CN106057957B - 具有周期性纳米结构的雪崩光电二极管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于量子信息中单光子探测的硅基雪崩光电二极管，其包括SOI衬底以及形成于SOI衬底上的PIN结构，其中在PIN结构的最外层还形成有由周期性的金字塔或倒金字塔形的纳米结构作为入射窗。其中纳米结构采用单晶硅作为金字塔基本单元的主体材料。借助本发明的雪崩光电二极管结构，使得能够利用现有的基于硅的制备工艺进行雪崩二极管的制备，并且简化了二极管的层次结构，使得能够在提供改善的时间分辨能力的同时，提供良好的探测效率，并且适应于大规模、高成品率的工业化生产。

Description

具有周期性纳米结构的雪崩光电二极管

技术领域

本发明涉及雪崩光电二极管，特别是应用于量子信息中单光子探测的硅基雪崩光电二极管。

背景技术

最近几十年来，量子信息领域受到越来越多的关注，特别是近十年来量子保密通信的飞速发展，更是让人感觉到一个新的产业即将发展成熟。由于光子传播速度快且不容易受环境影响，大多数量子信息技术依赖光子进行量子态的制备、调控、传输和测量，进而实现对量子信息的处理。然而光子的能量非常小，比如对于850nm的光子，其能量仅为2.3×10-19焦耳，如何准确而高效地探测如此微弱能量的光子是量子信息的一个关键难题。已经有很多种技术手段能实现单光子探测，在量子信息比较关注的近红外波段，就有基于超导纳米线、TES、雪崩光电二极管等的成熟技术。其中，基于雪崩光电二极管的单光子探测技术一直被认为是最经济、体积最小、最容易被量子信息领域广泛采用的技术手段，对量子信息产业化有重要意义。量子信息对单光子的探测效率和时间分辨都有很高的要求，然而对于量子信息比较感兴趣的近红外波长，这两个指标一般来说是互相制约的，很难同时提高。例如，由于硅材料对近红外光的吸收系数较小，在公知的硅雪崩光电二极管的设计中，一般通过增加吸收层厚度的办法来提高850nm光子的探测效率，然而吸收层厚度的增加必然导致光子到达时间分辨变差。一种改进的办法是通过在雪崩光电二极管上下增加谐振腔，使得光子可以多次穿过吸收层，等效于增加了吸收层的厚度，可以使用薄的吸收层同时实现高的探测效率和高的时间分辨。然而这种改进办法是谐振型的，也就是说只对某些特定的波长起作用，并且谐振效果越好，可用的波长范围就越小，这在多方量子通信等应用中使用起来很不方便。

近来，从理论上提出了一种新的雪崩光电二极管模型结构。如图1所示，为了同时获得近红外波段高探测效率和高的时间分辨(ps量级)，在该理论模型中提出了在本征层厚度为1000纳米的PIN结构的上下各增加由氮化硅组成的周期性纳米锥结构，上层纳米锥底宽400纳米，高800纳米，间距400纳米，下层纳米锥底宽750纳米，高250纳米，间距800纳米。同时在下层纳米锥的下方2000纳米处放置一个200纳米厚的银平面层，在银平面层和下层纳米锥之间填充不吸收光的二氧化硅。该雪崩二极管理论模型中使用了薄的PIN结，同时陷光结构减小了载流子被电极收集的时间，从而具有很高的时间分辨能力。一般情况下，由于光子只在垂直方向传输，普通的薄PIN结无法充分吸收光子，探测效率很低。理论模型中的雪崩二极管采用两层纳米锥结构和银平面层结构来提高薄PIN结对光子的吸收。

这种雪崩二极管模型从理论上看是非常完美的，可以具有较佳的性能，然而在实际制造的时候会遇到很多难题，使得其只可以在实验室实现极小规模的原型生产，但目前还无法大规模高成品率的生产制造。例如，由于氮化硅是非晶态，要在亚微米尺度上制备周期性精密圆锥结构并非易事，而非理想圆锥结构会影响陷光结构，进而影响探测效率。此外，要在约1微米厚的PIN结两面均制备这种复杂锥形结构就更难了，其背面的制备需要非常复杂的工艺(百微米量级深度刻蚀，在刻蚀出的凹槽里做氮化硅沉积并进行刻蚀)，成本极高，无法控制，成品率低。银平面层的制备会引入金属离子，在单光子探测器的制备中只能在探测器制备完成之后，否则会降低器件性能如暗记数。氮化硅和硅的交界面处会产生折射率突变，不利于降低反射，造成探测效率的降低。

