CN114388632B - 基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器及制备方法，包括外延片、形成于所述外延片上像素单元、形成于所述外延片上且与所述像素单元电连接的P电极以及形成于所述外延片底部的N电极；所述像素单元包括一形成于所述外延片内的有源区以及一形成于所述外延片内且环绕所述有源区设置的浮置环，所述P电极对应形成于所述有源区的上表面且与所述有源区和浮置环的一端均电连接；通过在单光子探测器上集成有源区和围绕有源区设置的浮置环，在抑制边缘击穿效应的同时获得自淬灭结构，且二者均采用闭管或MOCVD工艺实现，二者工艺兼容、易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及单光子探测器技术领域，特别是涉及一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器及制备方法。
背景技术
雪崩光电二极管(APD)单光子探测器的工作电压高于击穿电压，光生载流子在器件内部高电场作用下发生自持雪崩现象(雪崩增益高达106～108)，持续输出巨大雪崩电流，利用这种宏观的雪崩电流可以实现对单光子微弱信号探测。按照工作模式不同，可以分为门控模式APD单光子探测器和自由运行APD单光子探测器。门控模式APD单光子探测器通过周期性门控信号来控制器件的工作状态，没有自淬灭结构，只能探测周期光信号和到达时间已知的光信号。对于达到时间未知的光信号，必须使用自由运行APD单光子探测器。多像素自由运行APD单光子探测器将多个探测器芯片集成在一起，具有光子分辨能力，广泛应用于激光通信、测距、激光雷达、生物荧光检测等领域。
自由运行APD的一种实现方式是通过外部检测电路对APD器件进行淬灭，但这种探测器的寄生参数大，淬灭时间受电路性能限制。为了减少寄生参数，另一种实现方式是在APD芯片上制作“蚊香状”外置电阻丝，通过电阻的分压负反馈作用来获得自淬灭结构，实现自由运行APD单光子探测器，然而，“蚊香状”电阻丝一般为多晶硅或CrSi薄膜，与APD工艺不兼容，需要额外的工艺步骤，不利于多像素集成。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器及制备方法，以解决现有技术中外置电阻丝导致的自淬灭结构与APD工艺不兼容、需要额外的工艺步骤以及不利于多像素集成的问题。
为达到上述目的，本发明的第一方面提供一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器，包括外延片、形成于所述外延片上像素单元、形成于所述外延片上且与所述像素单元电连接的P电极以及形成于所述外延片底部的N电极；所述像素单元包括一形成于所述外延片内的有源区以及一形成于所述外延片内且环绕所述有源区设置的浮置环，所述P电极对应形成于所述有源区的上表面且与所述有源区和浮置环的一端均电连接。
进一步的，所述有源区包括从下至上依次层叠形成于所述外延片内且彼此分离的吸收层、渐变层、电荷层和倍增层，所述有源区呈直径由下至上逐渐增加的SAGCM异质结。
进一步的，所述吸收层的材料为Si、InGaAs、Ge、InGaAsP、InGaAs/GaAsSb二类超晶格中的一种，所述倍增层的材料为Si、InP、InAlAs中的一种。
进一步的，所述浮置环对应的方块电阻值为1k～5kΩ/sq。
进一步的，所述像素单元的数量为n2个，其中，n＝1,2,3...，且P电极的数量与所述像素单元对应，使所述P电极与所述像素单元一一对应连接。
进一步的，还包括一形成于所述外延片上表面的金属焊盘，每一所述像素单元的浮置环的另一端均通过一金属线与所述金属焊盘电连接，且每一像素单元的探测信号在对应P电极与金属焊盘之间的传输时间相同。
进一步的，还包括与所述有源区一一对应形成于所述N电极上的通光孔。
进一步的，还包括一形成于所述外延片顶部的钝化层，所述钝化层上对应于所述有源区的位置处具有一直径小于有源区的电极孔，所述P电极对应形成于所述电极孔内。
本发明的第二方面提供一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1：提供一外延片，在所述外延片上均匀生长多个有源区；
S2：分别对每一有源区进行至少一次扩散形成SAGCM异质结；
S3：分别在每一有源区的外围扩散形成具有一缺口的浮置环；
S4：在外延片的上表面沉积一层钝化层；
S5：在钝化层上对应有源区的位置处向下刻蚀出一直径小于所述有源区的电极孔，并在电极孔内溅射P电极以及在外延片的下表面溅射N电极；
S6：在N电极对应有源区的位置刻蚀形成通光孔；
