【技术实现步骤摘要】
片上集成硅单光子探测器及其制备方法
[0001]本申请实施例涉及半导体光电子器件
,尤其涉及一种片上集成硅单光子探测器及其制备方法。
技术介绍
[0002]光子是量子信息技术中理想的信息载体,其中单光子探测器是光量子信息技术的核心部件。与经典光子学相似,光量子集成是提高性能和稳定性、降低功耗和体积的关键技术,是将量子信息技术稳健地从实验室推向实际应用的重大挑战。
[0003]铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)单光子探测器对接近1100nm处的近红外光具有高吸收系数和探测效率,其通过键合工艺与硅波导实现片上集成,但由于键合引入的位错、表面悬挂键及材料本身陷密度高,导致暗计数高,噪声大,而且由缺陷引入的后脉冲现象严重,长的死时间使得系统的计数率大幅降低。超导纳米线单光子探测器对接近1100nm处的近红外光具有高的探测效率,为解决硅基集成的单光子探测问题,其将超导纳米线嵌入硅波导中,实现了片上的非经典光子的光子相关测量。然而,由于超导纳米线与硅基波导光场模式不匹配,温度为3K下系统的平均单光子探测效率仅为10%,这与没有集成的超导纳米线的探测效率(可高达95%以上)相比,器件性能受到很大的影响。此外,受到超导纳米线工作原理的限制,芯片工作温度通常小于4K,需要配备体积庞大、成本昂贵的制冷系统,导致其应用领域严重受限。
[0004]此外,硅材料晶格完整,电子空穴离化系数比高,但受到硅材料禁带宽度本征限制,即受到硅材料对接近1100nm处的近红外光吸收系数小的限制,硅单光子探测器对接近1100nm处的 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种片上集成硅单光子探测器,其特征在于,包括:氮化硅波导,所述氮化硅波导用于接收并传输入射光,所述入射光的波长为300nm
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1100nm;硅导模探测器,所述硅导模探测器的长度方向与所述氮化硅波导内的光传输方向一致,所述硅导模探测器的宽度方向与所述硅导模探测器通电时所述硅导模探测器内的电流方向一致;所述硅导模探测器与所述氮化硅波导间隔设置,且所述氮化硅波导位于所述硅导模探测器高度方向的上部,所述硅导模探测器用于接收所述氮化硅波导耦合来的入射光,以及当所述硅导模探测器通电时,用于将所述入射光转换为电信号。2.根据权利要求1所述的片上集成硅单光子探测器,其特征在于,还包括光栅耦合器和模斑转换结构,所述模斑转换结构连接于所述光栅耦合器和所述氮化硅波导之间,所述模斑转换结构用于转换所述光栅耦合器的模斑尺寸,所述光栅耦合器用于接收并传输入射光;入射至所述光栅耦合器的入射光经所述光栅耦合器和所述模斑转换结构的传输后入射至所述氮化硅波导。3.根据权利要求1所述的片上集成硅单光子探测器,其特征在于,所述硅导模探测器包括雪崩区、吸收区、P型欧姆接触区、N型欧姆接触区、P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极;所述P型欧姆接触电极设置于所述P型欧姆接触区的上部,所述N型欧姆接触电极设置于所述N型欧姆接触区的上部;所述N型欧姆接触区、所述雪崩区、所述吸收区、所述P型欧姆接触区沿所述硅导模探测器的宽度方向依次排列。4.根据权利要求3所述的片上集成硅单光子探测器,其特征在于,所述氮化硅波导位于所述吸收区的上方,且所述氮化硅波导在所述吸收区上的正投影位于所述吸收区的内部。5.根据权利要求1所述的片上集成硅单光子探测器,其特征在于,所述硅导模探测器与所述氮化硅波导之间设置有支撑层,所述支撑层的厚度小于60nm;所述支撑层的折射率小于氮化硅,且所述支撑层的折射率小于硅。6.根据权利要求5所述的片上集成硅单光子探测器,其特征在于,所述支撑层为二氧化硅层。7.一种片上集成硅单光子探测器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:在硅衬底上沉积一层第二二氧化硅层,所述第二二氧化硅层的厚度小于60nm,所述硅衬底包括依次堆叠设置的第一硅层、第一二氧化硅层和第二硅层,所述第二二氧化硅层沉积于所述第二硅层的上部;对所述第二硅层进行处理,以形成硅导模探测器初始结构;在第二二氧化硅层上沉积一层第一氮化硅层;刻蚀掉部分第一氮化硅层以形成氮化硅波导,所述氮化硅波导的长度方向与所述硅衬底的长度方向相同,进入所述氮化硅波导内的光沿所述氮化硅波导的长度方向传输;刻蚀掉位于所述硅导模探测器初始结构上部的部分第二二氧化硅层,在刻...
【专利技术属性】
技术研发人员:刘巧莉,陈年域,胡安琪,郭霞,
申请(专利权)人:北京邮电大学,
类型:发明
国别省市:
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