因此，需要一种改进的雪崩管结构，其既能够保证获得理论上最佳的性能，同时又易于进行大规模高成品率的工业生产应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种硅基雪崩光电二极管，其在近红外波段较宽的波长范围内具有较好的单光子探测效率和时间分辨能力。

(二)技术方案

本发明提供一种雪崩光电二极管，其自下而上依次包括Si衬底层、SiO₂层、P+欧姆接触层、P-过渡层、本征层、N-过渡层及N+欧姆接触层，其中，所述Si衬底层、SiO₂层及P+欧姆接触层形成SOI衬底，P-过渡层、本征层、N-过渡层及N+欧姆接触层在SOI衬底上形成圆形台面结构；

雪崩光电二极管还包括形成于N+欧姆接触层上的N电极层，以及形成于所述P+欧姆接触层上的P电极层；

其中，N+欧姆接触层上还形成有周期性的纳米结构，纳米结构的基本单元为金字塔或倒金字塔形状，金字塔或倒金字塔的底部紧密连接在一起且主体材料为单晶硅。

进一步，纳米结构中金字塔或倒金字塔的高度、所述纳米结构的重复周期被设置成与待探测光的波长接近，使得在所述波长范围内实现折射率从空气到纳米结构的平缓过渡。

进一步，纳米结构的重复周期为700-900nm，金字塔或倒金字塔的高度为400-800nm。

进一步，纳米结构的重复周期为850nm，金字塔或倒金字塔的高度为450nm。

进一步，SiO₂层与所述Si衬底层构成反射结构，反射结构与纳米结构形成光学谐振腔。

进一步，SiO₂层与所述N+欧姆接触层之间的距离被设置成在所述光学谐振腔内提供水平波导模式。

进一步，本征层的厚度为700nm。

进一步，P+欧姆接触层、P-过渡层、本征层、N-过渡层及N+欧姆接触层采用外延生长的方式形成。

进一步，N电极层近所述圆形台面的外周且为环形，P电极层位于圆形台面与P+欧姆接触层的外周之间且为环形。

进一步，雪崩光电二极管还包括保护层，其由对周期性纳米结构表面进行氧化而形成，所述保护层覆盖在圆柱形台面的表面和侧壁和P+欧姆接触层的上表面，并且让N+电极层和P电极层露出。

(三)有益效果

本发明提供的具有周期性纳米结构的雪崩光电二极管，通过对各层的尺寸参数进行设计，可以使雪崩光电二极管具有较好的单光子探测效率和时间分辨能力。另外，本发明中的SiO₂层与Si衬底层构成反射结构，并且，反射结构与纳米结构形成光学谐振腔，其相比于现有技术，将现有技术中的由上下两层纳米结构与银反射层配合形成的复杂光子收集结构换成了由上层纳米结构与SOI反射层形成的简单结构，减少了一层纳米结构，简化了制备流程，同时可以使得制备工艺与现有标准的CMOS工艺兼容，大大降低了实现难度，改善了工业应用性。

附图说明

图1为现有单光子雪崩光电二极管模型的示意性透视图。

图2为本发明提供的单光子雪崩光电二极管的示意性剖面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图2示出了根据本发明的单光子雪崩光电二极管的剖面图。如图2所示，本发明的单光子雪崩光电二极管为圆形台面PIN结构，其包括由Si衬底层1、SiO₂层2及P+欧姆接触层3组成的SOI衬底。

在该SOI衬底上，还依次设置有P-过渡层4、本征层5、N-过渡层6及N+欧姆接触层7，从而在该SOI衬底上形成圆形台面结构。此外，在N+欧姆接触层7上靠近圆形台面的外周还形成有环形的N电极层8，在SOI衬底的P+欧姆接触层3上形成有环形的P电极层9。

