に提供する。これらの各文献の全体像が本明細書に組み込まれている。
[1] Buller, G. S. & Collins, R. J. Single-photon generation and detection. Meas. Sci. Technol. 21, 012002 (2010).
[2] Hadfield, R. H. Single-photon detectors for optical quantum information applications. Nature Photon. 3, 696-705 (2009).
[3] Cova, S., Ghioni, M., Lotito, A., Rech, I. & Zappa, F. Evolution and prospects for single-photon avalanche diodes and quenching circuits. J. Mod Optics 51, 1267-1288 (2004).
[4] Shadbolt, P., Matthews, J. C. F., Laing, A. & J. L. O'Brien Testing foundations of quantum mechanics with photons. Nature Phys. 10, 278-286 (2014).
[5] Gordon, K. J., Fernandez, V., Townsend, P. D. & Buller, G. S. A short wavelength gigahertz clocked fiber-optic quantum key distribution system. IEEE J. Quant. Electron. 40, 900-908 (2004).
[6] Pugh, C. J. et al. Airborne demonstration of a quantum key distribution receiver payload. Quantum Science and Technology 2, 024009 (2017).
[7] Buller, G. S. & Wallace, A. M., Recent advances in ranging and three-dimensional imaging using time-correlated single-photon counting. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13, 1006-1015 (2007).
[8] Charbon, E. & Donati, S., SPAD sensors come of age. Optics and Photonics News 36, (2010).
[9] Niclass, C., Inoue, D., Matsubara, H., Ichikawa, T. & Soga, M. Development of automotive LIDAR. Elec. . Comm. Japan 98, 1476-1480 (2015).
[10] Gyongy, I., Dutton, N. A. W. & Henderson R. K., Single-photon tracking for high-speed vision. Sensors 18, 323 (2018).
[11] Takai, I. et al. Single-photon avalanche diode with enhanced NIR-sensitivity for automotive LIDAR systems. Sensors 16, 459 (2016).
[12] Pellegrini et al. Industrialised SPAD in 40 nm technology, 2017 IEEE Int. Electron Dev. Meeting 8268404 (2017).
[13] IEC-60825-1 standard
[14] Bird, R. E., Hulstrom, R. L. & Lewis, L. J. Terrestrial solar spectral data sets. Solar Energy 30, 563-573 (1983).
[15] Christnacher, F. et al. Influence of gating and of the gate shape on the penetration capacity of range-gated active imaging in scattering environments. Opt. Express 23, 32897-32908 (2015).
[16] Arnulf, A., Bricard, J., Cure, E. & Veret, C. Transmission by haze and fog in the spectral region 0.35 to 10 microns. J. Opt. Soc. Am. 47, 491-498 (1957).
[A] Dumont, M., Brissaud, O., Picard, G., Schmitt, B., Gallet, J.-C. &. Arnaud, Y., High-accuracy measurements of snow bidirectional reflectance distribution function at visible and NIR wavelengths - comparison with modelling results. Atmos. Chem. Phys. 10, 2507-2520 (2010).
[17] Korzh, B. et al. Provably secure and practical quantum key distribution over 307 km of optical fibre. Nature Photon. 9, 163-168 (2015).
[18] McCarthy, A. et al. Kilometer-range depth imaging at 1550 nm wavelength using an InGaAs/InP single-photon avalanche diode detector. Opt. Express 21, 19, pp. 22098-22113 (2013)
[19] Pawlikowska, A. M., Halimi, A., Lamb, R. A. & Buller, G. S. Single-photon three-dimensional imaging at up to 10 kilometers range. Opt. Express 25, 11919-11931 (2017).
[20] Jiang, X. et al. InP-based single photon detectors and geiger-mode APD arrays for quantum communication applications. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 21, 3800112 (2015).
[21] Sammak, A., Aminian, M., Nanver, L. K. & Charbon, E. CMOS-Compatible PureGaB Ge-on-Si APD pixel arrays. IEEE Trans. Electron Dev. 63, 92-99 (2016).
[22] Buller, G. S. et al. Time-resolved photoluminescence measurements of InGaAs/InP multiple-quantum-well structures at 1.3 μm wavelengths by use of germanium single-photon avalanche photodiodes. Appl. Opt. 35, 916-921 (1996).
