CN116598369A - 低噪声单光子探测器及其制备方法 - Google Patents

低噪声单光子探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低噪声单光子探测器及其制备方法，包括：衬底；钝化层，形成于衬底的第一表面；第一电荷层，形成于衬底内；第二电荷层，形成于衬底内且位于第一电荷层的背向钝化层的一侧，第二电荷层与第一电荷层接触，第一电荷层与第二电荷层的掺杂类型不同，第一电荷层和第二电荷层中的至少一个构造为适于束缚光生电荷，第一电荷层与第二电荷层中的至少一个的特征尺寸小于500nm；第一接触电极，第一接触电极与第一电荷层连接；第二接触电极，第二接触电极与衬底连接。根据本发明的低噪声单光子探测器，基于量子限制斯塔克效应，在光子入射前处于线性模式，在光子入射后触发雪崩效应，可以降低雪崩背景噪声，提高器件探测效率。

Description

低噪声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，尤其涉及一种低噪声单光子探测器及其制备方法。
背景技术
基于强电场雪崩反向击穿机制的光电探测器是实现单光子探测的重要手段。其中，盖革模式的雪崩光电探测器，也称为单光子探测器，由于整体上具有探测效率较高、暗计数和后脉冲较低等优点，是单光子探测和成像的重要器件，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。
但是，由于雪崩碰撞过程随机性问题，使得基于强电场雪崩击穿机制的单光子探测器除了存在传统光电探测器的热噪声、散粒噪声、低频噪声等，还有雪崩碰撞引起的波动噪声，导致雪崩器件受到噪声高的限制，引起探测效率低的问题。而目前通过提高材料质量、降低制备工艺过程中损伤和沾污等手段来降低单光子探测器噪声的方案，仍然无法有效降低雪崩噪声。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种低噪声单光子探测器及其制备方法，在光子入射前处于线性模式，在光子入射后，由于量子限制斯塔克效应，通过量子跃迁引入的额外电场使得第一电荷层和第二电荷层构建的倍增电场达到雪崩阈值，进而触发雪崩效应，能够克服上述技术问题。
本发明提供一种低噪声单光子探测器，包括：衬底；钝化层，形成于所述衬底的第一表面；第一电荷层，形成于所述衬底内；第二电荷层，形成于所述衬底内且位于所述第一电荷层的背向所述钝化层的一侧，所述第二电荷层与所述第一电荷层接触，所述第一电荷层与所述第二电荷层的掺杂类型不同，所述第一电荷层和所述第二电荷层中的至少一个构造为适于束缚光生电荷，所述第一电荷层与所述第二电荷层中的至少一个的特征尺寸小于500nm；第一接触电极，所述第一接触电极与所述第一电荷层连接；第二接触电极，所述第二接触电极与所述衬底连接。
根据本发明的低噪声单光子探测器，第一电荷层与第二电荷层形成PN结，且具有量子限制斯塔克效应，使得低噪声单光子探测器在工作时可以外加更小的偏置电压，以在光子入射前处于线性模式，在光子入射后，由于量子限制斯塔克效应，通过量子跃迁引入的额外电场使得第一电荷层和第二电荷层构建的倍增电场达到雪崩阈值，进而触发雪崩效应。相较于现有的盖格模式光电探测器需要外加偏置电压大于击穿电压才可以触发雪崩效应的方案，可以降低雪崩背景噪声，提高器件探测效率。
在一些实施例中，所述第一电荷层为多个，多个所述第一电荷层沿水平方向周期间隔排布；所述第二电荷层为多个，多个所述第二电荷层沿水平方向周期间隔排布；且第一电荷层和所述第二电荷层的特征尺寸均小于500nm。
在一些实施例中，多个所述第一电荷层中任意相邻的两个之间的间距大于500nm，多个所述第二电荷层中任意相邻两个的间距大于500nm。
根据本发明的一些实施例，所述衬底包括衬底层和外延层，所述外延层构成光吸收层，所述第一电荷层和所述第二电荷层均位于所述外延层内。
根据本发明的一些实施例，所述低噪声单光子探测器还包括：第一欧姆接触层，所述第一欧姆接触层形成于所述第一电荷层和所述钝化层之间，且分别与所述第一电荷层和所述第一接触电极接触；第二欧姆接触层，所述第二欧姆接触层设于所述衬底和所述第二接触电极之间。
