量子点宽谱单光子探测器及其探测方法技术

本发明专利技术公开了一种量子点宽谱单光子探测器及其探测方法。可见光到红外波段的单光子入射到器件有源区，量子点层吸收光子后产生激子，激子在受到量子点与多孔硅层异质结突变电场作用后发生分离，形成电子空穴对，载流子在电场作用下朝电极运动。器件在盖革模式的反偏电压下，重掺杂N+型层和重掺杂P+型层构成的PN结形成长耗尽区，载流子在高电场作用下加速碰撞，增益放大，形成可侦测电流。本发明专利技术具有探测效率高、室温、宽光谱、与集成电路CMOS工艺兼容、能将猝灭等控制和读出电路集成在单芯片上的优点，在少量光子和单光子探测器市场上应用前景广阔。

Quantum dot wide spectrum single photon detector and detection method thereof

The invention discloses a quantum dot wide spectrum single photon detector and a detecting method thereof. Visible to infrared single photon incident to an active region of the device, quantum dot layer to absorb photons generated by the exciton exciton, in quantum dots and porous silicon layer heterojunction field effect after mutation separation occurs, the formation of electron hole pairs, the carrier in the electric field at the electrode movement. Under the reverse bias voltage of the Geiger mode, the junction region of the PN junction is formed by heavily doped N+ type layer and heavily doped P+ type layer, and the carrier is accelerated under the influence of a high electric field. The present invention has high detection efficiency, room temperature, wide spectrum, and compatible with integrated circuit, CMOS technology can control quenching and readout circuit is integrated on a single chip advantage, in a small number of photons and single photon detectors on the market wide application prospect.

