CN116504866A - 高时间分辨率单光子探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

高时间分辨率单光子探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种高时间分辨率单光子探测器及其制备方法。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

鉴于上述问题，本发明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。

本发明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。

根据本发明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。

根据本发明的一些实施例，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。

根据本发明的一些实施例，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。

根据本发明的一些实施例，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。

根据本发明的一些实施例，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。

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。

根据本发明的一些实施例，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。

根据本发明的一些实施例，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。

本发明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，用以制备根据本发明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。

根据本发明的一些实施例，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

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。

图1为本发明实施例的高时间分辨率单光子探测器的结构示意图；

图2为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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。

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

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。

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。

目前，国际上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 ℃下时间分辨率达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。

有鉴于此，本发明提供一种高时间分辨率单光子探测器及其制备方法，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，提高载流子平均自由程并缩短雪崩建立时间，从而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保持低功耗、低噪声的高确定性输运，进而实现高时间分辨率。

下面参考图1-图9描述根据本发明第一方面实施例的高时间分辨率单光子探测器100。

参考图1-图5，本实施例的高时间分辨率单光子探测器100，是基于雪崩倍增效应以放大微弱光信号的光电探测器。本实施例的高时间分辨率单光子探测器100可以包括：半导体基体1、钝化层2、倍增层3、第一欧姆接触层4、第一欧姆接触电极5和第二欧姆接触电极6。

具体地，半导体基体1包括衬底11和外延层，其中，衬底11是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片，衬底11可以在探测器100的制备过程中为外延层、钝化层2、倍增层3、第一欧姆接触层4等提供支撑和长晶的附着点，衬底11可以为硅衬底、氮化镓衬底、砷化镓衬底、或者碳化硅衬底中的一种，衬底11的类型可以根据实际需要选择，本发明对此不作限制。

外延层可以通过气相外延法、固相外延法或者液相外延法中的一种形成在衬底11上，外延层可以作为光吸收层12，用于吸收光子产生电子-空穴对，并为倍增层3注入电子或空穴，进而引发雪崩效应。

钝化层2形成于外延层的正面，该钝化层2可以为高阻聚合物材料构成，或者由SiO2、SiNx、Al2O3中的至少一种构成，钝化层2可以增加高时间分辨率单光子探测器100对外来离子的阻挡能力，以及防止发生机械损伤和化学损伤，提高单光子探测器100的可靠性。

倍增层3形成于外延层内，并且倍增层3的厚度小于光吸收层12的厚度，倍增层3是载流子和晶格发生碰撞离化激发雪崩效应的场所，即进入到倍增层3中的光生载流子与晶格碰撞发生碰撞离化，产生大量电子-空穴对，碰撞离化过程中产生的电子-空穴在倍增区内继续被强电场加速，再次碰撞离化，产生更多的电子-空穴对，从而将微弱的光子信号转换成较强的电信号输出。

倍增层3形成在作为光吸收层12的外延层内，使得本实施例的高时间分辨率单光子探测器100具有大光敏区、小增益区的特性，实现大面积吸收、小尺寸倍增，在增大光探测效率的前提下，有利于降低暗计数。

第一欧姆接触层4形成于外延层内，第一欧姆接触层4沿自身厚度方向的两侧分别与倍增层3和钝化层2接触，换言之，钝化层2、第一欧姆接触层4和倍增层3依次层叠布置，以便于第一欧姆接触层4和倍增层3之间形成PN结。

需要说明的是，衬底11为P型重掺杂衬底11，第一欧姆接触层4为N型重掺杂，即当硅衬底11等衬底11中通过掺杂工艺例如扩散或离子注入等工艺加入微量硼B等三价元素形成P型衬底11时，第一欧姆接触层4中可以通过掺杂工艺加入微量磷P或砷As等五价元素形成N型，倍增层3为P型轻掺杂。或者，也可以是衬底11为N型重掺杂衬底11，第一欧姆接触层4为P型重掺杂，相应地，倍增层3为N型轻掺杂。PN结耗尽层为倍增层3和第一欧姆接触层4结界处附近的空间电荷区。

第一欧姆接触电极5可以采用钛、铝、金、银或镍中的至少一种金属材料制成。第一欧姆接触电极5与钝化层2同层布置，并与第一欧姆接触层4连接。由于硅衬底11和砷化镓衬底11等类型衬底11具有较高的表面态密度，若上述材料的衬底11直接与第一欧姆接触电极5连接，会形成阻挡层，而通过在衬底11和第一接触电极之间设置第一欧姆接触层4，能够获得更好的欧姆接触，以便于施加反向偏压时，使第一欧姆接触层4的接触电阻较小，这样，电流流过时，第一欧姆接触层4不会影响电压-电流特性。