在一些实施例中，所述低噪声单光子探测器还包括：增透层，所述增透层与所述钝化层同层设置。
在一些实施例中，所述增透层由SiO2和Si3N4中的至少一种构成。
在一些实施例中，所述低噪声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，所述保护环围设于所述第一电荷层和所述第二电荷层的周侧，且与所述钝化层沿竖向接触。
本发明第二方面提供一种低噪声单光子探测器的制备方法，应用于根据本发明第一方面所述的低噪声单光子探测器，所述制备方法包括以下步骤：在所述衬底上形成钝化层；在形成所述钝化层的所述衬底内形成第二电荷层；在形成所述第二电荷层的所述衬底内形成第一电荷层；在所述衬底上形成与所述第一电荷层连接的第一接触电极；在所述衬底上形成第二接触电极。
根据本发明的低噪声单光子探测器的制备方法，第一电荷层与第二电荷层形成PN结，且具有量子限制斯塔克效应，使得低噪声单光子探测器在工作时可以外加更小的偏置电压，以在光子入射前处于线性模式，在光子入射后，由于量子限制斯塔克效应，通过量子跃迁引入的额外电场使得第一电荷层和第二电荷层构建的倍增电场达到雪崩阈值，进而触发雪崩效应。相较于现有的盖格模式光电探测器需要外加偏置电压大于击穿电压才可以触发雪崩效应的方案，可以降低雪崩背景噪声，提高器件探测效率。
根据本发明的一些实施例，所述在所述衬底上形成与所述第一电荷层连接的第一接触电极，还包括以下步骤：在形成所述第一电荷层的所述衬底内形成第一欧姆接触层，所述第一欧姆接触层位于所述第一电荷层的朝向所述钝化层的一侧；在所述第一欧姆接触层上形成所述第一接触电极；和/或，所述在所述衬底上形成第二接触电极，具体包括以下步骤：在所述衬底上形成第二欧姆接触层；在所述第二欧姆接触层上形成第二接触电极。
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为本发明实施例的低噪声单光子探测器的结构示意图；
图2a为传统半导体单光子探测器PN结在平衡状态下的能带示意图；
图2b为传统半导体单光子探测器PN结在外加反向偏压时的能带示意图；
图2c为本发明实施例的低噪声单光子探测器结构中第一电荷层和第二电荷层在外加偏压下处于线性模式时的能带示意图，图中第一电荷层和第二电荷层均为量子点结构；
图2d为本发明实施例的低噪声单光子探测器结构吸收光子后，光生电子束缚在第一电荷层后的能带示意图；
图3为本发明实施例的低噪声单光子探测器的制备方法中形成第二电荷层的步骤所对应的示意图；
图4为本发明实施例的低噪声单光子探测器的制备方法中形成第一电荷层的步骤所对应的示意图；
图5为本发明实施例的低噪声单光子探测器的制备方法中形成第一欧姆接触层的步骤所对应的示意图；
图6为本发明实施例的低噪声单光子探测器的制备方法中形成第一接触电极的步骤所对应的示意图；
图7为本发明实施例的低噪声单光子探测器的制备方法中形成第二欧姆接触层的步骤所对应的示意图；
图8为本发明实施例的低噪声单光子探测器的制备方法中形成第二接触电极的步骤所对应的示意图；
图9为本发明实施例的低噪声单光子探测器的制备方法的流程示意图；
图10为本发明实施例的低噪声单光子探测器的制备方法中形成第一接触电极的流程示意图；
图11为本发明实施例的低噪声单光子探测器的制备方法中形成第二接触电极的流程示意图。
附图标记说明：
100-低噪声单光子探测器；
1-衬底；
2-钝化层；
3-第一电荷层；
4-第二电荷层；
51-第一欧姆接触层；52-第一接触电极；
61-第二欧姆接触层；62-第二接触电极；
7-增透层。
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。
基于强电场雪崩反向击穿机制的光电探测器是实现单光子探测的重要手段。其中，盖革模式的雪崩光电探测器，也称为单光子探测器，由于整体上具有探测效率较高、暗计数和后脉冲较低等优点，是单光子探测和成像的重要器件，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。
