CN115513326A - 一种背照式平面型spad及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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‑金属反射镜，衬底下表面设置有微透镜；微透镜用于将入射光线进行一次汇聚后发射至介质‑金属反射镜上，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；介质‑金属反射镜用于接收入射光线，对入射光线进行反射和二次汇聚，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。本发明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。此外，本发明还涉及一种背照式平面型SPAD的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于光电二极管技术领域，具体涉及一种背照式平面型SPAD及其制备方法。
背景技术
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。
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。
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：
(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；
(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。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：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。
为达到以上目的，
第一方面，本发明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-金属反射镜，所述衬底下表面设置有微透镜；
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-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；
所述介质-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。
优选的，所述介质-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；
所述凸面介质层设置于盖层中部的弧形凸起上；
所述凸面金属层设置于所述凸面介质层表面；
所述凸面介质层和所述凸面金属层均为向上的弧形凸起。
优选的，所述凸面介质层的厚度为10～500nm。
优选的，所述凸面金属层的材料选自Au、Pt、Ti中的至少一种。
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。
第二方面，本发明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-金属反射镜、以及在衬底下表面制备微透镜；
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-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；
所述介质-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。
优选的，所述在盖层上表面制备介质-金属反射镜的方法具体包括：
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；
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；
在所述凸面介质层上制作凸面金属层，得到介质-金属层反射镜。
优选的，所述盖层中部的弧形凸起的制备方法具体包括：
在完成锌扩散的盖层表面，均匀旋涂光刻胶，得到光刻胶层；
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；
对所述胶柱进行加热回流处理，得到表面呈弧形的光刻胶；
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。
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。
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：
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；
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；
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。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本实施例的微透镜和介质-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，本发明的暗计数率可降低10～50％。
(2)本发明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。
(3)由于本发明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，本发明上述结构的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
