高时间分辨率单光子探测器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高时间分辨率单光子探测器及其制备方法，高时间分辨率单光子探测器包括：半导体基体，包括衬底和外延层；钝化层，形成于外延层的背向衬底的一侧；倍增层，形成于外延层内；第一欧姆接触层，形成于外延层内，第一欧姆接触层的两侧分别与倍增层和钝化层接触；第一欧姆接触电极，与钝化层同层布置，并与第一欧姆接触层连接；第二欧姆接触电极，与半导体基体连接。根据本发明专利技术的高时间分辨率单光子探测器，可以构建出弹道电场结构，为进入倍增层的载流子提供初始动能，变强场激发模式为利用弹道电场提高载流子动能的模式，在保证载流子碰撞概率的同时抑制散射随机性，保持低功耗、低噪声的高确定性输运，从而提高时间分辨率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
高时间分辨率单光子探测器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光电探测
，尤其涉及一种高时间分辨率单光子探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]盖革模式的硅雪崩光电探测器，也称为硅单光子探测器，由于总体上具有探测效率较高、暗计数和后脉冲较低等优点，被广泛应用于国防安全、航空航天、深空探测、卫星遥感、侦查导航等多个高科技领域。
[0003]目前，单光子探测器的研制主要有两种技术路线，一种是采用厚吸收区垂直电学结构，探测效率达75%，时间分辨率却大于200 ps，即时间分辨率较低。另一种是采用二次外延薄吸收区水平电学结构，通过反向pn结屏蔽耗尽区外慢扩散的光生电荷，过偏压5V，
‑
25 ℃下时间分辨达35 ps，虽然时间分辨率得到提高，但因外延的吸收区薄(~5μm)导致探测效率最高52%，且低温、横向电场结构导致系统功耗大。
[0004]并且，基于 PN结雪崩反向击穿机制的单光子探测器，其雪崩击穿大多须强场激发，存在着载流子与晶格碰撞随机性严重，使得光子触发雪崩电流的时刻存在时间抖动即时间噪声，引起测量光子到达时刻不精确、不灵敏的难题。