但是，由于雪崩碰撞过程随机性问题，使得基于强电场雪崩击穿机制的单光子探测器除了存在传统光电探测器的热噪声、散粒噪声、低频噪声等，还有雪崩碰撞引起的波动噪声，导致雪崩器件受到噪声高的限制，引起探测效率低的问题。而目前通过提高材料质量、降低制备工艺过程中损伤和沾污等手段来降低单光子探测器噪声的方案，仍然无法有效降低雪崩噪声。
有鉴于此，本发明提供一种低噪声单光子探测器及其制备方法，在光子入射前处于线性模式，在光子入射后，由于量子限制斯塔克效应，通过量子跃迁引入的额外电场使得第一电荷层和第二电荷层构建的倍增电场达到雪崩阈值，进而触发雪崩效应。相较于现有的盖格模式光电探测器需要外加偏置电压大于击穿电压才可以触发雪崩效应的方案，可以降低雪崩背景噪声，提高器件探测效率。
下面参考图1-图11描述根据本发明第一方面实施例的低噪声单光子探测器100。
参考图1，本实施例的低噪声单光子探测器100，是基于雪崩倍增效应以放大微弱光信号，实现单光子探测的光电探测器。本实施例的低噪声单光子探测器100可以包括：衬底1、钝化层2、第一电荷层3、第二电荷层4、第一接触电极52和第二接触电极62。
具体地，衬底1可以在探测器的制备过程中为钝化层2、第一接触电极52、第二接触电极62等提供支撑和长晶的附着点，衬底1可以为P型，也可以为N型。衬底1可以为硅衬底1、氮化镓衬底1、砷化镓衬底1、或者碳化硅衬底1中的一种，衬底1的类型可以根据实际需要选择，本发明对此不作限制。
第一电荷层3形成于衬底1内，并且，第一电荷层3在水平方向的尺寸小于衬底1的尺寸，第一电荷层3的厚度可以小于光吸收层的厚度。第二电荷层4形成于衬底1内，第二电荷层4的在水平方向的尺寸小于衬底1的尺寸，第二电荷层4的厚度小于光吸收层的厚度，第一电荷层3与第二电荷层4在水平方向的尺寸以及各自的厚度可以相同，也可以不同。
第二电荷层4位于第一电荷层3的背向钝化层2的一侧，第二电荷层4与第一电荷层3接触，第一电荷层3与第二电荷层4的掺杂类型不同，例如，当第一电荷层3为N型时，第二电荷层4为P型；当第一电荷层3为P型时，第二电荷层4为N型。由于第一电荷层3和第二电荷层4直接接触，且二者掺杂类型不同，使得本实施例的低噪声单光子探测器100中的PN结由第一电荷层3和第二电荷层4的冶金结面附近的空间电荷区所构成。
第一电荷层3和第二电荷层4中的至少一个用于束缚光生电荷，例如，可以将第一电荷层3和第二电荷层4构造为量子阱结构、量子线结构、量子点结构中的至少一种，从而使第一电荷层3和第二电荷层4分别与衬底1在水平方向上形成势能低谷，根据能量最低原理，光生电荷能够分别输运到电子能谷或者空穴能谷的第一电荷层3和第二电荷层4中，当光生电荷和光生电子分别束缚在第一电荷层3和第二电荷层4中后，相当于外加一定的反向偏压，能够增强空间电荷区的内建电场。
第一电荷层3与第二电荷层4中的至少一个构造为其特征尺寸小于500nm，以形成明显的量子限制斯塔克效应，换言之，本实施例的低噪声单光子探测器100为基于量子限制斯塔克效应的单光子探测器。
以第一电荷层3为P型，第二电荷层4为N型，第一电荷层3和第二电荷层4的特征尺寸均小于500nm为例进行说明：
请参考图2c和图2d，其中，图2c为本发明实施例的低噪声单光子探测器100结构中第一电荷层3和第二电荷层4在外加偏压下处于线性模式时的能带示意图，图中第一电荷层3和第二电荷层4均为量子点结构；图2c为本发明实施例的低噪声单光子探测器100结构吸收光子后，光生电子束缚在第一电荷层3后的能带示意图。本实施例的低噪声单光子探测器100工作时，衬底1吸收光子能量，产生电子空穴对，在光生电子束缚在第一电荷层3中，光生空穴束缚到第二电荷层4中时，相当于为低噪声单光子探测器100外加一定的反向偏置电压，可以进一步增强空间电荷区内建电场，而由于第一电荷层3和第二电荷层4的特征尺寸小于500nm，具有明显的量子限制斯塔克效应，或者由于第一电荷层3和第二电荷层4体积小，增加同等数量的光生电荷导致电荷密度高，化学势变化大，相当于增加了额外的外加偏压。可以理解地，第一电荷层3和第二电荷层4的体积越小，该效应越明显。当光生电荷在第一电荷层3或第二电荷层4增加的额外电压达到雪崩离化电场阈值，则触发雪崩，形成光电流，实现将微弱的光子信号转换成较强的电信号输出。