S7：在外延片上预定位置形成一金属焊盘，并在外延片上溅射连接金属焊盘与各浮置环一端的金属线以及溅射连接浮置环另一端与P电极的金属线，完成制备。
进一步的，所述步骤S2中的有源区的SAGCM异质结和步骤S3中的浮置环均采用闭管或MOCVD工艺进行扩散形成。
本方案通过在有源区的外围设置一环绕有源区的浮置环，并通过P电极将浮置环与有源区(即芯片)电连接，不仅可以对有源区内部电场进行调节，抑制边缘击穿效应，同时还可作为埋层电阻集成于单光子探测器中以获得自淬灭结构；且有源区和浮置环的制备均采用闭管或MOCVD工艺实现，可在不增加现有单光子探测器制备工艺的条件下，实现多像素自由运行的单光子探测器，二者工艺兼容且易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例一的一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器的结构示意图。
图2为图1中A-A的向视图。
图3为图1中B-B的向视图。
图4为图1的仰视图。
图5为本发明实施例二的一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一
如图1-4所示，本实施例的一种基于浮置环22的多像素自由运行单光子探测器包括外延片1、像素单元2、P电极3和N电极4，所述像素单元2形成于外延片1上，用于实现光信号的探测及淬灭。所述P电极3形成于所述外延片1上且与所述像素单元2电连接，所述N电极4形成于所述外延片1的底部，所述P电极3和N电极4用于为单光子探测器提供电连接；在本实施例中，所述P电极3和N电极4可以由Au、Al等金属材料溅射得到。所述N电极4上对应所述像素单元2的位置处形成有通光孔5，所述通光孔5作为通光窗口，可与光纤进行耦合或直接接收自由空间的光信号，使光信号由通光孔5进入外延片1以被像素单元2探测。在本实施例中，所述通光孔5设置在外延片1的背面，相较于将通光孔5设置在外延片1正面的正照器件而言，有利于单光子探测器的微透镜成型，进而提高占空比。
所述像素单元2的数量为n2个(其中，n＝1,2,3...)，所述P电极3的数量与所述像素单元2对应，使所述P电极3与所述像素单元2一一对应连接；具体实现时，可根据探测精度及分辨率的要求，在外延片1上制备对应数量的像素单元2，以达到单光子探测器的分辨率要求。本实施例以包含四个像素单元2的单光子探测器进行说明，所述四个像素单元2呈阵列分布在外延片1上，与四个像素单元2一一对应的四个P电极3形成于像素单元2上，与四个像素单元2一一对应的通光孔5呈阵列分布在N电极4上。
每一所述像素单元2均包括有源区21和浮置环22，所述有源区21形成于所述外延片1内部且对应于外延片1上表面的一侧，用于探测光信号；所述P电极3对应形成于所述有源区21的上表面，以为有源区21提供电连接。所述有源区21包括从下至上依次层叠形成于所述外延片1内的吸收层、渐变层、电荷层和倍增层，所述吸收层、渐变层、电荷层和倍增层彼此分离形成一直径由下至上逐渐增加的SAGCM异质结结构，以便于对其内部电场进行有效调节。在本实施例中，所述吸收层的材料为Si、InGaAs、Ge、InGaAsP、InGaAs/GaAsSb二类超晶格中的一种，所述倍增层的材料为Si、InP、InAlAs中的一种。
所述浮置环22形成于所述外延片1内且环绕所述有源区21设置，用于对有源区21的内部电场进行调节，抑制边缘击穿效应；所述浮置环22的一端与P电极3通过金属线电连接，以实现浮置环22与有源区21之间的电连接，所述浮置环22还可用于作为埋层电阻集成于外延片1内，使单光子探测器获得自淬灭结构，得到自由运行的单光子探测器。所述浮置环22的电阻值与浮置环22的长度、宽度及工艺条件有关；在本实施例中，所述浮置环22对应区域的方块电阻值为1k-5kΩ/sq，具体实现时，可根据实际需求设计不同长度或宽度的浮置环22以及采用不用工艺条件制备所述浮置环22，以使得浮置环22的电阻值达到制备需求。
在本实施例中，所述浮置环22优选为呈“C”字型的圆环状结构，其环绕设置在有源区21的外围；可理解的，在其他可选的实施例中，所述浮置环22还可呈“匚”字型等方形结构，只需实现有源区21的环绕即可。