[23] Loudon, A. Y. et al. Enhancement of the infrared detection efficiency of silicon photon-counting avalanche photodiodes by use of silicon germanium absorbing layers. Opt. Lett. 27, 219-221 (2002).
[24] Paul, D. J. 8-band k・p modelling of mid-infrared intersubband absorption in Ge quantum wells. J. Appl. Phys. 120, 043103 (2016).
[25] Kang, Y. et al. Monolithic germanium/silicon avalanche photodiodes with 340 GHz gain-bandwidth product. Nature Photon. 3, 59-63 (2009).
[26] Derose, C. T. et al. Ultra compact 45 GHz CMOS compatible germanium waveguide photodiode with low dark current. Opt. Express 19, 527- 534 (2011).
[27] Martinez, N. J. D. et al. High performance waveguide-coupled Ge-on-Si linear mode avalanche photodiodes. Opt. Express 24, 19072-19081 (2016).
[28] Lu, Z. et al. Geiger-mode operation of Ge-on-Si avalanche photodiodes. IEEE J. Quantum Electron. 47, 731-735 (2011).
[29] Warburton, R. E. et al. Ge-on-Si single-photon avalanche diode detectors: design, modeling, fabrication, and characterization at wavelengths 1310 and 1550 nm. IEEE Trans. Electron Dev. 60, 3807-3813 (2013).
[30] Martinez, N. J. D. et al. Single photon detection in a waveguide-coupled Ge-on-Si lateral avalanche photodiode. Opt. Express 25, 16130-16139 (2017).
[31] Webster, E. A. G. & Henderson, R. K. A TCAD and spectroscopy study of dark count mechanisms in single-photon avalanche diodes. IEEE Trans. Electron Dev. 60, 4014-4019 (2013).
[32] Sciacca, E. et al. Silicon planar technology for single-photon optical detectors. IEEE Trans. Elec. Dev. 50, 918-925 (2003).
[33] Zhang, J., Itzler, M. A., Zbinden, H. & Pan, J.-W. Advances in InGaAs/InP single-photon detector systems for quantum communication. Light: Science & Applications 4, e286 (2015).
[34] Tosi, A., Calandri, N., Sanzaro, M. & Acerbi, F. Low-noise, low-jitter, high detection efficiency InGaAs/InP single-photon avalanche diode. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 20, 3803406 (2014).
[35] Amri, E., Boso, G., Korzh, B. & Zbinden, H. Temporal jitter in free-running InGaAs/InP single-photon avalanche detectors. Optics Letters 41, 5728-5731 (2016).
[36] Paul, D. J. 8-band k.p modelling of the quantum confined Stark effect in Ge quantum wells on Si substrates. Phys. Rev. B 77, 155323 (2008).
[37] Dash, W. C. & Newman, R. Intrinsic optical absorption in single-crystal germanium and silicon at 77K and 300K. Phys. Rev. 99, 1151-1155 (1955).
[38] Itzler, M. A. et al. Single photon avalanche diodes (SPADs) for 1.5 μm photon counting applications. J. Modern Optics 54, 283-304 (2007).
[39] Wang, S., Ma, F., Li, X., Karve, G., Zheng, X. & Campbell, J. C. Analysis of breakdown probabilities in avalanche photodiodes using a history-dependent analytical model. Appl. Phys. Lett. 82, 1971-1973 (2003).
[40] Lacaita, A. & Mastrapasqua, M. Strong dependence of time resolution on detector diameter in single photon avalanche diodes. Electron. Lett. 26, 2053-2054 (1990).
[41] Varshni, Y. P. Temperature dependence of the energy gap in semiconductors. Physica 34, 149-154 (1967).
[42] Buller, G. S et al. Semiconductor avalanche diode detectors for quantum cryptography. IEEE LEOS Newsletter 20, (2006).
[43] Jiang, X., Itzler, M. A., Ben-Michael, R. & Slomkowski, K. InGaAsP-InP avalanche photodiodes for single photon detection. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13, 895-905 (2007).
[44] Korzh, B., Lunghi, T., Kuzmenko, K., Boso, G. & Zbinden, H. Afterpulsing studies of low-noise InGaAs/InP single-photon negative-feedback avalanche diodes. J. Modern Optics 62, 1151-1157 (2015).
[45] Tosi, A., Mora, A. D., Zappa, F. & Cova, S. Single-photon avalanche diodes for the near-infrared range: detector and circuit issues. J. Modern Optics 56, 299-308 (2009).