可以理解地，由于第一电荷层3和第二电荷层4中的至少一个在吸收光生电荷后能够增强空间电场，使得本实施例的低噪声单光子探测器100在工作时可以外加更小的偏置电压，偏置电压可以小于第一电荷层3和第二电荷层4所构成的PN结的击穿电压。换言之，与传统盖格模式的雪崩光电探测器相比，本实施例的低噪声单光子探测器100，在无光入射时，其第一电荷层3和第二电荷层4构建的倍增电场未达到雪崩阈值，即器件未达到雪崩状态，器件处于线性模式，即图2c中所示状态。只有光子入射后，由于量子限制斯塔克效应，由量子跃迁引入的额外电场，增强了空间电场，使得第一电荷层3和第二电荷层4构建的倍增电场达到了雪崩阈值，从而触发雪崩，即图2d中所示状态。
因此，与传统的基于强场雪崩原理的光电探测器由于雪崩背景噪声高导致器件探测效率低的方案相比，本实施例通过在单光子探测其中引入量子结构，可以至少部分降低器件噪声，提高探测效率。
钝化层2可以形成于衬底1的第一表面（例如衬底1的上表面），该钝化层2可以为高阻聚合物材料构成，或者也可以由SiO2、SiNx、Al2O3中的至少一种构成，钝化层2可以增加低噪声单光子探测器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，提高低噪声单光子探测器100的可靠性。
第一接触电极52与第一电荷层3连接，第一接触电极52与钝化层2同层布置，第一接触电极52可以采用钛、铝、金、银或镍中的至少一种金属材料制成。第二接触电极62与衬底1连接，例如，第二接触电极62可以设于衬底1的背向第一钝化层2的一侧，或者也可以与第一接触电极52同层布置。第二接触电极62可以采用钛、铝、金、银或镍中的至少一种金属材料制成。
第一接触电极52和第二接触电极62分别与外部的反向偏置电路连接。
根据本发明实施例的低噪声单光子探测器100，第一电荷层3与第二电荷层4形成PN结，且具有量子限制斯塔克效应，使得低噪声单光子探测器100在工作时可以外加更小的偏置电压，以在光子入射前处于线性模式，在光子入射后，由于量子限制斯塔克效应，通过量子跃迁引入的额外电场使得第一电荷层3和第二电荷层4构建的倍增电场达到雪崩阈值，进而触发雪崩效应。相较于现有的盖格模式光电探测器需要外加偏置电压大于击穿电压才可以触发雪崩效应的方案，可以降低雪崩背景噪声，提高器件探测效率。
为便于描述，以下均以第一电荷层3为P型，第二电荷层4为N型为例进行说明。
在一个具体的示例中，第一电荷层3和第二电荷层4均为量子点结构，这样，容易将光生电子束缚在第一电荷层3中，将光生空穴束缚在第二电荷层4中，可以理解地，光生空穴对空间电场的影响较小，而在第一电荷层3中作为少子的光生电子相当于为PN结加一定的反向偏置电压，当达到击穿电压阈值时即可触发雪崩效应。
参考图1和图3-图8，根据本发明的一些实施例，第一电荷层3可以为多个，多个第一电荷层3沿水平方向呈周期性地间隔排布，即多个第一电荷层3共同构成P型层。第二电荷层4可以为多个，多个第二电荷层4沿水平方向呈周期性地间隔排布，即多个第二电荷层4共同构成N型层。多个第一电荷层3和多个第二电荷层4一一对应，且沿竖向相对布置。并且，第一电荷层3和第二电荷层4的特征尺寸均小于500nm。
如此，本实施例通过P型层分成沿水平方向排布的尺寸更小的多个第一电荷层3，将N型层分成沿水平方向排布的尺寸更小的多个第二电荷层4，可以使量子限制效应更明显，能够提高电荷和空穴发生空间分离的概率，进而更高效率地触发雪崩效应，形成光电流。
在一些实施例中，多个第一电荷层3中任意相邻的两个之间的间距可以大于500nm，多个第二电荷层4中任意相邻两个的间距大于500nm，以确保量子限制斯塔克效应发生在第一电荷层3和第二电荷层4中。