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1为本发明实施例中一种背照式平面型SPAD的结构示意图，由于入射光线和反射光线重合，因而图中未示出反射光线路径；
图2为本发明实施例中一种背照式平面型SPAD的制备工艺流程图。
图中：1-P型电极，2-凸面金属层，3-凸面介质层，4-平面介质层，5-锌扩散区域，6-盖层，60-盖层中部的弧形凸起，7-吸收层，8-衬底，80-衬底中部的弧形凸起，9-增透膜，10-N型电极，11-入射光线，12-光刻胶层，13-胶柱，14-表面呈弧形的光刻胶，15-介质层，16-介质层中部的弧形凸起，17-环形接触窗口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种背照式平面型单光子雪崩光电二极管SPAD及其制备方法，利用SPAD的介质-金属反射镜和微透镜，将入射光线进行汇聚，并将汇聚点控制在所述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，解决了相关技术中光敏面尺寸减小带来的电荷持续效应上升，暗计数率增加的技术问题。
为达到上述技术效果，本发明的总体思路如下：
一方面，本发明实施例提供一种背照式平面型单光子雪崩光电二极管SPAD。
参照图1，图1为本发明实施例中一种背照式平面型SPAD的结构示意图。本发明实施例的SPAD包括盖层6、吸收层7和衬底8；所述盖层6上表面设置有介质-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14进行一次汇聚后发射至所述介质-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-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。
参照图1，本发明实施例的工作原理如下：
上述微透镜的尺寸参数由介质-金属反射镜、入射光视场角FoV、及盖层6厚度(决定吸收层7位置)等参数共同决定，以保证各条入射光线11和反射光线的汇聚点在所述SPAD的中心轴上并位于所述吸收层7内。
当入射光从衬底8下表面射入时，微透镜会将入射光线11汇聚在所述SPAD的中心轴上并位于所述吸收层7内，介质-金属反射镜接收到入射光线11，并将入射光线11进行反射，并进行二次汇聚，并使得反射光线的反射路径与入射光线11的路径重合，反射光线的汇聚点与入射光线11的汇聚点重合。
因此，本实施例的微透镜和介质-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，与相关技术中光生载流子产生位置不确定相比，本实施例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。
与此同时，本发明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。由于提高过偏压能够提高SPAD的单光子探测效率PDE，因此，相同过偏压下的单光子效率PDE提高意味着，得到相同的单光子探测效率所需要施加的过偏压降低，而暗载流子所引发可自持雪崩所形成的暗计数会随着过偏压的降低而降低。因此，提高相同过偏压下的单光子探测效率PDE会进一步降低暗计数率。
此外，由于本发明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，本发明上述结构的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。
优选的，所述介质-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。
本发明实施例的入射光在凸面介质层和凸面金属层的上下界面分别被反射，利用两束反射光的光程差和相位变化形成相干增强效应，提高介质-金属反射镜的反射率，从而提高SPAD相同过偏压下的单光子探测效率PDE，进而降低暗计数率。
优选的，上述凸面介质层3为SiO2介质层，上述凸面金属层2的材料选自Au、Pt、Ti中的至少一种。实验表明，当凸面金属层2的材料为Au，介质-金属反射镜的反射率最大。
优选的，由于凸面介质层3的厚度T决定介质-金属反射镜的反射率，因此为了得到较大的介质-金属反射镜的反射率，实现较低的暗计数率，将凸面介质层3的厚度T设置为10～500nm。
优选的，凸面金属层2的厚度为100～300nm。
实验表明，本发明实施例的SPAD的反射率要比无反射镜、电极自然反射的SPAD的反射率提高40～50％。
优选的，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。
优选的，增透膜9的材料为Si3N4或SiON，增透膜9的厚度为100～300nm。增透膜的厚度为介质内波长四分之一，光入射时将增透膜两个界面的反射波叠加后相干消失，使反射能量减小而入射能量增大，从而增大微透镜的透光率，进而使微透镜能够更好地实现一次汇聚。
优选的，所述背照式平面型SPAD还包括P型电极1和N型电极10，所述P型电极1设置于所述介质-金属反射镜上，所述N型电极10设置于所述微透镜上。
优选的，P型电极覆盖凸面金属层2上，同时通过环形接触窗口17与晶圆盖层6接触，P型电极的两侧还与平面介质层4接触；N型电极10设置于微透镜的两侧。
优选的，所述P型电极1和N型电极10选自Ti/Pt/Au电极、Pd/Zn/Pd/Au电极或Pd/Zn/Pt/Au电极中的一种。
第二方面，本实施例还提供了一种背照式平面型SPAD的制备方法。
