CN116936653A - 片上集成硅单光子探测器及其制备方法 - Google Patents

片上集成硅单光子探测器及其制备方法 Download PDF

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胡安琪
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Abstract

本申请提供一种片上集成硅单光子探测器及其制备方法，该片上集成硅单光子探测器包括氮化硅波导和硅导模探测器，氮化硅波导用于接收并传输入射光，入射光的波长为300nm‑1100nm；硅导模探测器的长度方向与氮化硅波导内的光传输方向一致，硅导模探测器的宽度方向与硅导模探测器通电时硅导模探测器内的电流方向一致；硅导模探测器与氮化硅波导间隔设置，且氮化硅波导位于硅导模探测器高度方向的上部，硅导模探测器用于接收氮化硅波导耦合来的入射光，以及当硅导模探测器通电时，用于将入射光转换为电信号。该片上集成硅单光子探测器解决了因硅材料对接近1100nm处的近红外光吸收系数小导致的探测效率低的技术问题。

Description

片上集成硅单光子探测器及其制备方法
技术领域
本申请实施例涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种片上集成硅单光子探测器及其制备方法。
背景技术
光子是量子信息技术中理想的信息载体，其中单光子探测器是光量子信息技术的核心部件。与经典光子学相似，光量子集成是提高性能和稳定性、降低功耗和体积的关键技术，是将量子信息技术稳健地从实验室推向实际应用的重大挑战。
铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)单光子探测器对接近1100nm处的近红外光具有高吸收系数和探测效率，其通过键合工艺与硅波导实现片上集成，但由于键合引入的位错、表面悬挂键及材料本身陷密度高，导致暗计数高，噪声大，而且由缺陷引入的后脉冲现象严重，长的死时间使得系统的计数率大幅降低。超导纳米线单光子探测器对接近1100nm处的近红外光具有高的探测效率，为解决硅基集成的单光子探测问题，其将超导纳米线嵌入硅波导中，实现了片上的非经典光子的光子相关测量。然而，由于超导纳米线与硅基波导光场模式不匹配，温度为3K下系统的平均单光子探测效率仅为10％，这与没有集成的超导纳米线的探测效率(可高达95％以上)相比，器件性能受到很大的影响。此外，受到超导纳米线工作原理的限制，芯片工作温度通常小于4K，需要配备体积庞大、成本昂贵的制冷系统，导致其应用领域严重受限。
此外，硅材料晶格完整，电子空穴离化系数比高，但受到硅材料禁带宽度本征限制，即受到硅材料对接近1100nm处的近红外光吸收系数小的限制，硅单光子探测器对接近1100nm处的近红外光的探测效率较低，导致硅单光子探测器的应用受限。
发明内容
本申请实施例提供一种片上集成硅单光子探测器及其制备方法，用以解决硅单光子探测器难以片上集成的问题，同时解决了因硅材料对接近1100nm处的近红外光吸收系数小导致的探测效率低的技术问题。
本申请实施例为解决上述技术问题提供如下技术方案：
本申请实施例提供了一种片上集成硅单光子探测器，包括：
氮化硅波导，所述氮化硅波导用于接收并传输入射光，所述入射光的波长为300nm-1100nm；
硅导模探测器，所述硅导模探测器的长度方向与所述氮化硅波导内的光传输方向一致，所述硅导模探测器的宽度方向与所述硅导模探测器通电时所述硅导模探测器内的电流方向一致；所述硅导模探测器与所述氮化硅波导间隔设置，且所述氮化硅波导位于所述硅导模探测器高度方向的上部，所述硅导模探测器用于接收所述氮化硅波导耦合来的入射光，以及当所述硅导模探测器通电时，用于将所述入射光转换为电信号。
本申请实施例的有益效果：本申请实施例提供的片上集成硅单光子探测器通过硅导模探测器与氮化硅波导间隔设置且氮化硅波导位于硅导模探测器高度方向的上部，以使氮化硅波导内传输的光能够耦合至硅导模探测器内，硅导模探测器的电流方向与硅导模探测器的宽度方向相同，进入硅导模探测器的光沿垂直于硅导模探测器内电流方向进入硅导模探测器，硅导模探测器内光的方向与电流的方向垂直，因此，硅导模探测器可以在保证硅导模探测器内电场分布的前提下通过增加硅导模探测器的长度来增加硅导模探测器对接近1100nm处的近红外光的吸收量，一旦硅导模探测器中产生光生电荷，其就会在电场作用下分离并发生碰撞电离，实现信号放大，由此解决了因硅材料对接近1100nm处的近红外光吸收系数小导致的探测效率低的技术问题；其次，本申请实施例提供的片上集成硅单光子探测器结构简单，且氮化硅波导和硅导模探测器可以集成于同一衬底上，使得本申请实施例提供的片上集成硅单光子探测器能够满足集成化、小型化光电器件的需求。