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于光学探测中的弱光信号探测
，特别涉及一种量子点宽谱单光子探测器及其探测方法。
技术介绍
：单光子是能够被传输的最弱光信号，在天文、量子通信、激光信号和生物医学检测等领域有广泛的应用，可观察单分子或单原子行为，也可应用于量子密钥分配技术中。在量子通信中，基于量子密钥分配通信技术，利用单光子的量子态进行编码，根据海森堡测不准原理，可实现信息的绝对保密传输，在信息通信中具有很强优势。传统的单光子探测器，国内外通常使用光电倍增管(PMT)，具有高增益、光敏面大和暗电流小优点，但工作在上千伏高电压，易受磁场影响，系统体积大，近红外波段探测效率低，由通常可见光500nm的40％探测效率跌落至1550nm的2％。近年来光电倍增管逐渐由工作在盖革模式下的半导体雪崩光电二极管单光子探测器代替，主要有硅雪崩二极管单光子探测器，InGaAs雪崩二极管单光子探测器等。但是这些单光子探测器都只能探测某一个波段，不能同时实现多波段探测。雪崩光电二极管单光子探测器基于半导体PN结，在反向偏压高于器件击穿电压的盖革模式下工作，光子被吸收后，光生载流子在反向偏压下加速碰撞引发增益雪崩，导致可侦测的大电流。硅雪崩光电二极管单光子探测器在可见光波段有很高的量子探测效率和低噪音，在600nm，探测效率可以高到70％，但是在红外波段的探测却较为困难。通常在红外波段用InGaAs/InP雪崩光电二极管、超导纳米线或上转换等探测器实现，但这样的探测器通常探测效率不高，只能达到接近20％的探测效率，而且由于暗计数率高，需工作在极低温度下，无法实现室温探测。在各种半导体材料的雪崩二极管单光子探测器，硅雪崩二极管单光子探测器技术最为成熟，Perkin-Elmer等公司已实现商用化，在可见光波段探测效率高。但由于硅材料本身的禁带宽度1.12eV，截止探测波长为1100nm，不适合红外光子探测。但硅材料是标准集成电路CMOS制程工艺所选材料，硅器件便于与其他光电器件集成在同一个芯片上。因此如何结合硅雪崩二极管单光子探测器的高增益性和能够探测红外波段的光敏材料结合，就成为研究和市场热点公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种量子点宽谱单光子探测器及其探测方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。为实现上述目的，本专利技术提供了一种量子点宽谱单光子探测器，包括：光吸收层、雪崩倍增结构层；所述光吸收层包括量子点层、多孔硅层，所述量子点层下方设置有多孔硅层；所述量子点层，用于吸收光子；所述多孔硅层，用于作为量子点吸收光子的宿主材料；所述雪崩倍增结构层为平面型硅雪崩二极管，可实现低压工作模式；而且与CMOS工艺兼容；所述硅雪崩二极管设置在多孔硅层下方，所述硅雪崩二极管包括重掺杂N+型层、重掺杂P+型层、P型层、重掺杂P型掩埋层、N型硅衬底、Au阴极、Au阳极、重掺杂P+区、重掺杂N++区；所述P型层长在重掺杂P型掩埋层上，所述重掺杂P型掩埋层，用于确保电流通路的低阻，在结构底部形成电极层；所述重掺杂N+型层嵌入P型层，用于制造出盆型区，形成虚拟保护环；所述P型层内注入重掺杂P+型层，用于决定有源区；所述重掺杂P+区10热沉提供了电极接触；所述Au阴极8、Au阳极9形成电极；所述重掺杂N++区长在N型硅衬底上，用于将单光子探测器与芯片上周围器件电学隔离。优选地，上述技术方案中，重掺杂N+型层和重掺杂P+型层构成的PN结形成长耗尽区，用于增益雪崩放大。优选地，上述技术方案中，量子点层为PbS量子点层，可探测可见到红外波段的双波段宽光谱。量子点宽谱单光子探测器的使用方法，其步骤为：(1)可见光到红外波段的单光子入射到器件有源区，量子点层吸收光子后产生激子，激子在受到量子点与多孔硅层异质材料界面的突变电场作用后发生分离，形成电子空穴对，载流子在电场作用下朝电极运动；(2)器件在盖革模式的反偏电压下，重掺杂N+型层和重掺杂P+型层构成的PN结形成长耗尽区，当载流子运动到此处，在高电场作用下加速碰撞形成更多载流子，增益放大，最后形成可侦测电流。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：结合了硅雪崩光电二极管探测的高增益性和PbS量子点在可见到红外波段吸收的可调性，能够实现可见和红外双波段的单光子探测，具有探测效率高、室温、宽光谱、与集成电路CMOS工艺兼容、能将猝灭等控制和读出电路集成在单芯片上的优点，在少量光子和单光子探测器市场上应用前景广阔。附图说明：图1为本专利技术量子点宽谱单光子探测器的CMOS工艺横截面示意图；图2为本专利技术器件光吸收层PbS量子点与多孔硅层的示意图；图3为本专利技术单光子探测器做成阵列示意图；附图标记为：1-量子点层、2-多孔硅层、3-重掺杂N+型层、4-重掺杂P+型层、5-P型层、6-重掺杂P型掩埋层、7-N型硅衬底、8-Au阴极、9-Au阳极、10-重掺杂P+区、11-重掺杂N++区。具体实施方式：下面对本专利技术的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本专利技术的保护范围并不受具体实施方式的限制。除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。如图1所示，一种量子点宽谱单光子探测器，包括：光吸收层、雪崩倍增结构层；所述光吸收层包括量子点层1、多孔硅层2，所述量子点层1下方设置有多孔硅层2；所述量子点层1，用于吸收光子；所述多孔硅层2，用于作为量子点吸收光子的宿主材料；所述雪崩倍增结构层为平面型硅雪崩二极管，所述硅雪崩二极管设置在多孔硅层2下方，所述硅雪崩二极管包括重掺杂N+型层3、重掺杂P+型层4、P型层5、重掺杂P型掩埋层6、N型硅衬底7、Au阴极8、Au阳极9、重掺杂P+区10、重掺杂N++区11；所述P型层5长在重掺杂P型掩埋层6上，所述重掺杂P型掩埋层6，用于确保电流通路的低阻，在结构底部形成电极层；所述重掺杂N+型层3嵌入P型层5，用于制造出盆型区，形成虚拟保护环；所述P型层5内注入重掺杂P+型层4，用于决定有源区；所述重掺杂P+区10热沉提供了电极接触；所述Au阴极8、Au阳极9形成电极；所述重掺杂N++区11长在N型硅衬底7上，用于将单光子探测器与芯片上周围器件电学隔离。重掺杂N+型层3和重掺杂P+型层4构成的PN结形成长耗尽区，用于增益雪崩放大。量子点层1为PbS量子点层，可探测可见到红外波段的双波段宽光谱。为了探测单光子的到达，需工作在盖革模式，器件工作电压稍高于击穿电压，线性模式虽能够放大电流，但增益不足够大，需采用发生雪崩巨大增益的盖革模式。可以调节耗尽区电场设计，使得击穿电压在20-40V。给器件施加反向偏压，当可见到红外波段0.7-2.5微米内的一个单光子耦合进量子点中，量子点吸收光子产生激子，激子遇到多孔硅异质材料后发生分离，形成电子空穴对；载流子在电场作用下朝相反电极运动。其中载流子在遇到重掺杂N+型层3和重掺杂P+型层4形成的PN结处，耗尽区内有极强电场，耗尽区通常控制在1到5微米，载流子加速并发生碰撞雪崩放大，最后形成可以侦测的电流。雪崩增益本文档来自技高网...

