一种背照式平面型SPAD及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种背照式平面型单光子雪崩光电二极管SPAD，包括盖层、吸收层和衬底，盖层上表面设置有介质

【技术实现步骤摘要】
一种背照式平面型SPAD及其制备方法


[0001]本专利技术属于光电二极管
，具体涉及一种背照式平面型SPAD及其制备方法。

技术介绍

[0002]单光子雪崩光电二极管(SPAD)目前在量子保密通信、量子成像、激光雷达、生物医疗及集成电路检测等领域有广泛的应用。当APD进入盖革模式，即外部电路提供反向偏压Vr高于器件的击穿电压Vbr，此时器件对极微弱光的瞬时响应电流可达到mA级别，即SPAD具备单光子探测能力。
[0003]单光子探测效率PDE是表征SPAD探测能力的重要参数，通常可以通过提高施加在器件两端的过偏压来实现PDE的提高；然而，在热激发、带间隧穿和缺陷辅助隧穿等效应的作用下，暗载流子所引发可自持雪崩所形成的暗计数同样随着过偏压的升高而增大。对于SPAD而言，满足一定PDE前提下的暗计数率是单光子性能核心指标，它决定着单光子雪崩信号的可提取程度。因此，降低暗计数率是实现高性能SPAD的关键技术。
[0004]降低平面型SPAD暗计数率的方法中，目前较为常见的是减小光敏面尺寸来控制耗尽区缺陷的数量，从而达到降低缺陷辅助隧穿发生的几率，进而降低SPAD的暗计数率。然而这种方法具有明显的局限性：
[0005](1)当耦光光斑尺寸大于光敏面尺寸、或发生耦光误差且耦光误差超过一定容差范围时，一方面会导致耦合效率下降，进而影响相同过偏压下的PDE；另一方面会引入电荷持续效应，即光生载流子在吸收层中耗尽区以外的区域产生后(即光生载流子产生位置不确定)，由于这些区域的纵向电场分量场强不够而导致载流子无法立即越过InGaAs/InP材料界面的价带带阶，只有在横向电场分量的作用下经过一定时间的横向漂移达到耗尽区并引起雪崩，横向漂移时间可达到150ns；这种延时无光雪崩将极大提高SPAD在6.67MHz以上速率的应用中触发误计数的概率，从而会增大SPAD的暗计数率；
[0006](2)光敏面减小后会导致电荷持续效应显著上升，进而导致暗计数率增加。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术解决的技术问题为：提供一种背照式平面型SPAD及其制备方法，能够抑制电荷持续效应，降低暗计数率，提高SPAD的性能。
[0008]为达到以上目的，
[0009]第一方面，本专利技术提供一种背照式平面型单光子雪崩光电二极管SPAD，所述SPAD包括盖层、吸收层和衬底，所述盖层上表面设置有介质
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金属反射镜，所述衬底下表面设置有微透镜；
[0010]入射光线从衬底下表面入射，所述微透镜用于将入射光线进行一次汇聚后发射至所述介质
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金属反射镜上，且一次汇聚的汇聚点在所述SPAD的中心轴上并位于所述吸收层内；
[0011]所述介质
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金属反射镜用于接收入射光线，并对入射光线进行反射和二次汇聚，且反射路径与入射光线的入射路径重合，二次汇聚的汇聚点与一次汇聚的汇聚点重合。
[0012]优选的，所述介质
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金属反射镜包括凸面介质层和凸面金属层；所述盖层包括盖层中部的弧形凸起；
[0013]所述凸面介质层设置于盖层中部的弧形凸起上；
[0014]所述凸面金属层设置于所述凸面介质层表面；
[0015]所述凸面介质层和所述凸面金属层均为向上的弧形凸起。
[0016]优选的，所述凸面介质层的厚度为10～500nm。
[0017]优选的，所述凸面金属层的材料选自Au、Pt、Ti中的至少一种。
[0018]优选的，所述微透镜包括衬底中部的弧形凸起以及设置在衬底中部的弧形凸起下表面的增透膜。
[0019]第二方面，本专利技术还提供一种背照式平面型SPAD的制备方法，所述制备方法包括在盖层上表面制备介质
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金属反射镜、以及在衬底下表面制备微透镜；
[0020]入射光线从衬底下表面入射，所述微透镜用于将入射光线进行一次汇聚后发射至所述介质
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金属反射镜上，且一次汇聚的汇聚点在所述SPAD的中心轴上并位于所述SPAD的吸收层内；
[0021]所述介质
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金属反射镜用于接收入射光线，并对入射光线进行反射和二次汇聚，且反射路径与入射光线的入射路径重合，二次汇聚的汇聚点与一次汇聚的汇聚点重合。
[0022]优选的，所述在盖层上表面制备介质
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金属反射镜的方法具体包括：
[0023]在盖层中部的弧形凸起的上表面沉积一层介质层，所述介质层包括介质层中部的弧形凸起；
[0024]对所述介质层进行刻蚀，得到环形接触窗口，所述环形接触窗口将所述介质层分为两个部分，位于介质层中间的部分为凸面介质层；