在一种可能的实施方式中，还包括光栅耦合器和模斑转换结构，所述模斑转换结构连接于所述光栅耦合器和所述氮化硅波导之间，所述模斑转换结构用于转换所述光栅耦合器的模斑尺寸，所述光栅耦合器用于接收并传输入射光；
入射至所述光栅耦合器的入射光经所述光栅耦合器和所述模斑转换结构的传输后入射至所述氮化硅波导。
在一种可能的实施方式中，所述硅导模探测器包括雪崩区、吸收区、P型欧姆接触区、N型欧姆接触区、P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极；
所述P型欧姆接触电极设置于所述P型欧姆接触区的上部，所述N型欧姆接触电极设置于所述N型欧姆接触区的上部；
所述N型欧姆接触区、所述雪崩区、所述吸收区、所述P型欧姆接触区沿所述硅导模探测器的宽度方向依次排列。
在一种可能的实施方式中，所述氮化硅波导位于所述吸收区的上方，且所述氮化硅波导在所述吸收区上的正投影位于所述吸收区的内部。
在一种可能的实施方式中，所述硅导模探测器与所述氮化硅波导之间设置有支撑层，所述支撑层的厚度小于60nm；
所述支撑层的折射率小于氮化硅，且所述支撑层的折射率小于硅。
在一种可能的实施方式中，所述支撑层为二氧化硅层。
本申请实施例还提供了一种片上集成硅单光子探测器的制备方法，包括如下步骤：
在硅衬底上沉积一层第二二氧化硅层，所述第二二氧化硅层的厚度小于60nm，所述硅衬底包括依次堆叠设置的第一硅层、第一二氧化硅层和第二硅层，所述第二二氧化硅层沉积于所述第二硅层的上部；
对所述第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构；
在第二二氧化硅层上沉积一层第一氮化硅层；
刻蚀掉部分第一氮化硅层以形成氮化硅波导，所述氮化硅波导的长度方向与所述硅衬底的长度方向相同，进入所述氮化硅波导内的光沿所述氮化硅波导的长度方向传输；
刻蚀掉位于所述硅导模探测器初始结构上部的部分第二二氧化硅层，在刻蚀掉部分第二二氧化硅层的硅导模探测器初始结构上制备电极结构，以形成硅导模探测器，所述硅导模探测器通电时，电流的方向与所述硅导模探测器的宽度方向相同，所述氮化硅波导位于所述硅导模探测器初始结构对应未刻蚀掉第二二氧化硅层的部分上。
本申请实施例提供的片上集成硅单光子探测器的制备方法的有益效果与上述片上集成硅单光子探测器的有益效果相同，在此不再赘述。
在一种可能的实施方式中，对所述第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构的方法为：
沿所述硅衬底的长度方向，所述硅衬底至少包括第一部分，沿硅衬底的宽度方向，所述第一部分至少包括依次排列的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；
对所述第二区域进行掺杂处理，使该区域的第二硅层内掺入硼，以形成雪崩区；
对所述第三区域不进行处理，以形成吸收区；
对所述第一区域进行掺杂处理，使所述第一区域的第二硅层内掺入磷，以形成N型欧姆接触区；
对所述第四区域进行掺杂处理，使所述第四区域的第二硅层内掺入硼，以形成P型欧姆接触区。
在一种可能的实施方式中，在步骤刻蚀掉位于所述硅导模探测器初始结构上部的部分第二二氧化硅层，在所述硅导模探测器初始结构对应刻蚀掉第二二氧化硅层的部分上制备电极结构中，所述电极结构为P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极；
在该步骤中，刻蚀掉位于所述N型欧姆接触区和所述P型欧姆接触区上部的第二二氧化硅层，在P型欧姆接触区制备P型欧姆接触电极，在N型欧姆接触区制备N型欧姆接触电极。
在一种可能的实施方式中，沿所述硅衬底的长度方向，所述硅衬底包括第一部分和第二部分，沿硅衬底的宽度方向，将所述第一部分依次分为第一区段、第二区段和第三区段；
在步骤在硅衬底上沉积一层第二二氧化硅层和步骤对所述第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构之间，还包括在所述第二二氧化硅层上生长一层第二氮化硅层；刻蚀掉所述第二部分、所述第一区段和所述第三区段处的第二氮化硅层、第二二氧化硅层和第二硅层；在所述第二部分、所述第一区段和所述第三区段上沉积二氧化硅形成第三二氧化硅层；去除位于第二区段上的第二氮化硅层；