根据本发明的一些实施例，衬底1可以包括衬底层和外延层，其中，衬底层可以是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片，衬底层可以在探测器的制备过程中为外延层、钝化层2、第一接触电极52和第二接触电极62等提供长晶附着点和支撑。
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层上。外延层能够作为光吸收层，吸收光子产生电子空穴对。由于第一电荷层3与第二电荷层4在水平方向均与光吸收层构成势能低谷，使得光生电子向第一电荷层3中输运，光生空穴向第二电荷层4中输运，当光生电子束缚在第一电荷层3，光生空穴束缚在第二电荷层4中时，由于量子限制斯塔克效应，同时提高电子费米能级和降低空穴费米能级（例如图2d中，使电子费米能级高于导带底，空穴费米能级低于价带顶），提高的势能达到雪崩阈值从而触发雪崩，实现低噪声单光子探测。
由于第一电荷层3和第二电荷层4构成的雪崩倍增区域形成在光吸收层的内部，使得本实施例的低噪声单光子探测器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。
可选地，外延层可以为高阻外延层，例如，可以通过对外延层进行低掺杂或者非故意掺杂，形成掺杂浓度较低的高阻外延层，此时，外延层的掺杂浓度可以远低于第一电荷层3和第二电荷层4的掺杂浓度。当然也可以不进行掺杂，形成高阻外延层。如此，高阻外延层可以形成虚拟保护环，能够防止发生边缘击穿。
根据本发明的一些实施例，第一电荷层3可以由Si、InGaAs、SiC、GaN、石墨烯和二硫化钼中的至少一种材料制成。第二电荷层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成。第一电荷层3和第二电荷层4的材料可以分别在上述示例中合理选择，本发明对此不作限制。
光吸收层可以是硅材料，也可以是InGaAs、SiC、GaN等半导体材料，还可以是石墨烯、二硫化钼、黑磷等二维材料，其中，当光吸收层采用硅材料时，可以为外延高阻硅材料，也可以是由体硅材料通过减薄工艺形成。
可以理解地，为确保光吸收层能够有效吸收光子，产生光生电荷，光吸收层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；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；若检测紫外光时，可以采用氮化镓形成光吸收层；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。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。
在一些实施例中，考虑到硅衬底1和砷化镓衬底1等类型的衬底1具有较高的表面态密度，若上述材料的衬底1直接与由金属构成的第一接触电极52以及第二接触电极62连接，容易形成阻挡层，不利于光电流流过。因此，本实施例的低噪声单光子探测器100还可以包括：第一欧姆接触层51和第二欧姆接触层61。
其中，第一欧姆接触层51形成于第一电荷层3和钝化层2之间，第一欧姆接触层51沿厚度方向的两侧分别与第一电荷层3和第一接触电极52接触，第二欧姆接触层61位于衬底1和第二接触电极62之间，第二欧姆接触层61可以分别与衬底1和第二接触电极62接触。
如此，通过在第一电荷层3和第一接触电极52之间设置第一欧姆接触层51，在衬底1和第二接触电极62之间设置第二欧姆接触层61，能够获得更好的欧姆接触，减小接触电阻，以便于在进行单光子探测时，使光电流更容易流过，有利于提高探测灵敏度和探测效率。
在一些实施例中，低噪声单光子探测器100还可以包括：增透层7，增透层7与钝化层2同层设置，增透层7位于第一接触电极52沿水平方向的内侧，增透层7可以是二氧化硅(SiO2) 、Si3N4或者SiO2/Si3N4复合结构，当然也可以为其它类似的光学薄膜。薄膜的厚度可以根据实际需要合理选择。如此，通过设置由增透层7所形成的光窗口，可以供入射光入射，且能够增加光子透过率。可选地，可采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）制备Si3N4薄膜。