所述外延片1的上表面还形成有一金属焊盘6，四个所述像素单元2均匀布置在金属焊盘6的周围，且四个像素单元2的浮置环22的另一端(即相对于连接P电极3的另一端)均通过金属线与所述金属焊盘6电连接，即所有像素单元2共用一个金属焊盘6，以实现有源区21的探测信号(即光信号)的同步输出。在本实施例中，四个所述像素单元2相对于金属焊盘6呈对称分布在金属焊盘6的周围，使得金属焊盘6的焊盘接口至各P电极3的距离相同，进而使各有源区21的探测信号沿对应的P电极3-金属线-浮置环22-金属线至金属焊盘6的传输时间相同，确保探测信号的输出时间保持一致，有利于单光子探测器的光子数分辨检测。可理解的，在其他可选的实施例中，各像素单元2可相对于金属焊盘6为非对称分布，也即金属焊盘6的焊盘接口至各P电极3的距离可不相同，在具体实现时，可通过对金属线或者其他结构的设计，使得最终每一有源区21的探测器能经所述金属焊盘6同步输出，也即保证探测信号的输出时间保持一致即可。
所述外延片1的顶部形成有一钝化层7，用于避免单光子探测器芯片暴露于空气中，进而提高单光子探测器的稳定性。在本实施例中，所述钝化层7可采用二氧化硅、氮化硅等材料沉积得到。
所述钝化层7上对应于所述有源区21的位置处具有一直径小于有源区21的电极孔8，以用于将所述P电极3溅射于所述电极孔8内。
本实施例的基于浮置环22的多像素自由运行单光子探测器，通过在有源区21的外围设置一环绕有源区21设置的浮置环22，并通过P电极3将浮置环22与有源区21电连接，不仅可以对有源区21内部电场进行调节，抑制边缘击穿效应，同时还可作为埋层电阻集成于单光子探测器中以获得自淬灭结构，进而实现自由运行的单光子探测器；并且通过设计像素单元2的排布方式或者金属线的规则，可使每一有源区21的探测器信号的输出时间保持一致，有利于单光子探测器的光子数分辨检测。
实施例二
如图5所示，为本实施例的基于浮置环22的多像素自由运行单光子探测器的制备方法的流程图。本实施例的制备方法可用于制备如实施例一示出的基于浮置环22的多像素自由运行单光子探测器，同样，本实施例以包含四个像素单元2(即有源区21和浮置环22)的单光子探测器为例进行说明，本实施例的制备方法具体包括以下步骤；
S1：提供外延片1并在外延片1上生长有源区21。
提供一外延片1，在所述外延片1上均匀生长多个有源区21，在本实施例中，所述有源区21的数量为四个，且四个有源区21呈阵列分布在外延片1上。具体的，采用MOCVD或MBE材料生长工艺在外延片1的对应位置从下至上依次层叠生长吸收层、渐变层、电荷层和倍增层形成所述有源区21；在本实施例中，所述吸收层的材料为Si、InGaAs、Ge、InGaAsP、InGaAs/GaAsSb二类超晶格中的一种，所述倍增层的材料为Si、InP、InAlAs中的一种。
S2：对有源区21进行推结扩散形成SAGCM异质结。
具体的，分别对每一有源区21进行至少一次扩散形成SAGCM异质结；在本实施例中，对所述有源区21进行推结扩散的数次优选为三次，以获得较大的结深，进而在有源区21形成呈类似阶梯状结构(即直径由下至上逐渐增加)的SAGCM异质结。更为具体的，首先，采用闭管或MOCVD工艺进行第一次扩散形成一次扩散结；然后，在一次扩散结的基础上再次采用闭管或MOCVD工艺进行第二次扩散形成二次扩散结；最后，在二次扩散结的基础上再次采用闭管或MOCVD工艺进行第三次扩散形成三次扩散结，进而形成所述类似阶梯状结构的SAGCM异质结。可理解的，在其他可选的实施例中，为了获得其他形状或者深度的异质结，还可重复进行多次扩散，直至达到制备要求。
S3：在有源区21的外围扩散形成浮置环22。
具体的，分别在每一有源区21的外围采用闭管或MOCVD工艺扩散形成具有一缺口的浮置环22。所述浮置环22环绕有源区21设置，可对有源区21的内部电场进行调节，以抑制边缘击穿效应，同时，浮置环22可作为埋层电阻，以使得单光子探测器获得自淬灭结构。所述浮置环22对应区域的方块电阻值为1k-5kΩ/sq。在本实施例中，所述浮置环22优选为呈“C”字型的圆环状结构，在其他可选的实施例中，所述浮置环22还可呈“匚”字型等方形结构，只需实现浮置环22对有源区21的环绕即可。
S4：在外延片1上沉积一层钝化层7。
具体的，在所述外延片1的上表面沉积一层钝化层7，以对单光子探测器进行隔离，避免单光子探测器暴露于空气中，进而提高单光子探测器的稳定性。在本实施例中，所述钝化层7可采用二氧化硅、氮化硅等材料沉积得到。
S5：溅射P电极3和N电极4。
具体的，首先，在钝化层7上对应有源区21的位置处向下刻蚀出一直径小于有源区21的电极孔8，然后，在所述电极孔8内溅射金属层形成P电极3；最后，在所述外延片1的下表面溅射金属层形成N电极4。所述P电极3和N电极4用于为单光子探测器提供电连接；在本实施例中，所述P电极3和N电极4可以由Au、Al等金属材料溅射得到。
S6：在N电极4上形成通光孔5。
具体的，在N电极4对应有源区21的位置处刻蚀形成通光孔5；所述通光孔5作为通光窗口，可与光纤进行耦合或直接接收自由空间的光信号，使光信号由通光孔5进入外延片1以被像素单元2探测。