在步骤对所述第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构中，对位于第二区段的第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构；
在步骤在第二二氧化硅层上沉积一层第一氮化硅层中，所述第一氮化硅层沉积于所述第二二氧化硅层和第三二氧化硅层上；
在步骤刻蚀掉部分第一氮化硅层以形成氮化硅波导中，刻蚀掉部分第二氮化硅层以形成氮化硅波导、楔形模斑转换结构和光栅耦合器，所述楔形模斑转换结构位于所述氮化硅波导和所述光栅耦合器之间，入射光能够自所述光栅耦合器入射并传输至氮化硅波导内。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请实施例片上集成硅单光子探测器的结构示意图；
图2为本申请实施例片上集成硅单光子探测器在氮化硅波导的入射端后侧任意位置处的光场仿真结果图；
图3为本申请实施例片上集成硅单光子探测器的电学仿真结果图；
图4为本申请实施例片上集成硅单光子探测器制备的状态图一；
图5为本申请实施例片上集成硅单光子探测器制备的状态图二；
图6为本申请实施例片上集成硅单光子探测器制备的状态图三；
图7为本申请实施例片上集成硅单光子探测器制备的状态图四；
图8为本申请实施例片上集成硅单光子探测器制备的状态图五。
附图标记说明：
100、氮化硅波导；
200、硅导模探测器；
210、雪崩区；220、吸收区；230、P型欧姆接触区；240、N型欧姆接触区；250、P型欧姆接触电极；260、N型欧姆接触电极；
300、光栅耦合器；
400、模斑转换结构；
500、硅衬底；
510、第一硅层；520、第一二氧化硅层；530、第二硅层；540、第二二氧化硅；550、第二氮化硅层；560、第三二氧化硅层。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
在相关技术中，InGaAs/InP单光子探测器对接近1100nm处的近红外光具有高吸收系数和探测效率，其通过键合工艺与硅波导实现片上集成，但由于键合引入的位错、表面悬挂键及材料本身陷密度高，导致暗计数高，噪声大，而且由缺陷引入的后脉冲现象严重，长的死时间使得系统的计数率大幅降低。超导纳米线单光子探测器对接近1100nm处的近红外光具有高的探测效率，为解决硅基集成的单光子探测问题，其将超导纳米线嵌入硅波导中，实现了片上的非经典光子的光子相关测量。然而，由于超导纳米线与硅基波导光场模式不匹配，温度为3K下系统的平均单光子探测效率仅为10％，这与没有集成的超导纳米线的探测效率(可高达95％以上)相比，器件性能受到很大的影响。此外，受到超导纳米线工作原理的限制，芯片工作温度通常小于4K，需要配备体积庞大、成本昂贵的制冷系统，导致其应用领域严重受限。因此，InGaAs/InP单光子探测器的缺陷明显，超导纳米线单光子探测器不能够实现片上集成的问题。硅材料晶格完整，电子空穴离化系数比高，但受到硅材料禁带宽度本征限制，硅单光子探测器对接近1100nm处的近红外光的探测效率较低，导致硅单光子探测器的应用受限。
有鉴于此，本申请实施例通过在硅导模探测器高度方向的上部设置氮化硅波导，以使氮化硅波导内传输的光能够耦合至硅导模探测器内，硅导模探测器的电流方向与硅导模探测器的宽度方向相同，进入硅导模探测器的光沿垂直于硅导模探测器内电流方向进入硅导模探测器，硅导模探测器内光的方向与电流的方向垂直，因此，硅导模探测器可以在保证电场分布的前提下通过增加硅导模探测器的长度来增加硅导模探测器对接近1100nm处的近红外光的吸收量，一旦硅导模探测器中产生光生电荷，其就会在电场作用下分离并发生碰撞电离，实现信号放大。该结构解决了高灵敏硅单光子探测器难以片上集成的问题，同时解决了因硅材料对接近1100nm处的近红外光吸收系数小导致的探测效率低的技术问题。
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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一
图1为本申请实施例片上集成硅单光子探测器的结构示意图。
