一种波导集成的硅基单光子探测器制造技术

本发明专利技术涉及一种波导集成的硅基单光子探测器，属于半导体探测技术领域。该探测器包括SiN光波导、光纤-波导模斑耦合器和P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管，所述光纤-波导模斑耦合器包括SiO2悬空波导、SiN反锥形波导和SiO2支撑臂，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管呈叠层状结构，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管包括从上至下的P型欧姆接触电极、光吸收层、P型掺杂层、倍增区、N型欧姆接触电极、埋氧层和硅衬底，硅衬底顶部端面设有悬空的SiO2悬空波导，SiO2悬空波导输出端面连接SiN反锥形波导，SiN反锥形波导与SiN光波导相连并位于相同平面，SiN光波导另一端连接光吸收层3中的吸收区相连并处于同一平面。本发明专利技术使目前量子通信中空间光路在硅基芯片上通过波导结构实现，降低量子通信操作难度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种波导集成的硅基单光子探测器，属于半导体探测

技术介绍
量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式，是量子论和信息论相结合的研究新领域。量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性，在国家安全、军事、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景,已经逐步成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。单光子探测器是目前光量子通信中的重要组成部分。单光子探测器的性能，如量子效率、噪音、探测速率等，决定量子通信的系统性能与成败。目前使用的单光子探测器，无论是光电倍增管、面接收型半导体雪崩二极管、基于临界温度或临界电流密度的超导探测器，还是基于量子点的单光子探测器，虽然能够部分实现当前自由空间量子通信实验，但还有很大的局限性，不但严重影响量子通信系统的质量，还浪费大量的人力、物力。光电倍增管需要超过千伏的操作电压，而且量子效应低，体积大、性能不稳定。面接收型硅基半导体雪崩二极管需要接近20μm厚的硅吸收层提高量子效应，其盖革模式下偏置电压过高，同时降低了器件的响应速率；或者降低吸收层硅厚度来提高响应速率，但牺牲了量子探测效应。面接收型GaAs基半导体雪崩二极管由于材料自身的缺陷，其盖革模式下偏置电压下暗计数过高；在低温下操作此探测器可以降低暗计数，但加剧了后脉冲效应。基于超导材料和量子点的单光子探测器都在超低温下操作，需要复杂而又昂贵的超低温冷却系统，而且临界温度超导探测器其响应速率过低、临界电流密度超导探测器灵敏度小且制作难度过大。以上各种单光子探测器最大的缺点是难以实现在片上与波导光路、外围电路的有效集成，不利于实现量子通信系统的小型化和高稳定性，难以降低成本进行大范围实用化。硅材料制备工艺成熟，价格低廉、材料本身的缺陷低，能够对400nm~1100nm波长的单光子实现有效探测。硅基雪崩二极管探测器具有体积小、功耗低、量子效应高、响应速度快的特点。硅基探测器工艺与CMOS集成电路工艺完全兼容，能够实现与探测器外围电路的单片集成，降低芯片的尺寸、提高芯片的多功能性和稳定性。同时，硅基纳米波导器件的研究日趋成熟，已经能够在芯片上实现光信号的分束/合束、波分复用、滤波、衰减、增益、延迟、高速调制、高速探测等功能。而且，硅基纳米波导能够实现与光纤低损耗耦合，使集成芯片具有与光纤网络进行有效连接的能力。因此，硅基光电子集成技术可以为量子通信和光互联的发展提供一种可行性方案。由此可见，新型纳米波导集成的硅基单光子探测器，拥有在芯片上进行量子信息传输与探测的能力，并具有使用CMOS工艺与外围电路进行集成的潜力。SiN波导在可见光和近红外波段具有极低的传输损耗，并能实现与光纤的低损耗耦合，因此，采用SiN材料制作纳米波导用于光量子信号传输，SiN波导与硅基雪崩二极管吸收区进行低耦合损耗集成，光信号在硅吸收区横向传输并被吸收（不同于光在面接收型硅基二极管纵向传输），有利于克服面接收型硅基二极管厚吸收区的不利设计，能够在维持高光电转换效率的基础上实现低操作电压、低暗电流和更快的响应速率。该芯片可以使用800nm波段的光信号进行传输探测，且该波长信号在光纤中也可以实现低损耗传输，也可以采用目前使用的光纤通信波长信号通过频率向上转换技术实现硅基雪崩二极管单光子探测。从国内外情况来看，面接收型硅基雪崩二极管探测器在国外发展较成熟，已经有相关产品可用于单光子探测；而国内在该芯片的研制上少见有报道，多是通过购买国外的产品来组建系统实现单光子探测。从面接收型硅基雪崩二极管探测器性能上看，其光电探测效率与器件的响应速率、暗电流相互制约。采用厚的耗尽层结构，有助于提高其光电探测效率，但会降低器件的响应速率和增大暗电流；减小耗尽层厚度，又会使其光电探测效率降低。从芯片集成的角度看，面接收型硅基雪崩二极管探测器虽然可以满足自由空间或光纤的单光子探测，但整个光路的构建复杂、体积庞大，稳定性差。波导集成的硅基单光子探测器，可以用波导结构器件代替自由空间或光纤的光路，并与硅基二极管探测器进行单片集成，实现了波导输出的光在探测器耗尽层进行光电转换。由于此结构中光是平行于结面传输，不但可以保持高的光电转换效率条件下显著减小吸收层硅厚度和吸收层面积，也可以提高器件的响应速度和降低暗电路。该结构可以具有与CMOS集成电路进行集成的潜力。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题及不足，本专利技术提供一种波导集成的硅基单光子探测器。