[0025]在所述凸面介质层上制作凸面金属层，得到介质
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金属层反射镜。
[0026]优选的，所述盖层中部的弧形凸起的制备方法具体包括：
[0027]在完成锌扩散的盖层表面，均匀旋涂光刻胶，得到光刻胶层；
[0028]将所述光刻胶层光刻成圆柱状的胶柱，所述胶柱位于盖层表面的中部；
[0029]对所述胶柱进行加热回流处理，得到表面呈弧形的光刻胶；
[0030]将所述表面呈弧形的光刻胶的形貌转移到盖层表面，得到盖层中部的弧形凸起。
[0031]优选的，所述环形接触窗口位于所述介质层中部的弧形凸起的外部。
[0032]优选的，所述在衬底下表面制备微透镜的制备方法具体包括：
[0033]在衬底下表面均匀旋涂光刻胶，并将光刻胶光刻成一个圆柱状的胶柱，所述胶柱位于衬底下表面的中部；
[0034]对胶柱进行加热回流处理，得到表面呈弧形的光刻胶，并将光刻胶形貌转移到衬底下表面，得到衬底中部的弧形凸起；
[0035]在衬底中部的弧形凸起的下表面上沉积一层增透膜，得到微透镜。
[0036]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0037](1)本实施例的微透镜和介质
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金属反射镜能够将光线的汇聚点控制在所述SPAD的中心轴上并位于所述吸收层内，实现了吸收层中光生载流子产生位置的精确控制，从而
达到了抑制电荷持续效应，减小暗计数率的目的。与现有技术中的SPAD相比，本专利技术的暗计数率可降低10～50％。
[0038](2)本专利技术的反射光线与入射光线的路径重合，反射光与入射光叠加相干会产生驻波，从而使吸收层内振幅增加，提高相同过偏压下的SPAD的单光子探测效率PDE，使得得到相同的单光子探测效率，所需要施加的过偏压降低，进而使暗载流子所引发可自持雪崩所形成的暗计数随着过偏压的降低而降低。
[0039](3)由于本专利技术的微透镜能够对入射光线进行汇聚，从而减小汇聚光斑的直径，减小汇聚光斑的质心偏差(即耦光偏差)。因此，本专利技术上述结构的SPAD对于一定范围的耦光偏差具有纠偏效果，能够提高SPAD器件制作时的容差。
附图说明
[0040]为了更清楚地说明本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种背照式平面型单光子雪崩光电二极管SPAD，所述SPAD包括盖层(6)、吸收层(7)和衬底(8)，其特征在于：所述盖层(6)上表面设置有介质
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金属反射镜，所述衬底(8)下表面设置有微透镜；入射光线(11)从衬底(8)下表面入射，所述微透镜用于将入射光线(11)进行一次汇聚后发射至所述介质
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金属反射镜上，且一次汇聚的汇聚点在所述SPAD的中心轴上并位于所述吸收层(7)内；所述介质
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金属反射镜用于接收入射光线(11)，并对入射光线(11)进行反射和二次汇聚，且反射路径与入射光线(11)的入射路径重合，二次汇聚的汇聚点与一次汇聚的汇聚点重合。2.如权利要求1所述的背照式平面型SPAD，其特征在于：所述介质
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金属反射镜包括凸面介质层(3)和凸面金属层(2)；所述盖层(6)包括盖层(6)中部的弧形凸起(60)；所述凸面介质层(3)设置于盖层(6)中部的弧形凸起(60)上；所述凸面金属层(2)设置于所述凸面介质层(3)表面；所述凸面介质层(3)和所述凸面金属层(2)均为向上的弧形凸起。3.如权利要求2所述的背照式平面型SPAD，其特征在于：所述凸面介质层(3)的厚度为10～500nm。4.如权利要求2所述的背照式平面型SPAD，其特征在于：所述凸面金属层(2)的材料选自Au、Pt、Ti中的至少一种。5.如权利要求1所述的背照式平面型SPAD，其特征在于：所述微透镜包括衬底(8)中部的弧形凸起(80)以及设置在衬底(8)中部的弧形凸起(80)下表面的增透膜(9)。6.一种背照式平面型SPAD的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括在盖层(6)上表面制备介质
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金属反射镜、以及在衬底(8)下表面制备微透镜；入射光线(11)从衬底(8)下表面入射，所述微透镜用于将入射光线(11)进行一次汇聚后发射至所述介质
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金属反射镜上，且一次汇聚的汇聚点在所述SPAD的中心轴上并位于所述SPAD的吸收层(7)内；...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊祎灵，曾磊，
申请(专利权)人：武汉光谷量子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：