如图1所示，本实施例提供的片上集成硅单光子探测器包括氮化硅波导100和硅导模探测器200。氮化硅波导100用于接收并传输入射光，入射光的波长为300nm-1100nm。可选的，入射光可以为从其他器件(如其他光波导或下述的模斑转换结构400等)处传输来的光，也可以为通过光纤直接入射至氮化硅波导100内的光。硅导模探测器200的长度方向沿氮化硅波导100内的光传输方向设置，硅导模探测器200的宽度方向与硅导模探测器200通电时硅导模探测器200内的电流方向相同，硅导模探测器200与氮化硅波导100间隔设置，且氮化硅波导100位于硅导模探测器200高度方向的上部，硅导模探测器200用于接收氮化硅波导100耦合来的入射光，以及当硅导模探测器200通电时，用于将入射光转换为电信号。也就是说，硅导模探测器200与氮化硅波导100之间具有间隙，在氮化硅波导100内传输的光能够转移到硅导模探测器200内，入射光自硅导模探测器200硅导模探测器的上部入射至硅导模探测器200内，且硅导模探测器200内光传输的的方向与硅导模探测器200的长度方向一致，故硅导模探测器200光入射的方向与硅导模探测器200内电流的方向垂直，硅导模探测器200通过收集入射至硅导模探测器200内的光产生的电信号，进而实现了硅导模探测器200对单光子的探测。值得说明的是，本申请实施例中入射光的波长可以为接近1100nm处的近红外光，如1064nm的近红外光，1064nm的近红外光是卫星-地面量子通信体系中的重要波段。当然，第一传输光的波长还可以为其他波段的近红外光，本实施例提供的片上集成硅单光子探测器能够对300nm-1100nm的近红外光进行探测，并且相较于相关技术中的硅单光子探测器，本实施例提供的片上集成硅单光子探测器能够明显提高对接近1100nm处的近红外光的探测效率。
相关技术中的硅单光子探测器的光的传输方向和电流方向一致，硅单光子探测器由于受限于硅禁带宽度本征限制，接近1100nm处的近红外光(如1064nm的近红外光)在硅材料内的吸收系数小，吸收效率低，因此为了提高硅单光子探测器的光吸收，需要增加本征层的厚度(光传输的方向为自上而下)，但是增加本征层的厚度，会使硅单光子探测器内存在没有电场的中性区，这影响了载流子的收集效率，进而导致了硅探测器的探测效率低。而本实施例提供的片上集成硅单光子探测器将电场方向与光传输的方向解耦(光传输的方向和电流方向垂直)，可以在保证电场分布(即不存在没有电场的中性区)的前提下通过增加硅导模探测器200的长度来增加硅导模探测器200对接近1100nm处的近红外光(如1064nm的近红外光)的吸收量，一旦硅导模探测器200中产生光生电荷，其就会在电场作用下分离并发生碰撞电离，实现信号放大，由此解决了高灵敏硅单光子探测器难以片上集成的问题，同时解决了因硅材料对接近1100nm处的近红外光吸收系数小导致的探测效率低的技术问题。
可以理解的是，本实施例提供的片上集成硅单光子探测器仅为图1中的部分结构，其不包含图1中所示的光栅耦合器300和模斑转换结构400。
实施例二
图1为本申请实施例片上集成硅单光子探测器的结构示意图；图2为本申请实施例片上集成硅单光子探测器在氮化硅波导的入射端后侧任意位置处的光场仿真结果图；图3为本申请实施例片上集成硅单光子探测器的电学仿真结果图。
如图1所示，本实施例提供的片上集成硅单光子探测器与实施例一中提供的片上集成硅单光子探测器的结构基本相同，不同的是：本实施例提供的片上集成硅单光子探测器还包括光栅耦合器300和模斑转换结构400，模斑转换结构400连接于光栅耦合器300和氮化硅波导100之间，也就是说，片上集成硅单光子探测器还包括连接于氮化硅波导100沿其长度方向的一端的模斑转换结构400以及连接于模斑转换结构400远离氮化硅波导100的一端的光栅耦合器300。
模斑转换结构400用于转换光栅耦合器300的模斑尺寸，光栅耦合器300用于接收并传输入射光，入射至光栅耦合器300的入射光经光栅耦合器300和模斑转换结构400的传输后入射至氮化硅波导100。其中，入射至光栅耦合器300的入射光可以为自光纤中传输的光入射至光栅耦合器300中。在氮化硅波导100之前设置模斑转换结构400和光栅耦合器300，是为了提高光纤内传输的光传输至氮化硅波导100内的效率，光纤内传输的光通过光栅耦合器300导入片上集成硅单光子探测器，光栅耦合器300与光纤的耦合效果好，能够提高入射光的入射效率，并且光栅耦合器300能够改变光传播的方向，增加了光纤接入片上集成硅单光子探测器的灵活性。
可选的，模斑转换结构400为楔形模斑转换结构400，且楔形模板转换结构靠近氮化硅波导100的一端的面积小于楔形模板转换结构远离近氮化硅波导100的一端的面积。