[46] Statz, H., deMars, G., Davis Jr., L. & Adams Jr., A. Surface states on silicon and germanium surfaces. Phys. Rev. 106, 455-464 (1957).
[47] Zhang, R., Iwasaki, T., Taoka, N., Takenaka, M. & Takagi, S. Al2O3/GeOx/Ge gate stacks with low trap density fabricated by electron cyclotron resonance plasma postoxidation. Appl. Phys. Lett. 98, 112902 (2011).
[48] Shevchenko, S. V. Electrical conductivity of germanium with dislocation grids. J. Exp. Theor. Phys. 88, 66-71 (1999).
[49] Sze, S. Physics of Semiconductor Devices. 2nd Ed. Wiley, New York (1981).
[50] Binetti, S., Pizzini, S., Leoni, E., Somaschini, R., Castaldini, A., & Cavallini, A. Optical properties of oxygen precipitates and dislocations in silicon. J. Appl. Phys. 92, 2437-2445 (2002).
[51] LeGoues, F. K., Meyerson, B. S., Morar, J. F. & Kirchner, P.D. Mechanism and conditions for anomalous strain relaxation in graded thin films and superlattices. J. Appl. Phys. 71, 4230-3243 (1992).
[52] Sauer, R., Weber, J., Soltz, J. Weber, E. R., Kusters, K. -H. and Alexander, H. Dislocation-related photoluminescence in silicon. Appl. Phys. A 36, 1-13 (1985).
[53] Noble, D. B., Hoyt, J. L., King, C. A. & Gibbons, J. F., Reduction in misfit dislocation density by the selective growth of Si1-xGex/Si in small areas. Appl. Phys. Lett. 56, 51-53 (1990).
[54] R. Tobin, A. Halimi, A. McCarthy, M. Laurenzis, F. Christnacher and G.S. Buller, "Depth imaging through obscurants using time-correlated single-photon counting" Proc. SPIE, 10659, 106590S (2018).
本発明および本発明が属する技術分野の最新技術についてをより完全に説明し、開示するために、出版物を上記に多数引用している。これらの参考文献の完全な引用を以下に提供する。これらの各文献の全体像が本明細書に組み込まれている。
[1] Buller, G. S. & Collins, R. J. Single-photon generation and detection. Meas. Sci. Technol. 21, 012002 (2010).
[2] Hadfield, R. H. Single-photon detectors for optical quantum information applications. Nature Photon. 3, 696-705 (2009).
[3] Cova, S., Ghioni, M., Lotito, A., Rech, I. & Zappa, F. Evolution and prospects for single-photon avalanche diodes and quenching circuits. J. Mod Optics 51, 1267-1288 (2004).
[4] Shadbolt, P., Matthews, J. C. F., Laing, A. & J. L. O'Brien Testing foundations of quantum mechanics with photons. Nature Phys. 10, 278-286 (2014).
[5] Gordon, K. J., Fernandez, V., Townsend, P. D. & Buller, G. S. A short wavelength gigahertz clocked fiber-optic quantum key distribution system. IEEE J. Quant. Electron. 40, 900-908 (2004).
[6] Pugh, C. J. et al. Airborne demonstration of a quantum key distribution receiver payload. Quantum Science and Technology 2, 024009 (2017).
[7] Buller, G. S. & Wallace, A. M., Recent advances in ranging and three-dimensional imaging using time-correlated single-photon counting. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13, 1006-1015 (2007).
[8] Charbon, E. & Donati, S., SPAD sensors come of age. Optics and Photonics News 36, (2010).
[9] Niclass, C., Inoue, D., Matsubara, H., Ichikawa, T. & Soga, M. Development of automotive LIDAR. Elec. . Comm. Japan 98, 1476-1480 (2015).
[10] Gyongy, I., Dutton, N. A. W. & Henderson R. K., Single-photon tracking for high-speed vision. Sensors 18, 323 (2018).
[11] Takai, I. et al. Single-photon avalanche diode with enhanced NIR-sensitivity for automotive LIDAR systems. Sensors 16, 459 (2016).
[12] Pellegrini et al. Industrialised SPAD in 40 nm technology, 2017 IEEE Int. Electron Dev. Meeting 8268404 (2017).