第二欧姆接触电极6采用钛、铝、金、银或镍中的至少一种金属材料制成。第一欧姆接触电极5和第二欧姆接触电极6分别与偏置电路连接。

需要强调的是，本实施例的高时间分辨率单光子探测器100，在制备过程中可以对第一欧姆接触层4、倍增层3以及光吸收层12等的掺杂类型、掺杂浓度、注入能量和厚度进行调控，进而实现第一欧姆接触层4和倍增层3间的能带调控，具体如下：

增加倍增层3注入能量例如倍增层3注入能量为2 MeV，使得倍增层3表面掺杂浓度低于峰值掺杂浓度，且与第一欧姆接触层4的掺杂浓度峰值空间分离时，可在倍增层3内构建出弹道电场结构，为倍增层3处载流子例如电子或者空穴提供初始动能，有利于载流子形成弹道输运，提高动能转换效率，降低散射，从而提高时间分辨率，此处，弹道电场结构是指能够使载流子具有合适的动能以呈弹道运输的电场结构。

第一欧姆接触层4和倍增层3间的能带调控可以通过渐变组份异质结实现，也可以通过在同质材料中渐变掺杂浓度实现，或者还可以通过主动掺杂实现，从而调控倍增层3内载流子例如电子或者空穴的初始动能，进而实现减小载流子渡越时间，调控时间分辨率的目的。

对光吸收层12的掺杂浓度和厚度的调控，可以调控雪崩电场强度随外加偏压增加效率，调控雪崩碰撞离化概率，从而实现调控时间分辨率随外加偏压的调控效率。

根据本发明实施例的高时间分辨率单光子探测器100，可以通过调控第一欧姆接触层4、倍增层3以及光吸收层12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，使得当倍增层3表面掺杂浓度低于峰值掺杂浓度，且与第一欧姆接触层4的掺杂浓度峰值空间分离时，构建出弹道电场结构，为进入倍增层3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保持低功耗、低噪声的高确定性输运，进而实现高时间分辨率。

下面均以衬底11为P型，第一欧姆接触层4为N型为例进行说明。

根据本发明的一些实施例，外延层为高阻外延层，即光吸收层12由高阻外延层构成，如此，光吸收层12具有较高的电阻率，有更高的耐压特性，有利于改善提高单光子探测器100的响应度均匀性、暗电流密度等关键性能。例如光吸收层12可以通过气相外延法、固相外延法或者液相外延法中的一种形成在衬底11上。或者，光吸收层12可以由半导体基体1通过减薄工艺形成。

通过调控光吸收层12的掺杂类型、掺杂浓度和厚度可调控倍增层3的电场强度随外加偏压的增加效率及其分布，可调控光生载流子漂移速度，进而实现减少光生载流子渡越时间，避免慢扩散导致的光生载流子注入到雪崩区的离散性，从而提高时间分辨率。

在一些实施例中，光吸收层12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。具体地，光吸收层12的禁带宽度小于目标波长的光的光子能量，以确保光吸收层12能够吸收对应目标波长的光子。

例如，当检测可见光时，由于硅材料具有较低的超量噪声，因此可以采用Si材料制备光吸收层12；当检测波长为1.7um以下的红外光时，可以采用锗材料形成光吸收层12；若检测紫外光时，可以采用氮化镓形成光吸收层12；当检测波长在0.92-1.65um范围的红外光时，采用InGaAs形成光吸收层12。当然本发明不限于此，可以根据待检测光的波长范围、以及工作电压等因素来选择相应的材料。在一个具体的示例中，光吸收层12可以为轻掺杂的InGaAs材料。

在一些可能的实施例中，第一欧姆接触层4、倍增层3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。具体地，可以根据倍增层3和第一欧姆接触层4的材料类型选择上述的结构，采用上述结构，有助于降低噪声，进而提高时间分辨率。

根据本发明的一些实施例，第二欧姆接触电极6形成于衬底11的背面，此时，第二欧姆接触电极6和第一欧姆接触电极5分别处于半导体基体1的两侧，即本实施例的高时间分辨率单光子探测器100构成垂直电极结构，可以单侧进光。

或者，在另一些实施例中，第二欧姆接触电极6与第一欧姆接触电极5同层布置，并与外延层连接，即第一欧姆接触电极5与光吸收层12连接，此时，本实施例的高时间分辨率单光子探测器100构成同面电极结构，既可以从正面入光，也可以从背面入光。并且可以与其他的雪崩二极管组成探测阵列。

在一些可能的实施例中，第一欧姆接触层4可以由Si、InGaAs、SiC、GaN、石墨烯和二硫化钼中的至少一种材料制备而成；相应地，倍增层3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，光吸收层12可以由Si、InGaAs、SiC、GaN、石墨烯和二硫化钼中的至少一种材料制备而成。并且，第一欧姆接触层4、倍增层3和光吸收层12的材料可以相同，也可以不同，本发明对此不作限制，第一欧姆接触层4、倍增层3和光吸收层12的材料可以分别在上述示例中合理选择。