在本申请的一些实施例中，硅导模探测器200包括雪崩区210、吸收区220、P型欧姆接触区230、N型欧姆接触区240、P型欧姆接触电极250和N型欧姆接触电极260。其中雪崩区210的材料为硼掺杂的硅，吸收区220的材料为硅，P型欧姆接触区230的材料为硼掺杂的硅，N型欧姆接触区240的材料为磷掺杂的硅，雪崩区210和P型欧姆接触区230的掺杂浓度不同。P型欧姆接触电极250设置于P型欧姆接触区230的上部，N型欧姆接触区240、雪崩区210、吸收区220、P型欧姆接触区230沿硅导模探测器200的宽度方向依次排列。N型欧姆接触电极260设置于N型欧姆接触区240的上部，P型欧姆接触电极250和N型欧姆接触电极260上加有偏压，以使硅导模探测器200内产生电场，且硅导模探测器200内的电流方向与硅导模探测器200的宽度方向相同。
为了增加本申请实施例中片上集成硅单光子探测器的探测效率，氮化硅波导100位于吸收区220的上方，且氮化硅波导100在吸收区220上的正投影位于吸收区220的内部。N型欧姆接触区240、雪崩区210、吸收区220、P型欧姆接触区230沿硅导模探测器200的宽度方向依次排列，硅导模探测器200内的电流方向为由N型欧姆接触区240流向P型欧姆接触区230，吸收区220吸收氮化硅波传输来的光产生电子和空穴，电子向N型欧姆接触区240的一侧移动，空穴向P型欧姆接触区230的一侧移动，电子移动过程中经过雪崩区210，进而触发雪崩，以电子为主触发雪崩的方式一方面能够降低噪音，另一方面，在硅材料中，电子触发雪崩的效率高于空穴触发雪崩的效率，因此，硅导模探测器200通过电子触发雪崩能够显著提高本申请实施例中的片上集成硅单光子探测器的灵敏度。
在本申请的一些实施例中，氮化硅波导100与硅导模探测器200之间设置有支撑层，支撑层的厚度小于60nm，支撑层用于间隔且支撑氮化硅波导100，并且支撑层的厚度不宜过厚，当支撑层的厚度过大时，在氮化硅波导100中传输的光将不能够耦合至硅导模探测器200内。并且为了使支撑层的设置不影响光在氮化硅波导100内的传输，不影响光在硅导模探测器200内的传输，支撑层的折射率小于氮化硅，且支撑层的折射率小于硅。
可选的，支撑层为二氧化硅层。可选的，二氧化硅层的厚度为10nm。
图2所示，本实施例提供的片上集成硅单光子探测器的光场仿真结果显示，硅导模探测器200在氮化硅波导100的入射端后侧任意位置处均具有光，表明在氮化硅波导100内传输的光能够耦合到硅导模探测器200内。其中，氮化硅波导100的入射端为氮化硅波导100靠近模斑转换结构400的一端，在图2中，位于下部的黑框为硅导模探测器200，位于上部的黑框为氮化硅波导100，位于上部的黑框内的黑色区域以及位于下部的黑色区域内为光，位于氮化硅波导100内黑色区域的周边的白色区域为倏逝波。如图3所示，本实施例提供的片上集成硅单光子探测器的电学仿真结果显示，光进入硅导模探测器200后能够放大，其中，图中的1为硅导模探测器200内无入射光的曲线，2为硅导模探测器200内有入射光的曲线，3为硅导模探测器200的增益曲线。
实施例三
图7为本申请实施例片上集成硅单光子探测器制备的状态图四。
本实施例提供了一种实施例一中片上集成硅单光子探测器的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
S100、在硅衬底500上沉积一层第二二氧化硅540层，第二二氧化硅540层的厚度小于60nm，硅衬底500包括依次堆叠设置的第一硅层510、第一二氧化硅层520和第二硅层530，第二二氧化硅540层沉积于第二硅层530的上部。可选的，第二硅层530的厚度为100nm～1000nm，其中，硅衬底500在加工前首先进行清洗。可选的，第二二氧化硅540层的厚度为10nm。
S200、对第二硅层530进行处理，以形成硅导模探测器初始结构。其中，如图7所示，对第二硅层530进行处理的方法为：
S210、沿硅衬底500的长度方向，硅衬底500至少包括第一部分，沿硅衬底500的宽度方向，第一部分至少包括依次排列的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，对第二区域进行掺杂处理，使该区域的第二硅层530内掺入硼，以形成雪崩区210；对第三区域不进行处理，以形成吸收区220。可选的，第二区域通过硼注入或扩散等掺杂工艺掺入硼，使得第二区域的掺杂浓度在1015～1017cm-3。
S220、去胶清洗后，对第一区域进行掺杂处理，使第一区域的第二硅层530内掺入磷，以形成N型欧姆接触区240。可选的，第四区域通过磷注入或扩散等工艺掺入磷，使得第四区域的掺杂浓度在1018～1020cm-3。