[13] IEC-60825-1 standard
[14] Bird, R. E., Hulstrom, R. L. & Lewis, L. J. Terrestrial solar spectral data sets. Solar Energy 30, 563-573 (1983).
[15] Christnacher, F. et al. Influence of gating and of the gate shape on the penetration capacity of range-gated active imaging in scattering environments. Opt. Express 23, 32897-32908 (2015).
[16] Arnulf, A., Bricard, J., Cure, E. & Veret, C. Transmission by haze and fog in the spectral region 0.35 to 10 microns. J. Opt. Soc. Am. 47, 491-498 (1957).
[A] Dumont, M., Brissaud, O., Picard, G., Schmitt, B., Gallet, J.-C. &. Arnaud, Y., High-accuracy measurements of snow bidirectional reflectance distribution function at visible and NIR wavelengths - comparison with modelling results. Atmos. Chem. Phys. 10, 2507-2520 (2010).
[17] Korzh, B. et al. Provably secure and practical quantum key distribution over 307 km of optical fibre. Nature Photon. 9, 163-168 (2015).
[18] McCarthy, A. et al. Kilometer-range depth imaging at 1550 nm wavelength using an InGaAs/InP single-photon avalanche diode detector. Opt. Express 21, 19, pp. 22098-22113 (2013)
[19] Pawlikowska, A. M., Halimi, A., Lamb, R. A. & Buller, G. S. Single-photon three-dimensional imaging at up to 10 kilometers range. Opt. Express 25, 11919-11931 (2017).
[20] Jiang, X. et al. InP-based single photon detectors and geiger-mode APD arrays for quantum communication applications. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 21, 3800112 (2015).
[21] Sammak, A., Aminian, M., Nanver, L. K. & Charbon, E. CMOS-Compatible PureGaB Ge-on-Si APD pixel arrays. IEEE Trans. Electron Dev. 63, 92-99 (2016).
[22] Buller, G. S. et al. Time-resolved photoluminescence measurements of InGaAs/InP multiple-quantum-well structures at 1.3 μm wavelengths by use of germanium single-photon avalanche photodiodes. Appl. Opt. 35, 916-921 (1996).
[23] Loudon, A. Y. et al. Enhancement of the infrared detection efficiency of silicon photon-counting avalanche photodiodes by use of silicon germanium absorbing layers. Opt. Lett. 27, 219-221 (2002).
[24] Paul, D. J. 8-band k・p modelling of mid-infrared intersubband absorption in Ge quantum wells. J. Appl. Phys. 120, 043103 (2016).
[25] Kang, Y. et al. Monolithic germanium/silicon avalanche photodiodes with 340 GHz gain-bandwidth product. Nature Photon. 3, 59-63 (2009).
[26] Derose, C. T. et al. Ultra compact 45 GHz CMOS compatible germanium waveguide photodiode with low dark current. Opt. Express 19, 527- 534 (2011).
[27] Martinez, N. J. D. et al. High performance waveguide-coupled Ge-on-Si linear mode avalanche photodiodes. Opt. Express 24, 19072-19081 (2016).
[28] Lu, Z. et al. Geiger-mode operation of Ge-on-Si avalanche photodiodes. IEEE J. Quantum Electron. 47, 731-735 (2011).
[29] Warburton, R. E. et al. Ge-on-Si single-photon avalanche diode detectors: design, modeling, fabrication, and characterization at wavelengths 1310 and 1550 nm. IEEE Trans. Electron Dev. 60, 3807-3813 (2013).
[30] Martinez, N. J. D. et al. Single photon detection in a waveguide-coupled Ge-on-Si lateral avalanche photodiode. Opt. Express 25, 16130-16139 (2017).
[31] Webster, E. A. G. & Henderson, R. K. A TCAD and spectroscopy study of dark count mechanisms in single-photon avalanche diodes. IEEE Trans. Electron Dev. 60, 4014-4019 (2013).
[32] Sciacca, E. et al. Silicon planar technology for single-photon optical detectors. IEEE Trans. Elec. Dev. 50, 918-925 (2003).
[33] Zhang, J., Itzler, M. A., Zbinden, H. & Pan, J.-W. Advances in InGaAs/InP single-photon detector systems for quantum communication. Light: Science & Applications 4, e286 (2015).