【技术保护点】
量子点宽谱单光子探测器，其特征在于：包括光吸收层、雪崩倍增结构层；所述光吸收层包括量子点层、多孔硅层，所述量子点层下方设置有多孔硅层；所述量子点层，用于吸收光子；所述多孔硅层，用于作为量子点吸收光子的宿主材料；所述雪崩倍增结构层为平面型硅雪崩二极管，所述硅雪崩二极管设置在多孔硅层下方，所述硅雪崩二极管包括重掺杂N+型层、重掺杂P+型层、P型层、重掺杂P型掩埋层、N型硅衬底、Au阴极、Au阳极、重掺杂P+区、重掺杂N++区；所述P型层长在重掺杂P型掩埋层上，所述重掺杂P型掩埋层，用于确保电流通路的低阻，在结构底部形成电极层；所述重掺杂N+型层嵌入P型层，用于制造出盆型区，形成虚拟保护环；所述P型层内注入重掺杂P+型层，用于决定有源区；所述重掺杂P+区10热沉提供了电极接触；所述Au阴极8、Au阳极9形成电极；所述重掺杂N++区长在N型硅衬底上，用于将单光子探测器与芯片上周围器件电学隔离。

【技术特征摘要】
1.量子点宽谱单光子探测器，其特征在于：包括光吸收层、雪崩倍增结构层；所述光吸收层包括量子点层、多孔硅层，所述量子点层下方设置有多孔硅层；所述量子点层，用于吸收光子；所述多孔硅层，用于作为量子点吸收光子的宿主材料；所述雪崩倍增结构层为平面型硅雪崩二极管，所述硅雪崩二极管设置在多孔硅层下方，所述硅雪崩二极管包括重掺杂N+型层、重掺杂P+型层、P型层、重掺杂P型掩埋层、N型硅衬底、Au阴极、Au阳极、重掺杂P+区、重掺杂N++区；所述P型层长在重掺杂P型掩埋层上，所述重掺杂P型掩埋层，用于确保电流通路的低阻，在结构底部形成电极层；所述重掺杂N+型层嵌入P型层，用于制造出盆型区，形成虚拟保护环；所述P型层内注入重掺杂P+型层，用于决定有源区；所述重掺杂P+区10热沉提供了电极接触；所述Au阴极8、Au阳极9形成电极；所述重掺杂N++...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙，侯颖，乔丹，
申请(专利权)人：无锡纳瓦特电子有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32