其中，N+欧姆接触层7的上表面被设计成具有周期性的纳米结构，该纳米结构的基本单元为金字塔或者倒金字塔，这些金字塔具有同样的尺寸且按照品字形或阵列式作密集周期性排列，其中，金字塔底部紧密连接在一起，且其主体材料由单晶硅组成。

在本发明的一个方面，由于采用周期性金字塔(倒金字塔)纳米结构来形成入射窗，且其中纳米结构的特征尺寸，即金字塔的重复周期(底宽)，被设置成与光波长接近，具体地，偏差在±20％以内，因而可以实现折射率从空气到纳米结构材料(例如本例中的硅)的平缓过渡，而非通常的阶跃形突变，大大降低普通增透膜因折射率的不连续而带来的反射。在本发明中，所谓平缓过渡是指近似线性的变化。同时，由于入射窗中提供了折射率从空气到纳米材料的平缓过渡，这种平缓过渡是不再是针对特定波长的，因此，其在与纳米结构特征尺寸相关的较大波长范围内均能很好地抑制反射损耗，表现出优秀的增透效率，明显优于只在特定波长上表现出增透效果的普通增透膜。此外，还发现，借助本发明的纳米结构，使得对于入射光的入射角度敏感性也明显小于现有技术。另外，在光子穿过这种纳米结构时，其传播方向会被纳米结构打散，从而增加其在吸收层之间的传播距离。

优选地，在本发明中，周期性纳米结构中的金字塔可以被设计成高度为450nm，重复周期为850nm。借助该特征尺寸，可以使得入射窗对于600-1000nm波长范围内的光表现出90-96％的透射率。

进一步地，本发明的纳米结构由于采用了金字塔或倒金字塔形状，且以单晶硅为主体制备材料，不但可以借助入射窗与吸收层之间的材料匹配消除诸如采用氮化硅等其他材料引起的光路上折射率的突变而造成的反射损耗，而且可以利用现有技术在硅片上制备出高质量的周期性纳米结构，极大改善本发明的雪崩二极管的工业应用性，使得在工业上进行大规模高成品率的制造成为可能。

在本发明的另一方面，由于采用了SOI衬底结构，在雪崩管的PIN结构下引入了SiO₂层2，借助SiO₂层2与其下方的Si衬底层1之间的折射率差异形成高效的反射结构，从而将现有技术中的由上下两层纳米结构与银反射层配合形成的复杂光子收集结构换成了由上层纳米结构与SOI反射层形成的简单结构。在这种简单结构中，减少了一层纳米结构，简化了制备流程，同时可以使得制备工艺与现有标准的CMOS工艺兼容，大大降低了实现难度，改善了工业应用性。此外，还应注意到，在本发明中借助SiO₂层2替代了银层，从而消除了设置银层所需要的额外工艺及其造成的金属离子影响，避免了由此造成的暗计数指标恶化。

进一步地，由于减少了一层纳米结构，因而可以将上层纳米结构的尺寸相应增大至近红外波长，例如使其特征尺寸(金字塔的高度及其重复周期)在700nm至1微米左右，从而将雪崩二极管的应用范围扩展至近红外范围。并且，结构周期尺寸的加大将更有利于降低加工难度，提高成品率。

在本发明的又一方面，周期性纳米结构与由SiO₂层2与Si衬底层1构成的反射结构还可以被设置成形成一个光学谐振腔结构，其中吸收层将位于该光学谐振腔结构内。因此，从周期性纳米结构的入射窗入射的光子可以在该谐振腔内实现多次反射，从而大大增加被吸收的概率。进一步地，还可以将SiO₂层2与形成有该纳米结构的N+欧姆接触层7之间的距离设置成可以在光学谐振腔内提供水平波导模式。因此，垂直入射的光子中被周期性纳米结构改变传播方向的部分可以被耦合到该光学谐振腔的水平波导模式中，从而增加这部分光子在吸收层中传播路径，进一步改善光子的吸收效率。借助上述设置，在本发明的雪崩二极管中，可以将吸收层形成为具有大的水平方向尺寸和很薄的垂直方向尺寸，从而在获得时间分辨能力的同时，保证良好的光子探测效率。发明人经研究发现，这种结构特别适合增强长波长范围上的吸收效率，尤其适合用于提高薄吸收层的光电二极管的外量子效率。