考虑到本实施例的高时间分辨率单光子探测器100为PN结型半导体，而在PN结形成过程中，由于结曲率不同，会导致曲率半径小的边缘区域电场集中，电场强度高于光敏面处的平面结，进而导致边缘区域的击穿电压低于同等条件下的中心区域，从而导致单光子探测器100的边缘发生提前击穿。为抑制上述情况的发生，本实施例的高时间分辨率单光子探测器100还包括保护环7。

具体地，保护环7设于光吸收层12内，保护环7围设于第一欧姆接触层4的周侧，保护环7的至少部分结构围设于第一欧姆接触层4的周侧。例如图5所示，保护环7可以包括第一保护部和第二保护部，其中，第一保护部位于第一欧姆接触层4和倍增层3的周侧，并且，第一保护部与第一欧姆接触层4与倍增层3接触，第一保护部的远离衬底11的一侧与钝化层2接触，第二保护部位于倍增层3的朝向衬底11的一侧。

通过设置保护环7，一方面能够增加边缘结曲率，避免边缘击穿，另一方面，通过调控保护环7的掺杂浓度、厚度、注入能量，还可以对PN结电场分布进行二次调控，以进一步调控电子能态，提高光生电荷的雪崩碰撞离化效率，进而提高半导体单光子探测器100的时间分辨率特性。

可选地，保护环7可以仅设置一个，或者，保护环7也可以为多个，当保护环7为多个时，多个保护环7沿内外方向嵌套且间隔布置，如此，能够进一步提高耐压值，避免发生边缘击穿现象。

根据本发明的一些实施例，保护环7通过掺杂形成，例如，当第一欧姆接触层4为N型掺杂时，保护环7可以为N型掺杂；当第一欧姆接触层4为P型掺杂时，保护环7可以为P型掺杂。

在一些可以替代的实施例中，保护环7构造为浅沟槽隔离结构，例如，可以在浅沟槽内填充隔离材料，以形成浅沟槽隔离结构，实现避免边缘击穿的目的。

根据本发明的一些实施例，本实施例的高时间分辨率单光子探测器100可以独立工作，也可以作为基础元件与其他单元器件集成工作，如此，能够扩大本实施例的高时间分辨率单光子探测器100的使用范围，满足更多应用需求。

下面参考图1-图9描述根据本发明第二方面的高时间分辨率单光子探测器100的制备方法。

参考图1-图6，本实施例的高时间分辨率单光子探测器100的制备方法，可以包括以下步骤：

S101，制备半导体基体1，半导体基体1包括衬底11和外延层。

为便于说明，以衬底11为P型衬底11为例进行说明。在P型衬底11上通过固相外延、气相外延等方法形成外延层，外延层为高阻外延层，且可以作为光吸收层12，同时衬底11构成P型外延高阻衬底11。

S102，在外延层上形成钝化层2。

对P型外延高阻衬底11进行清洗等预处理，再通过干氧、湿氧或者气相沉积等方式在p型外延高阻衬底11上沉积二氧化硅薄膜，二氧化硅薄膜的厚度为100 nm，二氧化硅薄膜构成二氧化硅钝化层2。

S103，外延层内形成倍增层3。

在p型外延高阻衬底11上光刻形成倍增层3图形，并腐蚀二氧化硅钝化层2，通过硼离子注入、扩散等掺杂工艺形成p型倍增层3，之后去除光刻胶，其中，硼离子的掺杂浓度的范围为1×10¹⁶~ 5×10¹⁷cm^-3。

S104，在倍增层3上形成第一欧姆接触层4。

在P型外延高阻衬底11上光刻形成第一欧姆接触层4的图形，并腐蚀二氧化硅钝化层2，通过磷离子注入、扩散等掺杂工艺形成第一欧姆接触层4，之后去除光刻胶。退火，过程中沉积二氧化硅。其中，磷离子的掺杂浓度可以为1×10¹⁸~ 1×10¹⁹ cm^-3。

S105，在第一欧姆接触层4上形成第一欧姆接触电极5。

通过磁控溅射或者电子束蒸发法生成第一电极层，在第一电极层上光刻形成第一欧姆接触电极5的图形，腐蚀第一电极层后，去除光刻胶，从而得到第一欧姆接触电极5。其中，第一欧姆接触电极5可以为金、银、钛或铝中的一种或者多种金属，本实施例对此不加以限定。