S230、去胶清洗后，对第四区域进行掺杂处理，使第四区域的第二硅层530内掺入硼，以形成P型欧姆接触区230。可选的，第一区域通过硼注入或扩散等掺杂工艺掺入硼，使得第一区域的掺杂浓度在1018～1020cm-3。
S300、在第二二氧化硅540层上沉积一层第一氮化硅层。可选的，第一氮化硅层的厚度为220nm。
S400、刻蚀掉部分第一氮化硅层以形成氮化硅波导100，氮化硅波导100的长度方向与硅衬底500的长度方向相同，进入氮化硅波导100内的光沿氮化硅波导100的长度方向传输。
S500、刻蚀掉位于硅导模探测器初始结构上部的部分第二二氧化硅540层，在硅导模探测器初始结构对应刻蚀掉第二二氧化硅层的部分上制备电极结构，以形成硅导模探测器200，硅导模探测器200通电时，电流的方向与硅导模探测器200的宽度方向相同，氮化硅波导100位于硅导模探测器初始结构对应未刻蚀掉第二二氧化硅540层的部分上。在该步骤中，电极结构为P型欧姆接触电极250和N型欧姆接触电极260；刻蚀掉位于N型欧姆接触区240和P型欧姆接触区230上部的第二二氧化硅540层，在P型欧姆接触区230制备P型欧姆接触电极250，在N型欧姆接触区240制备N型欧姆接触电极260。可选的，P型欧姆接触电极250和N型欧姆接触电极260的制备方法为，采用磁控溅射或电子束蒸发法生成一层由金、银、钛或铝中的一种或多种金属组成的合金，厚度在100nm以上，然后进行剥离去除掉多余的金属和光刻胶后分别得到P型欧姆接触电极250和N型欧姆接触电极260。
实施例四
图4为本申请实施例片上集成硅单光子探测器制备的状态图一；图5为本申请实施例片上集成硅单光子探测器制备的状态图二；图6为本申请实施例片上集成硅单光子探测器制备的状态图三；图7为本申请实施例片上集成硅单光子探测器制备的状态图四；图8为本申请实施例片上集成硅单光子探测器制备的状态图五。
本实施例提供了一种实施例二中片上集成硅单光子探测器的制备方法，本实施例提供片上集成硅单光子探测器的制备方法与实施例三中的片上集成硅单光子探测器的制备方法基本相同，不同之处在于：沿硅衬底500的长度方向，硅衬底500包括第一部分和第二部分，沿硅衬底500的宽度方向，将第一部分依次分为第一区段、第二区段和第三区段。
在步骤S100和步骤S200之间，还包括如下步骤：如图4所示，在第二二氧化硅540层上生长一层第二氮化硅层550；如图5所示，刻蚀掉第二部分、第一区段和第三区段处的第二氮化硅层550、第二二氧化硅540层和第二硅层530；如图6所示，在第二部分、第一区段和第三区段上沉积二氧化硅形成第三二氧化硅层560，去除位于第二区段上的第二氮化硅层550。可选的，在第二二氧化硅540层上生长一层第二氮化硅层550的方法为低压力化学气相沉积法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，缩写为LPCVD)，第二氮化硅层550的厚度为100nm，第二氮化硅层550作为化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，缩写为CMP)的停止层。可选的，第三二氧化硅层560的厚度为220nm。
在步骤S200中，如图7所示，对位于第二区段的第二硅层530进行处理，以形成硅导模探测器初始结构。
在步骤S300中，第一氮化硅层沉积于第二二氧化硅540层和第三二氧化硅层560上。
在步骤S400中，如图8所示，刻蚀掉部分第二氮化硅层550以形成氮化硅波导100、楔形模斑转换结构400和光栅耦合器300，楔形模斑转换结构400位于氮化硅波导100和光栅耦合器300之间，入射光能够自光栅耦合器300入射并传输至氮化硅波导100内。
也就是说，在本实施例中，片上集成硅单光子探测器的制备方法包括如下步骤：
1、在硅衬底500上沉积一层第二二氧化硅540层，第二二氧化硅540层的厚度小于60nm，硅衬底500包括依次堆叠设置的第一硅层510、第一二氧化硅层520和第二硅层530，第二二氧化硅540层沉积于第二硅层530的上部。可选的，第二硅层530的厚度为100nm～1000nm，其中，硅衬底500在加工前首先进行清洗。可选的，第二二氧化硅540层的厚度为10nm。
2、沿硅衬底500的长度方向，硅衬底500包括第一部分和第二部分，沿硅衬底500的宽度方向，将第一部分依次分为第一区段、第二区段和第三区段。如图4所示，在第二二氧化硅540层上生长一层第二氮化硅层550。
3、如图5所示，刻蚀掉第二部分、第一区段和第三区段处的第二氮化硅层550、第二二氧化硅540层和第二硅层530；