所述制备方法包括在盖层6上表面制备介质-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14进行一次汇聚后发射至所述介质-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-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。
本实施例的微透镜和介质-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，与相关技术中光生载流子产生位置不确定相比，本实施例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。
与此同时，本发明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，降低暗计数率。
此外，由于本发明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，本发明上述结构的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。
其中，在盖层6上表面制备介质-金属反射镜的方法具体包括：
S1：在盖层6中部的弧形凸起60的上表面沉积一层介质层15，所述介质层15包括介质层中部的弧形凸起16；
S2：对所述介质层15进行刻蚀，得到环形接触窗口17，所述环形接触窗口17将所述介质层15分为两个部分，位于介质层16中间的部分为凸面介质层3；
S3：在所述凸面介质层3上制作凸面金属层2，得到介质-金属层反射镜。
优选的，盖层6中部的弧形凸起60的制备方法具体包括：
S101：在完成锌扩散的盖层6表面，均匀旋涂光刻胶，得到光刻胶层12；
S102：将所述光刻胶层12光刻成圆柱状的胶柱13，所述胶柱13位于盖层6表面的中部；
S103：对所述胶柱13进行加热回流处理，得到表面呈弧形的光刻胶14；
S104：将所述表面呈弧形的光刻胶14的形貌转移到盖层6表面，得到盖层6中部的弧形凸起60。
上述锌扩散由二次锌扩散工艺完成，两次锌扩散的直径和深度决定了SPAD芯片外延盖层6中的光敏面直径和倍增层厚度，进一步决定了介质-金属层反射镜的参数和微透镜的参数。
优选的，上述介质层15是通过离子体增强化学的气相沉积法PECVD在晶圆外延表明进行沉积得到的；上述介质层15为SiO2介质层。
优选的，由于凸面介质层3的厚度T决定介质-金属反射镜的反射率，因此为了得到较大的介质-金属反射镜的反射率，实现较低的暗计数率，将凸面介质层3的厚度T设置为10～500nm。
优选的，凸面金属层2的厚度为100～300nm。
与相关技术中的SiO2/TiO2 DBR反射镜相比，本发明实施例的介质-金属反射镜不仅在制备方法上无需进行介质膜蒸镀，在制作时间上能节省80％以上，更适合批量生产；而且可实现对光子的二次汇聚，从而更精确控制反射后的光生载流子在吸收层7中的位置，更好的抑制电荷效应，进而降低暗计数率。
此外，本发明的入射光在凸面介质层3和凸面金属层2的上下界面分别被反射，利用两束反射光的光程差和相位变化形成相干增强效应，增强反射率，从而提高SPAD相同过偏压下的单光子探测效率，进一步降低暗计数率。实验表明，本发明实施例的SPAD的反射率要比无反射镜、电极自然反射的SPAD的反射率提高40～50％。
其中，在衬底8下表面制备微透镜的制备方法具体包括：
S5：在衬底8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8下表面的中心；
S6：对胶柱进行加热回流处理，得到表面呈弧形的光刻胶；
S7：将光刻胶形貌转移到衬底8下表面，得到衬底8中部的弧形凸起80；
S8：在衬底8中部的弧形凸起80的下表面上沉积一层增透膜9，得到微透镜。
优选的，所述增透膜9的沉积采用离子体增强化学的气相沉积法PECVD完成，增透膜的厚度为100～300μm。增透膜的厚度为介质内波长四分之一，光入射时将增透膜两个界面的反射波叠加后相干消失，使反射能量减小而入射能量增大，从而增大微透镜的透光率，进而使微透镜能够更好地实现一次汇聚。
优选的，所述增透膜的材料为Si3N4或SiON。
优选的，上述步骤S102、S6中将光刻胶光刻成一个圆柱状的胶柱的具体步骤包括：通过前烘、曝光、显影等步骤完成光刻过程。
优选的，上述将步骤S104、S7中将光刻胶形貌转移到外延表面通过感应耦合等离子体ICP刻蚀工艺完成。
优选的，在介质-金属反射镜的制备之后，微透镜的制备之前，还包括步骤S4：将晶圆的厚度减薄至100～200μm，从而提高汇聚点位置的控制精度。
优选的，减薄的具体步骤包括：正面涂胶保护、背面减薄、抛光和清洗等(正面即为晶圆盖层6的上表面，背面即为晶圆衬底8的下表面)。
优选的，上述背照式平面型SPAD的制备方法还包括P型电极1和N型电极10的制备。
其中，P型电极1的制备方法包括：通过光刻、金属蒸镀和剥离等步骤在凸面金属层2和平面介质层4上蒸镀电极，并使电极通过环形接触窗口与盖层6接触，完成P型电极的制备；
N型电极10的制备方法包括：通过光刻、金属蒸镀和剥离等步骤在增透膜9上蒸镀电极，使电极位于增透膜9两侧，完成N型电极的制备。
优选的，所述P型电极1和N型电极10为Ti/Pt/Au电极、Pd/Zn/Pd/Au电极或Pd/Zn/Pt/Au电极中的一种。
如无特别说明，本发明实施例中所采用的方法为本领域的常规方法。
下面通过一个具体实施例来说明本发明的背照式平面型SPAD的制备方法。
实施例1
参照图2，图2为一种背照式平面型SPAD的制备工艺流程图，具体包括以下步骤：
S11：在目标外延晶圆上完成二次锌扩散后，用缓冲氧化物刻蚀液(BufferedOxide Etch，BOE)去除盖层6表面的扩散掩膜，参照图2(a)；
S12：在外延晶圆的盖层6表面均匀旋涂光刻胶，形成光刻胶层12，参照图2(b)；
S13：通过前烘、曝光、显影等步骤完成光刻过程，使盖层6表面形成一个圆柱状的胶柱13，所述胶柱13位于盖层6表面的中心，参照图2(c)；