根据本发明的一些实施例，由于本实施例的低噪声单光子探测器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的边缘发生提前击穿。为抑制上述情况的发生，本实施例的低噪声单光子探测器100还包括保护环。
保护环可以设于光吸收层内，保护环可以环绕于第一电荷层3和第二电荷层4的周侧，保护环且与钝化层2沿竖向接触。通过设置保护环，可以避免边缘击穿。
可选地，保护环可以仅设置一个，或者，保护环也可以为多个，当保护环为多个时，多个保护环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。
在一些实施例中，保护环可以通过掺杂形成。例如，当衬底1为P型衬底1时，保护环可以为N型掺杂；当衬底1为N型掺杂时，保护环7可以为P型掺杂，保护环的掺杂浓度可以低于第一电荷层3和第二电荷层4的掺杂浓度，以提高耐压值。
在其他的一些实施例中，保护环可以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，第二接触电极62形成于衬底1的背面，此时，第二欧姆接触层61也位于衬底1背面，且位于衬底1和第二接触电极62之间，而第二接触电极62和第一接触电极52分别处于衬底1的两侧，即本实施例的低噪声单光子探测器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，第二接触电极62与第一接触电极52同层布置，并与外延层连接，即第一接触电极52与光吸收层连接，此时，本实施例的低噪声单光子探测器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。
根据本发明的一些实施例，本实施例的低噪声单光子探测器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低噪声单光子探测器100的使用范围，满足更多应用需求。
下面描述根据本发明第二方面实施例的低噪声单光子探测器100的制备方法。
参考图9，本实施例的噪声单光子探测器100的制备方法，可以应用于上述实施例中的低噪声单光子探测器100的制备。
具体地，制备方法包括以下步骤：
S101,在衬底1上形成钝化层2。
为便于说明，以衬底1为P型衬底1为例进行说明。对P型衬底1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型衬底1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。
S102，在形成钝化层2的衬底1内形成第二电荷层4。
参考图3，在P型衬底1上光刻形成第二电荷层4的图形，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N型的第二电荷层4。
S103，在形成第二电荷层4的衬底1内形成第一电荷层3。
参考图4，通过磷离子注入、扩散等掺杂工艺形成P型的第一电荷层3，去除光刻胶。
S104，在衬底1上形成与第一电荷层3连接的第一接触电极52。
通过磁控溅射或者电子束蒸发法在衬底1的正面生成第一接触电极52层，在第一接触电极52层上光刻形成第一接触电极52的图形，腐蚀第一接触电极52层后，去除光刻胶，从而得到第一接触电极52，此时，第一接触电极52与钝化层2同层设置。其中，第一接触电极52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。
S105，在衬底1上形成第二接触电极62。
通过磁控溅射或者电子束蒸发法在衬底1的背面形成第二接触电极62层，在第二接触电极62层上光刻形成第二接触电极62的图形，腐蚀第二接触电极62层后，去除光刻胶，从而得到第二接触电极62。其中，第二接触电极62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。