在本发明的优选实施例中，金字塔的重复周期(底宽)可以在700nm到900nm之间，高度在400nm到800nm之间。更优选地，金字塔的重复周期(底宽)可以为850nm，高度为450nm。同时，SiO₂层2的厚度可以为500nm。P+欧姆接触层3的厚度可以为400nm，且掺杂浓度为1E19/cm-3。P-过渡层4的厚度可以为400nm，且掺杂浓度为1E18/cm-3。N-过渡层6的厚度可以为200nm，且掺杂浓度为1E18/cm-3。N+欧姆接触层7的厚度可以为600nm，且掺杂浓度为1E19/cm-3。本征层5中不进行掺杂处理，且其厚度可以设置为700nm。基于上述优选的参数设置，可以使雪崩管获得30ps以下(半高宽)的光子时间分辨，同时保证很高的外量子效率。例如，对于850nm波长的光子，其外量子效率可以达到40％以上。此外，还可以将雪崩电压降低至10V左右，使得该雪崩二极管能够很好地适合低功耗和高速门控应用。

进一步地，还可以通过对周期性纳米结构表面进行氧化，以形成一层SiO₂保护层10，从而对雪崩二极管的外露区域提供保护，改善其整体可靠性及使用寿命。具体而言，该保护层10可以被设置成覆盖在圆柱形台面的表面和侧壁，以及P+欧姆接触层3的上表面，并且让N+电极层8和P电极层9露出。优选地，该保护层10的厚度可以设置约为100nm。

在本发明的又一个方面，由于本发明的雪崩二极管的PIN结可以很薄，因此可以采用外延生长的办法形成整个PIN结，相比一般的扩散或者离子注入等工艺，用外延生长的办法形成PIN结可以得到更精细的精度以及更少的杂质和缺陷，暗计数和后脉冲可以做得更小。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管自下而上依次包括Si衬底层(1)、SiO₂层(2)、P+欧姆接触层(3)、P-过渡层(4)、本征层(5)、N-过渡层(6)及N+欧姆接触层(7)，其中，所述Si衬底层(1)、SiO₂层(2)及P+欧姆接触层(3)形成SOI衬底，所述P-过渡层(4)、本征层(5)、N-过渡层(6)及N+欧姆接触层(7)在所述SOI衬底上形成圆形台面结构；

所述雪崩光电二极管还包括形成于所述N+欧姆接触层(7)上的N电极层(8)，以及形成于所述P+欧姆接触层(3)上的P电极层(9)；

其中，所述N+欧姆接触层(7)上还形成有周期性的纳米结构，所述纳米结构的基本单元为金字塔或倒金字塔形状，所述金字塔或倒金字塔的底部紧密连接在一起且主体材料为单晶硅。

2.如权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述纳米结构的重复周期被设置成与待探测光的波长的偏差在±20％以内，使得在所述波长范围内实现折射率从空气到纳米结构的平缓过渡。

3.如权利要求2所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述纳米结构的重复周期为700-900nm，金字塔或倒金字塔的高度为400-800nm。

4.如权利要求3所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述纳米结构的重复周期为850nm，金字塔或倒金字塔的高度为450nm。

5.如权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述SiO₂层(2)与所述Si衬底层(1)构成反射结构，所述反射结构与所述纳米结构形成光学谐振腔。

6.如权利要求5所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述SiO₂层(2)与所述N+欧姆接触层(7)之间的距离被设置成在所述光学谐振腔内提供水平波导模式。

7.如权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述本征层(5)的厚度为700nm。

8.如权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述P+欧姆接触层(3)、P-过渡层(4)、本征层(5)、N-过渡层(6)及N+欧姆接触层(7)采用外延生长的方式形成。

9.如权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述N电极层(8)靠近所述圆形台面的外周且为环形，所述P电极层(9)位于所述圆形台面与所述P+欧姆接触层(3)的外周之间且为环形。

10.如权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，还包括保护层(10)，其由对周期性纳米结构表面进行氧化而形成，所述保护层(10)覆盖在圆柱形台面的表面和侧壁和P+欧姆接触层(3)的上表面，并且让N+电极层(8)和P电极层(9)露出。