S106，在半导体基体1上形成第二欧姆接触电极6。

通过磁控溅射或者电子束蒸发法在衬底11的背面形成第二欧姆接触电极6，其中，第二欧姆接触电极6可以包括金、银、钛或铝中的一种或者多种金属，本实施例对此不加以限定。

根据本发明的一些实施例，在倍增层3上形成第一欧姆接触层4之前，单光子探测器100制备方法还包括以下步骤：

S1031，在外延层上形成保护环7，保护环7环绕在第一欧姆接触层4的周侧，保护环7背向第二欧姆接触电极6的一侧与钝化层2接触。

具体地，在P型外延高阻衬底11上光刻形成保护环7的图形，并腐蚀二氧化硅钝化层2，通过磷离子注入、扩散等掺杂工艺形成N型保护环7，之后去除光刻胶。退火，过程中沉积二氧化硅。其中，磷离子的掺杂浓度约为5×10¹⁶~ 1×10¹⁸cm^-3。

需要说明的是，本实施例的高时间分辨率单光子探测器100在制备过程中，可以对第一欧姆接触层4、倍增层3以及光吸收层12等的掺杂类型、掺杂浓度、注入能量和厚度可调控。具体如下：

其中，当增加倍增层3注入能量(例如倍增层3注入能量为2 MeV)，并使得倍增层3表面掺杂浓度低于峰值掺杂浓度，且与第一欧姆接触层4的掺杂浓度峰值空间分离时，可以构建出弹道电场结构，为倍增层3处载流子例如电子或者空穴提供初始动能，通过弹道输运提高动能转换效率，减少载流子渡越时间，从而提高时间分辨率。

第一欧姆接触层4和倍增层3间的能带调控可以通过渐变组份异质结实现，也可以通过同质材料中渐变掺杂浓度实现，或者还通过主动掺杂实现，从而调控倍增层3内载流子例如电子或者空穴的初始动能，进而实现减小载流子渡越时间，调控时间分辨率的目的。

对光吸收层12的掺杂浓度和厚度的调控，可以调控雪崩电场强度随外加偏压增加效率，调控雪崩碰撞离化概率，从而实现时间分辨率随外加偏压的调控效率。

可以理解的是，上述制备方法中的衬底11还可以采用N型衬底11，相应地，倍增层3可以通过磷离子注入、扩散等掺杂工艺获得，第一欧姆接触层4、保护环7可以通过硼离子注入、扩散等掺杂工艺获得。

请参照图7a和图7b，图7a本发明实施例提出的弹道输运结构的能带示意图，图7b为传统雪崩结构的能带示意图，可以看出与传统雪崩结构的能带不同的是，在本实施例中，在高场雪崩区前能带有凹陷部，电子在吸收区电场作用下获得初速度，进入雪崩区前由于速度过冲形成弹道输运，初始能量明显大于传统结构，从而可以获得更高的碰撞效率。

请参照图8，图8为本发明实施例提供的高时间分辨率单光子探测器100与传统雪崩结构的能带计算结果对比图，其中，a为本实施例高时间分辨率单光子探测器100的弹道运输结构的能带计算结果，b为传统的雪崩结构的能带计算结果，二者对比效果明显。

请参照图9，图9为本发明实施例所示的高时间分辨率单光子探测器100的时间分辨率调控效果，可以看出，控制P型倍增层3的掺杂浓度从cm^-3提升到 cm^-3，时间分辨率可以从14.4 ps提升到4.1 ps，效果显著。

应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。

一般而言，应当至少部分地由语境下的使用来理解术语。例如，至少部分地根据语境，文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数的意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数的意义的特征、结构或特性的组合。类似地，至少部分地根据语境，还可以将诸如“一”或“所述”的术语理解为传达单数用法或者传达复数用法。

应当容易地理解，应当按照最宽的方式解释本公开中的“在……上”、“在……以上”和“在……之上”，以使得“在……上”不仅意味着“直接处于某物上”，还包括“在某物上”且其间具有中间特征或层的含义，并且“在……以上”或者“在……之上”不仅包括“在某物以上”或“之上”的含义，还可以包括“在某物以上”或“之上”且其间没有中间特征或层(即，直接处于某物上)的含义。

此外，文中为了便于说明可以使用空间相对术语，例如，“下面”、“以下”、“下方”、“以上”、“上方”等，以描述一个元件或特征相对于其他元件或特征的如图所示的关系。空间相对术语意在包含除了附图所示的取向之外的处于使用或操作中的器件的不同取向。装置可以具有其他取向(旋转90度或者处于其他取向上)，并且文中使用的空间相对描述词可以同样被相应地解释。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

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所述的高时间分辨率单光子探测器，其特征在于，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。

7.根据权利要求2所述的高时间分辨率单光子探测器，其特征在于，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。

8.根据权利要求7所述的高时间分辨率单光子探测器，其特征在于，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。

9.一种高时间分辨率单光子探测器的制备方法，用以制备根据权利要求1-8中任一项所述的高时间分辨率单光子探测器，其特征在于，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。

10.根据权利要求9所述的高时间分辨率单光子探测器的制备方法，其特征在于，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。