S7：制备金属焊盘6，并溅射金属线连接金属焊盘6-浮置环22和P电极3。
具体的，在外延片1上预定位置形成一金属焊盘6，并在外延片1上溅射连接金属焊盘6与各浮置环22一端的金属线以及溅射连接浮置环22另一端与P电极3的金属线，所述金属焊盘6的位置可以是与各有源区21或P电极3距离相当的位置，使得各有源区21的探测信号沿对应的P电极3-金属线-浮置环22-金属线至金属焊盘6的传输时间相同，确保探测信号的输出时间保持一致，有利于单光子探测器的光子数分辨检测，至此完成多像素自由运行单光子探测器的制备。
本实施例的基于浮置环22的多像素自由运行单光子探测器的制备方法，采用相同的工艺(即闭管或MOCVD工艺)在外延片1上分别形成一一对应连接的有源区21和浮置环22，使得浮置环22可集成于单光子探测器上，并且由于工艺相同，二者的工艺兼容，在不增加现有单光子探测器制备工艺的条件下，即可实现多像素自由运行的单光子探测器的制备，易于工艺实现。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。
Claims (8)
1.一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器，包括外延片，其特征在于，还包括形成于所述外延片上像素单元、形成于所述外延片上且与所述像素单元电连接的P电极、形成于所述外延片底部的N电极以及形成于所述外延片上表面的金属焊盘；所述像素单元包括一形成于所述外延片内的有源区以及一形成于所述外延片内且环绕所述有源区设置的浮置环，所述P电极对应形成于所述有源区的上表面且与所述有源区和浮置环的一端均电连接；每一所述像素单元的浮置环的另一端均通过一金属线与所述金属焊盘电连接，且每一像素单元的探测信号在对应P电极与金属焊盘之间的传输时间相同。
2.根据权利要求1所述的基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器，其特征在于，所述有源区包括从下至上依次层叠形成于所述外延片内且彼此分离的吸收层、渐变层、电荷层和倍增层，所述有源区呈直径由下至上逐渐增加的SAGCM异质结。
3.根据权利要求2所述的基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器，其特征在于，所述吸收层的材料为Si、InGaAs、Ge、InGaAsP、InGaAs/GaAsSb二类超晶格中的一种，所述倍增层的材料为Si、InP、InAlAs中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器，其特征在于，所述浮置环对应的方块电阻值为1k～5kΩ/sq。
5.根据权利要求1所述的基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器，其特征在于，所述像素单元的数量为n2个，其中，n＝1,2,3...，且P电极的数量与所述像素单元对应，使所述P电极与所述像素单元一一对应连接。
6.根据权利要求1～5任一项所述的基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器，其特征在于，还包括与所述有源区一一对应形成于所述N电极上的通光孔。
7.根据权利要求1～5任一项所述的基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器，其特征在于，还包括一形成于所述外延片顶部的钝化层，所述钝化层上对应于所述有源区的位置处具有一直径小于有源区的电极孔，所述P电极对应形成于所述电极孔内。
8.一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供一外延片，在所述外延片上均匀生长多个有源区；
S2：分别对每一有源区进行至少一次扩散形成SAGCM异质结，其中，所述SAGCM异质结采用闭管或MOCVD工艺进行扩散形成；
S3：分别在每一有源区的外围扩散形成具有一缺口的浮置环，其中，所述浮置环采用闭管或MOCVD工艺进行扩散形成；
S4：在外延片的上表面沉积一层钝化层；
S5：在钝化层上对应有源区的位置处向下刻蚀出一直径小于所述有源区的电极孔，并在电极孔内溅射P电极以及在外延片的下表面溅射N电极；
S6：在N电极对应有源区的位置刻蚀形成通光孔；
S7：在外延片上预定位置形成一金属焊盘，并在外延片上溅射连接金属焊盘与各浮置环一端的金属线以及溅射连接浮置环另一端与P电极的金属线，完成制备。
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