根据本发明实施例的低噪声单光子探测器100的制备方法，第一电荷层3与第二电荷层4形成PN结，且具有量子限制斯塔克效应，使得低噪声单光子探测器100在工作时可以外加更小的偏置电压，以在光子入射前处于线性模式，在光子入射后，由于量子限制斯塔克效应，通过量子跃迁引入的额外电场使得第一电荷层3和第二电荷层4构建的倍增电场达到雪崩阈值，进而触发雪崩效应。相较于现有的盖格模式光电探测器需要外加偏置电压大于击穿电压才可以触发雪崩效应的方案，可以降低雪崩背景噪声，提高器件探测效率。
参考图10，根据本发明的一些实施例，在衬底1上形成与第一电荷层3连接的第一接触电极52，即步骤S104，具体包括以下步骤：
S1041，在形成第一电荷层3的衬底1上形成第一欧姆接触层51，第一欧姆接触层51位于第一电荷层3的朝向钝化层2的一侧；
参考图5和图6，在衬底1正面光刻形成第一欧姆接触层51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51，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，形成的第一欧姆接触层51位于第一电荷层3和钝化层2之间，且与第一电荷层3接触。
S1042，在第一欧姆接触层51上形成第一接触电极52；
参考图7和图8，通过磁控溅射或者电子束蒸发法在第一欧姆接触层51的正面生成第一接触电极52层，在第一接触电极52层上光刻形成第一接触电极52的图形，腐蚀第一接触电极52层后，去除光刻胶，从而得到第一接触电极52。
参考图11，在一些实施例中，在衬底1上形成第二接触电极62，即步骤S105，具体包括以下步骤：
S1051，在衬底1上形成第二欧姆接触层61；
在P型衬底1的背面通过硼离子注入、扩散等掺杂工艺形成P型第二欧姆接触层61。其中，硼离子的掺杂浓度可以为。
S1052，在第二欧姆接触层61上形成第二接触电极62；
通过磁控溅射或者电子束蒸发法在第二欧姆接触层61的背面形成第二接触电极62层，在第二接触电极62层上光刻形成第二接触电极62的图形，腐蚀第二接触电极62层后，去除光刻胶，从而得到第二接触电极62。
在本实施例中，通过在第一电荷层3和第一接触电极52之间设置第一欧姆接触层51，在衬底1和第二接触电极62之间设置第二欧姆接触层61，能够减小接触电阻，以便于在进行单光子探测时，使光电流更容易流过，有利于提高探测灵敏度和探测效率。
根据本发明的一些实施例，制备方法还可以包括以下步骤：在衬底1上形成增透层7，增透层7与钝化层2同层设置。
具体地，通过干氧、湿氧或者气相沉积等方式在P型衬底1的正面，且位于第一接触电极52内侧的区域沉积二氧化硅薄膜，二氧化硅薄膜构成增透层7。
根据本发明的一些实施例，在衬底1上形成第一欧姆接触层51之前，制备方法还可以包括以下步骤：在衬底1内形成保护环，保护环环绕在第一欧姆接触层51的周侧，保护环背向第二接触电极62的一侧与第一欧姆接触层51接触。
下面参考图2a-2d描述本发明实施例的低噪声单光子探测器100的工作原理。
请参照图2a和图2b，其中，图2a为传统半导体单光子探测器100的PN结在平衡状态下的能带示意图，图2b为传统半导体单光子探测器100在外加反向偏压时的pn结能带示意图。P型和N型的费米能级在外加偏压作用下分离，空间电荷区变宽，当达到击穿电场阈值后发生雪崩过程；
请参照图2c和图2d，其中，图2c为本实施例提供的低噪声单光子探测器100结构中第一电荷层3和第二电荷层4结构在外加偏压下线性模式下的能带示意图，第一电荷层3和第二电荷层4均为量子点结构；图2c为本发明实施例的低噪声单光子探测器100吸收光子后，光生电子束缚在第一电荷层3后的能带示意图。具体为：在无光入射时，其第一电荷层3和第二电荷层4构建的倍增电场未达到雪崩阈值，即器件未达到雪崩状态，器件处于线性模式。当低噪声单光子探测器100吸收光子后，产生电子空穴对，光生电子可以束缚在第一电荷层3中，由于第一电荷层3中空穴为多子，光生空穴对空间电荷区内建电场影响可以忽略，但是作为少子的光生电子束缚在第一电荷层3中时相当于给第一电荷层3加负偏压，能量上提高能带，当达到击穿电压阈值时触发雪崩。