S14：通过热板对胶柱13进行加热回流处理，得到表面呈弧形的光刻胶14，参照图2(d)；
S15：通过ICP刻蚀工艺将光刻胶形貌转移盖层6的材料上，得到盖层6中部的弧形凸起60，参照图2(e)；
S16：利用PECVD沉积一层厚度为T的SiO2介质层15，介质层15包括介质层15中部的弧形凸起16，参照图2(f)；
S17：通过光刻和反应离子刻蚀RIE刻蚀等步骤刻蚀介质层15，制作P型电极1与晶圆盖层6的环形接触窗口17，环形接触窗口17将介质层15分为凸面介质层3和平面介质层4，参照图2(g)；
S18：通过光刻、金属蒸镀和剥离等步骤在凸面介质层3上蒸镀一层200nm的Au凸面金属层2，得到介质-金属反射镜，参照图2(h)；
S19：通过光刻、金属蒸镀和剥离等步骤在凸面金属层2和平面介质层4上蒸镀电极Ti/Pt/Au，完成P型电极1的制备，参照图2(i)；
S20：通过正面涂胶保护、背面减薄、抛光和清洗等步骤完成晶圆的减薄(约150μm)；
S21：在晶圆的衬底8下表面重复步骤S13～S15，得到衬底8中部的弧形凸起80，参照图2(j)；
S22：在衬底8中部的弧形凸起80的下表面利用PECVD沉积一层200nm的Si3N4增透膜9，得到微透镜，参照图2(k)；
S23：通过光刻、金属蒸镀和剥离等步骤在增透膜9上蒸镀电极Ti/Pt/Au，完成N型电极10的制备，参照图2(l)。
实验表明，与传统的SPAD(即无微透镜、无反射镜，采用金属电极自然反射)相比，在单光子探测效率同为20％的情况下，采用本实施例上述方法制备得到的SPAD的暗计数率下降至传统的SPAD的暗计数率的30％。且传统的SPAD的反射率约30％左右，而本发明SPAD的介质-金属反射镜的反射率约75％，相对于传统的SPAD的反射率提升了45％左右。
因此，本实施例的微透镜和介质-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，与相关技术中光生载流子产生位置不确定相比，本实施例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。
与此同时，本发明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，降低暗计数率。
此外，由于本发明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，本发明上述结构的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。
需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
进一步，本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
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-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-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-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-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-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-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；
所述介质-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。
7.如权利要求6所述的背照式平面型SPAD的制备方法，其特征在于：所述在盖层(6)上表面制备介质-金属反射镜的方法具体包括：
在盖层(6)中部的弧形凸起(60)的上表面沉积一层介质层(15)，所述介质层(15)包括介质层(15)中部的弧形凸起(16)；
对所述介质层(15)进行刻蚀，得到环形接触窗口(17)，所述环形接触窗口(17)将所述介质层(15)分为两个部分，位于介质层(15)中间的部分为凸面介质层(3)；
在所述凸面介质层(3)上制作凸面金属层(2)，得到介质-金属层反射镜。
8.如权利要求7所述的背照式平面型SPAD的制备方法，其特征在于：所述盖层(6)中部的弧形凸起(60)的制备方法具体包括：
在完成锌扩散的盖层(6)表面，均匀旋涂光刻胶，得到光刻胶层(12)；
将所述光刻胶层(12)光刻成圆柱状的胶柱(13)，所述胶柱(13)位于盖层(6)表面的中部；
对所述胶柱(13)进行加热回流处理，得到表面呈弧形的光刻胶(14)；
将所述表面呈弧形的光刻胶(14)的形貌转移到盖层(6)表面，得到盖层(6)中部的弧形凸起(60)。
9.如权利要求7所述的背照式平面型SPAD的制备方法，其特征在于：所述环形接触窗口(17)位于所述介质层(15)中部的弧形凸起(16)的外部。
10.如权利要求6所述的背照式平面型SPAD的制备方法，其特征在于：所述在衬底(8)下表面制备微透镜的制备方法具体包括：
在衬底(8)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(8)下表面的中部；
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(8)下表面，得到衬底(8)中部的弧形凸起(80)；
在衬底(8)中部的弧形凸起(80)的下表面上沉积一层增透膜(9)，得到微透镜。
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