[34] Tosi, A., Calandri, N., Sanzaro, M. & Acerbi, F. Low-noise, low-jitter, high detection efficiency InGaAs/InP single-photon avalanche diode. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 20, 3803406 (2014).
[35] Amri, E., Boso, G., Korzh, B. & Zbinden, H. Temporal jitter in free-running InGaAs/InP single-photon avalanche detectors. Optics Letters 41, 5728-5731 (2016).
[36] Paul, D. J. 8-band k.p modelling of the quantum confined Stark effect in Ge quantum wells on Si substrates. Phys. Rev. B 77, 155323 (2008).
[37] Dash, W. C. & Newman, R. Intrinsic optical absorption in single-crystal germanium and silicon at 77K and 300K. Phys. Rev. 99, 1151-1155 (1955).
[38] Itzler, M. A. et al. Single photon avalanche diodes (SPADs) for 1.5 μm photon counting applications. J. Modern Optics 54, 283-304 (2007).
[39] Wang, S., Ma, F., Li, X., Karve, G., Zheng, X. & Campbell, J. C. Analysis of breakdown probabilities in avalanche photodiodes using a history-dependent analytical model. Appl. Phys. Lett. 82, 1971-1973 (2003).
[40] Lacaita, A. & Mastrapasqua, M. Strong dependence of time resolution on detector diameter in single photon avalanche diodes. Electron. Lett. 26, 2053-2054 (1990).
[41] Varshni, Y. P. Temperature dependence of the energy gap in semiconductors. Physica 34, 149-154 (1967).
[42] Buller, G. S et al. Semiconductor avalanche diode detectors for quantum cryptography. IEEE LEOS Newsletter 20, (2006).
[43] Jiang, X., Itzler, M. A., Ben-Michael, R. & Slomkowski, K. InGaAsP-InP avalanche photodiodes for single photon detection. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13, 895-905 (2007).
[44] Korzh, B., Lunghi, T., Kuzmenko, K., Boso, G. & Zbinden, H. Afterpulsing studies of low-noise InGaAs/InP single-photon negative-feedback avalanche diodes. J. Modern Optics 62, 1151-1157 (2015).
[45] Tosi, A., Mora, A. D., Zappa, F. & Cova, S. Single-photon avalanche diodes for the near-infrared range: detector and circuit issues. J. Modern Optics 56, 299-308 (2009).
[46] Statz, H., deMars, G., Davis Jr., L. & Adams Jr., A. Surface states on silicon and germanium surfaces. Phys. Rev. 106, 455-464 (1957).
[47] Zhang, R., Iwasaki, T., Taoka, N., Takenaka, M. & Takagi, S. Al2O3/GeOx/Ge gate stacks with low trap density fabricated by electron cyclotron resonance plasma postoxidation. Appl. Phys. Lett. 98, 112902 (2011).
[48] Shevchenko, S. V. Electrical conductivity of germanium with dislocation grids. J. Exp. Theor. Phys. 88, 66-71 (1999).
[49] Sze, S. Physics of Semiconductor Devices. 2nd Ed. Wiley, New York (1981).
[50] Binetti, S., Pizzini, S., Leoni, E., Somaschini, R., Castaldini, A., & Cavallini, A. Optical properties of oxygen precipitates and dislocations in silicon. J. Appl. Phys. 92, 2437-2445 (2002).
[51] LeGoues, F. K., Meyerson, B. S., Morar, J. F. & Kirchner, P.D. Mechanism and conditions for anomalous strain relaxation in graded thin films and superlattices. J. Appl. Phys. 71, 4230-3243 (1992).
[52] Sauer, R., Weber, J., Soltz, J. Weber, E. R., Kusters, K. -H. and Alexander, H. Dislocation-related photoluminescence in silicon. Appl. Phys. A 36, 1-13 (1985).
[53] Noble, D. B., Hoyt, J. L., King, C. A. & Gibbons, J. F., Reduction in misfit dislocation density by the selective growth of Si1-xGex/Si in small areas. Appl. Phys. Lett. 56, 51-53 (1990).
[54] R. Tobin, A. Halimi, A. McCarthy, M. Laurenzis, F. Christnacher and G.S. Buller, "Depth imaging through obscurants using time-correlated single-photon counting" Proc. SPIE, 10659, 106590S (2018).
【図1】
【図2a】
【図2b】
【図3a】
【図3b】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12a】
【図12b】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