4、如图6所示，在第二部分、第一区段和第三区段上沉积二氧化硅形成第三二氧化硅层560，去除位于第二区段上的第二氮化硅层550。可选的，在第二二氧化硅540层上生长一层第二氮化硅层550的方法为低压力化学气相沉积法(Low Pressure Chemical VaporDeposition，缩写为LPCVD)，第二氮化硅层550的厚度为100nm，第二氮化硅层550作为化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，缩写为CMP)的停止层。可选的，第三二氧化硅层560的厚度为220nm。
5、对位于第二区段的第二硅层530进行处理，以形成硅导模探测器初始结构。其中，如图7所示，对第二硅层530进行处理的方法为：
5.1、沿硅衬底500的长度方向，沿硅衬底500的宽度方向，第二区段包括依次排列的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域，对第二区域进行掺杂处理，使该区域的第二硅层530内掺入硼，以形成雪崩区210；对第三区域不进行处理，以形成吸收区220。可选的，第二区域通过硼注入或扩散等掺杂工艺掺入硼，使得第二区域的掺杂浓度在1015～1017cm-3。
5.2、去胶清洗后，对第一区域进行掺杂处理，使第一区域的第二硅层530内掺入磷，以形成N型欧姆接触区240。可选的，第四区域通过磷注入或扩散等工艺掺入磷，使得第四区域的掺杂浓度在1018～1020cm-3。
5.3、去胶清洗后，对第四区域进行掺杂处理，使第四区域的第二硅层530内掺入硼，以形成P型欧姆接触区230。可选的，第一区域通过硼注入或扩散等掺杂工艺掺入硼，使得第一区域的掺杂浓度在1018～1020cm-3。
6、在第二二氧化硅540层和第三二氧化硅层560上沉积一层第一氮化硅层。可选的，第一氮化硅层的厚度为220nm。
7、如图8所示，刻蚀掉位于吸收区220以外的第一氮化硅层以形成氮化硅波导100，氮化硅波导100的长度方向与硅衬底500的长度方向相同，进入氮化硅波导100内的光沿氮化硅波导100的长度方向传输，对应刻蚀掉位于第二部分的部分第二氮化硅层550以形成楔形模斑转换结构400和光栅耦合器300，楔形模斑转换结构400位于氮化硅波导100和光栅耦合器300之间，入射光能够自光栅耦合器300入射并传输至氮化硅波导100内。
8、刻蚀掉位于N型欧姆接触区240和P型欧姆接触区230上部的第二二氧化硅540层，在P型欧姆接触区230制备P型欧姆接触电极250，在N型欧姆接触区240制备N型欧姆接触电极260。可选的，P型欧姆接触电极250和N型欧姆接触电极260的制备方法为，采用磁控溅射或电子束蒸发法生成一层由金、银、钛或铝中的一种或多种金属组成的合金，厚度在100nm以上，然后进行剥离去除掉多余的金属和光刻胶后分别得到P型欧姆接触电极250和N型欧姆接触电极260。
本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种片上集成硅单光子探测器，其特征在于，包括：
氮化硅波导，所述氮化硅波导用于接收并传输入射光，所述入射光的波长为300nm-1100nm；
硅导模探测器，所述硅导模探测器的长度方向与所述氮化硅波导内的光传输方向一致，所述硅导模探测器的宽度方向与所述硅导模探测器通电时所述硅导模探测器内的电流方向一致；所述硅导模探测器与所述氮化硅波导间隔设置，且所述氮化硅波导位于所述硅导模探测器高度方向的上部，所述硅导模探测器用于接收所述氮化硅波导耦合来的入射光，以及当所述硅导模探测器通电时，用于将所述入射光转换为电信号。
2.根据权利要求1所述的片上集成硅单光子探测器，其特征在于，还包括光栅耦合器和模斑转换结构，所述模斑转换结构连接于所述光栅耦合器和所述氮化硅波导之间，所述模斑转换结构用于转换所述光栅耦合器的模斑尺寸，所述光栅耦合器用于接收并传输入射光；
入射至所述光栅耦合器的入射光经所述光栅耦合器和所述模斑转换结构的传输后入射至所述氮化硅波导。
3.根据权利要求1所述的片上集成硅单光子探测器，其特征在于，所述硅导模探测器包括雪崩区、吸收区、P型欧姆接触区、N型欧姆接触区、P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极；
所述P型欧姆接触电极设置于所述P型欧姆接触区的上部，所述N型欧姆接触电极设置于所述N型欧姆接触区的上部；
所述N型欧姆接触区、所述雪崩区、所述吸收区、所述P型欧姆接触区沿所述硅导模探测器的宽度方向依次排列。