技术实现思路

[0005]鉴于上述问题，本专利技术提供一种高时间分辨率单光子探测器及其制备方法，可以克服上述技术问题。
[0006]本专利技术提供一种高时间分辨率单光子探测器，包括：半导体基体，所述半导体基体包括衬底和外延层；钝化层，所述钝化层形成于所述外延层的背向所述衬底的一侧；倍增层，所述倍增层形成于所述外延层内；第一欧姆接触层，所述第一欧姆接触层形成于所述外延层内，所述第一欧姆接触层的两侧分别与所述倍增层和所述钝化层接触；第一欧姆接触电极，所述第一欧姆接触电极与所述钝化层同层布置，并与所述第一欧姆接触层连接；第二欧姆接触电极，所述第二欧姆接触电极与所述半导体基体连接。
[0007]根据本专利技术的高时间分辨率单光子探测器，可以通过调控第一欧姆接触层、倍增层以及光吸收层的掺杂类型、掺杂浓度、注入能量和厚度、以及器件制备工艺中温度和时间等条件，使得倍增层表面掺杂浓度低于峰值掺杂浓度，且与第一欧姆接触层的掺杂浓度峰值空间分离，从而构建出弹道电场结构，为进入倍增层的载流子提供初始动能，提高载流子平均自由程并缩短雪崩建立时间，即可变传统的强场激发模式为利用弹道电场结构提高载流子动能获取效率的模式，使得器件在保证碰撞概率的同时抑制散射随机性，载流子在倍增放大的同时转化为保持低功耗、低噪声的高确定性输运，进而提高时间分辨率。
[0008]根据本专利技术的一些实施例，所述外延层构成光吸收层，所述外延层为高阻外延层；或者，所述光吸收层由所述半导体基体通过减薄工艺形成。
[0009]根据本专利技术的一些实施例，所述倍增层和所述第一欧姆接触层采用量子阱结构、
量子线结构、量子点结构以及无量子效应的体结构中的其中一种。
[0010]根据本专利技术的一些实施例，所述第二欧姆接触电极形成于所述衬底的背向所述外延层的一侧；或者，所述第二欧姆接触电极与所述第一欧姆接触电极同层布置，并与所述外延层连接。
[0011]根据本专利技术的一些实施例，所述第一欧姆接触层为N型掺杂，所述倍增层为P型掺杂；或者，所述第一欧姆接触层为P型掺杂，所述倍增层为N型掺杂。
[0012]在一些实施例中，所述第一欧姆接触层、所述倍增层和所述光吸收层中的任意一个均由Si、InGaAs、SiC、GaN、石墨烯和二硫化钼中的至少一种材料制备而成。
[0013]根据本专利技术的一些实施例，所述高时间分辨率单光子探测器还包括：保护环，所述保护环设于所述光吸收层内，所述保护环的至少部分结构围设于所述第一欧姆接触层的周侧，所述保护环背向所述衬底的一侧与所述钝化层接触。
[0014]根据本专利技术的一些实施例，所述保护环通过掺杂形成，或者，所述保护环构造为浅沟槽隔离结构。
[0015]本专利技术第二方面提供一种高时间分辨率单光子探测器的制备方法，用以制备根据本专利技术第一方面所述的高时间分辨率单光子探测器，所述制备方法包括以下步骤：制备半导体基体，所述半导体基体包括衬底和外延层；在所述外延层上形成钝化层；在所述外延层内形成倍增层；在所述倍增层上形成第一欧姆接触层；在所述第一欧姆接触层上形成第一欧姆接触电极；在所述半导体基体上形成第二欧姆接触电极。
[0016]根据本专利技术的一些实施例，在所述倍增层上形成第一欧姆接触层之前，还包括以下步骤：在所述外延层上形成保护环，所述保护环的至少部分结构围设于所述第一欧姆接触层的周侧，所述保护环背向所述衬底的一侧与所述钝化层接触。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1为本专利技术实施例的高时间分辨率单光子探测器的结构示意图；图2为本专利技术实施例的高时间分辨率单光子探测器的制备过程示意图之一；图3为本专利技术实施例的高时间分辨率单光子探测器的制备过程示意图之二；图4为本专利技术实施例的高时间分辨率单光子探测器的制备过程示意图之三；图5为本专利技术实施例的高时间分辨率单光子探测器的制备过程示意图之四；图6为本专利技术实施例的高时间分辨率单光子探测器的制备方法示意图；图7a为本专利技术实施例的单光子探测器的弹道输运结构的能带示意图；图7b为传统雪崩产生结构的能带示意图；图8为本专利技术实施例的高时间分辨率单光子探测器和传统雪崩结构的能带计算结果对比图；图9为本专利技术实施例的高时间分辨率单光子探测器的时间分辨率调控效果图。
[0019]附图标记说明：
100
‑
高时间分辨率单光子探测器；1
‑
半导体基体；11
‑
衬底；12
‑
光吸收层；2
‑
钝化层；3
‑
倍增层；4
‑
第一欧姆接触层；5
‑
第一欧姆接触电极；6
‑
第二欧姆接触电极；7
‑
保护环。
具体实施方式
[0020]为了使本申请实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本申请保护的范围。
[0021]盖革模式的硅雪崩光电探测器，也称为硅单光子探测器，由于总体上具有探测效率较高、暗计数和后脉冲较低等优点，被广泛应用于国防安全、航空航天、深空探测、卫星遥感、侦查导航等多个高科技领域。其中，基于pn结雪崩反向击穿机制的单光子探测器，雪崩击穿大多须强场激发，存在着载流子与晶格碰撞随机性严重，使得光子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高时间分辨率单光子探测器，其特征在于，包括：半导体基体，所述半导体基体包括衬底和外延层；钝化层，所述钝化层形成于所述外延层的背向所述衬底的一侧；倍增层，所述倍增层形成于所述外延层内；第一欧姆接触层，所述第一欧姆接触层形成于所述外延层内，所述第一欧姆接触层的两侧分别与所述倍增层和所述钝化层接触；第一欧姆接触电极，所述第一欧姆接触电极与所述钝化层同层布置，并与所述第一欧姆接触层连接；第二欧姆接触电极，所述第二欧姆接触电极与所述半导体基体连接。2.根据权利要求1所述的高时间分辨率单光子探测器，其特征在于，所述外延层构成光吸收层，所述外延层为高阻外延层；或者，所述光吸收层由所述半导体基体通过减薄工艺形成。3.根据权利要求1所述的高时间分辨率单光子探测器，其特征在于，所述倍增层和所述第一欧姆接触层采用量子阱结构、量子线结构、量子点结构以及无量子效应的体结构中的其中一种。4.根据权利要求1所述的高时间分辨率单光子探测器，其特征在于，所述第二欧姆接触电极形成于所述衬底的背向所述外延层的一侧；或者，所述第二欧姆接触电极与所述第一欧姆接触电极同层布置，并与所述外延层连接。5.根据权利要求1所述的高时间分辨率单光子探测器，其特征在于，所述第一欧姆接触层为N型掺杂，所述倍增层为P型掺杂；或者，所述第一欧姆接触层为P型掺杂，所述倍增层为N型掺杂。6.根据权利要求2所述的高时间分...

【专利技术属性】
技术研发人员：张世凤，任艳玲，李少斌，胡安琪，刘巧莉，郭霞，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：