综上，本实施例的低噪声单光子探测器100，在无光入射时，其第一电荷层3和第二电荷层4构建的倍增电场未达到雪崩阈值，即器件未达到雪崩状态，器件处于线性模式，即图2c中所示状态。只有光子入射后，当光生电荷束缚在第一电荷层3或第二电荷层4中，或光生电子和空穴分别同时束缚在第一电荷层3和第二电荷层4中时，由于量子限制斯塔克效应，提高电子费米能级或降低空穴费米能级，或同时提高电子费米能级和降低空穴费米能级，提高的势能达到雪崩阈值从而触发雪崩，实现低噪声单光子探测。
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)

1.一种低噪声单光子探测器，其特征在于，包括：
衬底；
钝化层，形成于所述衬底的第一表面；
第一电荷层，形成于所述衬底内；
第二电荷层，形成于所述衬底内且位于所述第一电荷层的背向所述钝化层的一侧，所述第二电荷层与所述第一电荷层接触，所述第一电荷层与所述第二电荷层的掺杂类型不同，所述第一电荷层和所述第二电荷层中的至少一个构造为适于束缚光生电荷，所述第一电荷层与所述第二电荷层中的至少一个的特征尺寸小于500nm；
第一接触电极，所述第一接触电极与所述第一电荷层连接；
第二接触电极，所述第二接触电极与所述衬底连接。
2.根据权利要求1所述的低噪声单光子探测器，其特征在于，所述第一电荷层为多个，多个所述第一电荷层沿水平方向周期间隔排布；
所述第二电荷层为多个，多个所述第二电荷层沿水平方向周期间隔排布；
且第一电荷层和所述第二电荷层的特征尺寸均小于500nm。
3.根据权利要求2所述的低噪声单光子探测器，其特征在于，多个所述第一电荷层中任意相邻的两个之间的间距大于500nm，
多个所述第二电荷层中任意相邻两个的间距大于500nm。
4.根据权利要求1所述的低噪声单光子探测器，其特征在于，所述衬底包括衬底层和外延层，所述外延层构成光吸收层，所述第一电荷层和所述第二电荷层均位于所述外延层内。
5.根据权利要求1所述的低噪声单光子探测器，其特征在于，还包括：第一欧姆接触层，所述第一欧姆接触层形成于所述第一电荷层和所述钝化层之间，且分别与所述第一电荷层和所述第一接触电极接触；
第二欧姆接触层，所述第二欧姆接触层设于所述衬底和所述第二接触电极之间。
6.根据权利要求1所述的低噪声单光子探测器，其特征在于，还包括：增透层，所述增透层与所述钝化层同层设置。
7.根据权利要求6所述的低噪声单光子探测器，其特征在于，所述增透层由SiO2和Si3N4中的至少一种构成。
8.根据权利要求4所述的低噪声单光子探测器，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，所述保护环围设于所述第一电荷层和所述第二电荷层的周侧，且与所述钝化层沿竖向接触。
9.一种低噪声单光子探测器的制备方法，应用于根据权利要求1-8中任一项所述的低噪声单光子探测器，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
在所述衬底上形成钝化层；
在形成所述钝化层的所述衬底内形成第二电荷层；
在形成所述第二电荷层的所述衬底内形成第一电荷层；
在所述衬底上形成与所述第一电荷层连接的第一接触电极；
在所述衬底上形成第二接触电极。
10.根据权利要求9所述的低噪声单光子探测器的制备方法，其特征在于， 所述在所述衬底上形成与所述第一电荷层连接的第一接触电极，还包括以下步骤：
在形成所述第一电荷层的所述衬底内形成第一欧姆接触层，所述第一欧姆接触层位于所述第一电荷层的朝向所述钝化层的一侧；
在所述第一欧姆接触层上形成所述第一接触电极；
和/或，
所述在所述衬底上形成第二接触电极，具体包括以下步骤：
在所述衬底上形成第二欧姆接触层；
在所述第二欧姆接触层上形成第二接触电极。
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