本硅基单光子探测器解决了现有基于自由空间光学平台的量子通信测试系统带来的体积庞大、高成本和易受干扰的问题以及量子通信测试系统难以与当前光网络连接的问题，本专利技术通过以下技术方案实现。一种波导集成的硅基单光子探测器，包括SiN光波导1、光纤-波导模斑耦合器和P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管，所述光纤-波导模斑耦合器包括SiO2悬空波导9、SiN反锥形波导10和SiO2支撑臂11，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管呈叠层状结构，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管包括从上至下的P型欧姆接触电极2、光吸收层3、P型掺杂层4、倍增区5、N型欧姆接触电极6、埋氧层7和硅衬底8，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的硅衬底8顶部端面设有通过SiO2支撑臂11支撑并悬空的SiO2悬空波导9，SiO2悬空波导9输出端面连接SiN反锥形波导10，SiN反锥形波导10与SiN光波导1一端相连并位于相同平面内，SiN光波导1另一端连接P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的光吸收层3中的吸收区相连并处于同一平面。所述SiN光波导1厚度为200~1000nm，宽度为300~1000nm。所述SiN光波导1与硅衬底8距离大于1μm，以消除硅衬底8对SiN波导1中传输光信号的吸收。SiN波导的输出端直接与P+IP-IN+结构的硅基雪崩二极管的光吸收层3吸收区相连，SiN波导水平位置约为硅基雪崩二极管的吸收区高度的中心。所述SiO2悬空波导9分为依次连接的SiO2直波导和SiO2锥形波导，SiO2锥形波导连接SiN光波导1。所述SiO2直波导尺寸与标准光纤相同，尺寸为10μm×10μm，够与光纤实现低损耗耦合；SiO2锥形波导尺寸为10μm×3μm，能够实现光场的压缩。压缩后的光场与SiN反向锥形波导10的光场相匹配，实现SiO2锥形波导与SiN反向锥形波导10的低损耗光耦合。所述SiN反锥形波导10的芯层为SiN波导，其包层为相对低折射率的SiO2材料；为实现低损耗耦合，SiN端面的宽度小于100nm。此光纤-波导模斑耦合器为悬空结构，目的是采用空气作为SiO2直波导和SiO2锥形波导的包层，实现光信号在两种SiO2波导中低损耗传输。悬空的光纤-波导模斑耦合器由SiO2支撑臂11支撑。所述光吸收层3的厚度为1~2μm。上述P+IP-IN+结构的硅基雪崩二极管中P型欧姆接触电极2由高掺杂B等离子形成，与金属正极相连。光吸收层3吸收层厚度约为1~2μm，能对来自SiN光波导1进行吸收从而产生载流子。P型掺杂层4是由低掺杂B等离子形成；倍增区5厚度约几个微米，能够实现对载流子的加速，产生雪崩现象。N型欧姆接触电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波导集成的硅基单光子探测器，其特征在于：包括SiN光波导（1）、光纤‑波导模斑耦合器和P+IP‑IN+结构的硅雪崩二极管，所述光纤‑波导模斑耦合器包括SiO2悬空波导（9）、SiN反锥形波导（10）和SiO2支撑臂（11），P+IP‑IN+结构的硅雪崩二极管呈叠层状结构，P+IP‑IN+结构的硅雪崩二极管包括从上至下的P型欧姆接触电极（2）、光吸收层（3）、P型掺杂层（4）、倍增区（5）、N型欧姆接触电极（6）、埋氧层（7）和硅衬底（8），P+IP‑IN+结构的硅雪崩二极管中的硅衬底（8）顶部端面设有通过SiO2支撑臂（11）支撑并悬空的SiO2悬空波导（9），SiO2悬空波导（9）输出端面连接SiN反锥形波导（10），SiN反锥形波导（10）与SiN光波导（1）一端相连并位于相同平面内，SiN光波导（1）另一端连接P+IP‑IN+结构的硅雪崩二极管中的光吸收层（3）中的吸收区相连并处于同一平面。

【技术特征摘要】
1.一种波导集成的硅基单光子探测器，其特征在于：包括SiN光波导（1）、光纤-波导模斑耦合器和P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管，所述光纤-波导模斑耦合器包括SiO2悬空波导（9）、SiN反锥形波导（10）和SiO2支撑臂（11），P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管呈叠层状结构，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管包括从上至下的P型欧姆接触电极（2）、光吸收层（3）、P型掺杂层（4）、倍增区（5）、N型欧姆接触电极（6）、埋氧层（7）和硅衬底（8），P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的硅衬底（8）顶部端面设有通过SiO2支撑臂（11）支撑并悬空的SiO2悬空波导（9），SiO2悬空波导（9）输出端面连接SiN反锥形波导（10），SiN反锥形波导（10）与SiN光波导（1）一端相连并位于相同平面内，SiN光波导（1）另一端连接P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的光吸收层（3）中的吸收区相连并处于同一平面。
2.根据权利要求1所述的波导集成的硅基单...

【专利技术属性】
技术研发人员：方青，陈剑鸣，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53