4.根据权利要求3所述的片上集成硅单光子探测器，其特征在于，所述氮化硅波导位于所述吸收区的上方，且所述氮化硅波导在所述吸收区上的正投影位于所述吸收区的内部。
5.根据权利要求1所述的片上集成硅单光子探测器，其特征在于，所述硅导模探测器与所述氮化硅波导之间设置有支撑层，所述支撑层的厚度小于60nm；
所述支撑层的折射率小于氮化硅，且所述支撑层的折射率小于硅。
6.根据权利要求5所述的片上集成硅单光子探测器，其特征在于，所述支撑层为二氧化硅层。
7.一种片上集成硅单光子探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在硅衬底上沉积一层第二二氧化硅层，所述第二二氧化硅层的厚度小于60nm，所述硅衬底包括依次堆叠设置的第一硅层、第一二氧化硅层和第二硅层，所述第二二氧化硅层沉积于所述第二硅层的上部；
对所述第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构；
在第二二氧化硅层上沉积一层第一氮化硅层；
刻蚀掉部分第一氮化硅层以形成氮化硅波导，所述氮化硅波导的长度方向与所述硅衬底的长度方向相同，进入所述氮化硅波导内的光沿所述氮化硅波导的长度方向传输；
刻蚀掉位于所述硅导模探测器初始结构上部的部分第二二氧化硅层，在刻蚀掉部分第二二氧化硅层的硅导模探测器初始结构上制备电极结构，以形成硅导模探测器，所述硅导模探测器通电时，电流的方向与所述硅导模探测器的宽度方向相同，所述氮化硅波导位于所述硅导模探测器初始结构对应未刻蚀掉第二二氧化硅层的部分上。
8.根据权利要求7所述的片上集成硅单光子探测器的制备方法，其特征在于，对所述第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构的方法为：
沿所述硅衬底的长度方向，所述硅衬底至少包括第一部分，沿硅衬底的宽度方向，所述第一部分至少包括依次排列的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；
对所述第二区域进行掺杂处理，使该区域的第二硅层内掺入硼，以形成雪崩区；
对所述第三区域不进行处理，以形成吸收区；
对所述第一区域进行掺杂处理，使所述第一区域的第二硅层内掺入磷，以形成N型欧姆接触区；
对所述第四区域进行掺杂处理，使所述第四区域的第二硅层内掺入硼，以形成P型欧姆接触区。
9.根据权利要求7所述的片上集成硅单光子探测器的制备方法，其特征在于，在步骤刻蚀掉位于所述硅导模探测器初始结构上部的部分第二二氧化硅层，在刻蚀掉部分第二二氧化硅层的硅导模探测器初始结构上制备电极结构，所述电极结构为P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极；
在该步骤中，刻蚀掉位于所述N型欧姆接触区和所述P型欧姆接触区上部的第二二氧化硅层，在P型欧姆接触区制备P型欧姆接触电极，在N型欧姆接触区制备N型欧姆接触电极。
10.根据权利要求7所述的片上集成硅单光子探测器的制备方法，其特征在于，沿所述硅衬底的长度方向，所述硅衬底包括第一部分和第二部分，沿硅衬底的宽度方向，将所述第一部分依次分为第一区段、第二区段和第三区段；
在步骤在硅衬底上沉积一层第二二氧化硅层和步骤对所述第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构之间，还包括在所述第二二氧化硅层上生长一层第二氮化硅层；刻蚀掉所述第二部分、所述第一区段和所述第三区段处的第二氮化硅层、第二二氧化硅层和第二硅层；在所述第二部分、所述第一区段和所述第三区段上沉积二氧化硅形成第三二氧化硅层；去除位于第二区段上的第二氮化硅层；
在步骤对所述第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构中，对位于第二区段的第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构；
在步骤在第二二氧化硅层上沉积一层第一氮化硅层中，所述第一氮化硅层沉积于所述第二二氧化硅层和第三二氧化硅层上；
在步骤刻蚀掉部分第一氮化硅层以形成氮化硅波导中，刻蚀掉部分第二氮化硅层以形成氮化硅波导、楔形模斑转换结构和光栅耦合器，所述楔形模斑转换结构位于所述氮化硅波导和所述光栅耦合器之间，入射光能够自所述光栅耦合器入射并传输至氮化硅波导内。
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