CN117690986B - 高温工作单光子探测器、单光子焦平面探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温工作单光子探测器、单光子焦平面探测器及制备方法，是能够探测单个光子的光电传感器，包括：衬底；外延层结构，包括依次叠设于衬底上的吸收层、递变层、场控制层和倍增层；递变层用于消除吸收层与场控制层之间的能带陡变；倍增层中部为凹形结构，凹形结构的中心倍增区厚度小于非中心倍增区厚度，形成中心位置电场大于边缘位置电场的阶梯形电场且中心电场到边缘电场连续；通过调节场控制层的面电荷密度和倍增区的厚度降低吸收层和倍增区的电场、场致辅助隧穿和带间隧穿的电流。该探测器实现了高温工作和高计数率下的高效探测，体积小，成本低；高温使倍增区里被俘获的陷阱载流子快速脱陷，死时间短，后脉冲小。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测及激光测距技术领域，尤其涉及一种高温工作单光子探测器、单光子焦平面探测器及制备方法，高温工作单光子探测器及高温单光子焦平面探测器是一种能够探测单个光子的光电传感器，可以应用于光学测距、光通信、荧光检测等光学元件。
背景技术
近红外（900nm-1700nm）雪崩二极管单光子探测器是目前量子保密通信、激光雷达、激光测距应用中的关键器件，利用雪崩倍增放大，可以进行微弱信号，甚至一个光子的检测。例如，在激光测距中，通过检测激光打到目标上的反射信号，可以准确测试激光发射和返回的时间，从而实时地检测目标的距离。由于单光子探测器的检测灵敏度达到了光电探测的极限（一个光子的检测），用于激光测距时能够使用更小功率的激光器进行更远距离的检测。
常规近红外雪崩二极管单光子探测器需要在低温下（-30℃左右）工作，为此需要采用半导体制冷器进行制冷和控温，同时还需要在半导体制冷器的热端进行风冷或水冷，才能实现预期的工作温度，这带来器件体积大、成本增加、不便于集成和携带等问题。工作在低温的单光子探测器还存在死时间长的问题，制约了器件的最大计数率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种高温工作单光子探测器、单光子焦平面探测器及制备方法，高温工作单光子探测器和单光子焦平面探测器是一种在室温或近室温下即能够探测单个光子的光电传感器，用于解决现有单光子探测器存在的体积大、成本增加，不便于集成，也不方便携带工作，死时间长，制约了器件的最大计数率等技术问题。
本发明实施例的第一方面提供一种高温工作单光子探测器，包括：衬底；外延层结构，包括依次叠设于衬底上的吸收层、递变层、场控制层和倍增层；递变层用于消除吸收层与场控制层之间的能带陡变；倍增层的中部为凹形结构，凹形结构的中心倍增区厚度小于非中心倍增区厚度，以形成中心位置电场大于边缘位置电场的阶梯形电场且中心位置电场到边缘位置电场连续；场控制层和倍增区被配置为通过调节场控制层的面电荷密度和倍增区的厚度来降低吸收层的电场、倍增层的电场、场致辅助隧穿电流和带间隧穿电流。
根据本发明的实施例，外延层结构包括空穴倍增型InP/InGaAsP结构；其中，吸收层的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP材料，场控制层的材料包括n型InP，倍增层的材料包括不掺杂的InP；场控制层的面电荷密度为2.0×1012 cm-2~3.5×1012 cm-2，倍增区的厚度为0.8 um ~2.5 um。或者：外延层结构包括空穴倍增型InP/InGaAsP结构；其中，吸收层的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP与n型轻掺杂的InGaAs材料或n型轻掺杂的InGaAsP材料的组合，场控制层的材料包括n型InP，倍增层的材料包括不掺杂的InP；场控制层的面电荷密度为2.0×1012 cm-2~3.5×1012 cm-2，倍增区的厚度为0.8 um ~2.5 um；或者，外延层结构包括电子倍增型InAlAs/InGaAsP结构；其中，吸收层的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP，场控制层的材料包括p型InAlAs，倍增层的材料包括不掺杂的InAlAs；或者，外延层结构包括电子倍增型InAlAs/InGaAsP结构；其中，吸收层的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP与p型轻掺杂的InGaAs材料或p型轻掺杂的InGaAsP材料的组合，场控制层的材料包括p型InAlAs，倍增层的材料包括本征掺杂的InAlAs。
根据本发明的实施例，通过调节场控制层的面电荷密度和倍增区的厚度，结合凹形器件结构和工艺制备，使高温工作单光子探测器的工作温度范围为-10~22℃。
根据本发明的实施例，外延层结构的工作波段包括1550 nm或1310 nm或1064 nm。
根据本发明的实施例，凹形结构为对倍增层的中部进行一次刻蚀和一次扩散形成的阶梯状扩散。
根据本发明的实施例，递变层的材料包括N型InGaAsP。
本发明实施例的第二方面提供一种高温工作单光子焦平面探测器，包括：读出电路；单光子探测器阵列，包括阵列排布的单光子探测器，阵列排布的单光子探测器与读出电路电学互联，单光子探测器为上述阐述的高温工作单光子探测器；微透镜，形成于单光子探测器阵列上，用于将入射光聚焦到单光子探测器阵列的像素上。
根据本发明的实施例，微透镜的材料包括InP基底材料或GaP材料。
本发明实施例的第三方面提供一种高温工作单光子探测器的制备方法，包括：在衬底上依次生长吸收层、递变层、场控制层和倍增层；对倍增层的中部进行凹形结构的图形化并进行一次刻蚀，制备凹形结构；在凹形结构处进行扩散区域的图形化并进行一次扩散掺杂，形成阶梯性扩散；其中，凹形结构处形成中心位置电场大于边缘位置电场的阶梯形电场且中心位置电场到边缘位置电场连续；倍增层不掺杂的中心高电场区构成倍增区；在倍增层的扩散区和衬底上分别制备P电极和N电极。
本发明实施例的第四方面提供一种高温工作单光子焦平面探测器的制备方法，包括：采用上述制备方法制备单光子探测器阵列，对阵列中的像素之间进行物理隔离；在阵列排布的单光子探测器上制备微透镜，其中，微透镜用于将入射光聚焦到单光子探测器阵列的像素上；将单光子探测器阵列与读出电路进行电学连接。
根据本发明的实施例，通过铟柱倒装互连或铜铜互连的方式将所述单光子探测器阵列与所述读出电路进行电学连接。
根据本发明实施例提供的高温工作单光子探测器、单光子焦平面探测器及制备方法，至少能够实现以下技术效果：
由于将单光子探测器外延层结构的倍增层中部加工为凹形结构，凹形结构的中心倍增区厚度小于非中心倍增区厚度，以形成中心位置电场大于边缘位置电场的阶梯形电场，中心位置电场到边缘位置电场连续，能够在没有保护环的情况下形成了均匀的雪崩电场，同时，通过控制场控制层的面电荷密度和倍增区的厚度来降低吸收层的电场、倍增区的电场、场致辅助隧穿电流和带间隧穿电流，能够极大地降低单光子探测器的暗计数，因此，基于这种设计，一方面，能够实现高温工作（可达到22℃）的单光子探测器以及高计数率下的高探测效率，另一方面，能够去除深度制冷以及相关的封装工艺，大大简化了工艺，减小了体积、降低了成本。此外，由于单光子探测器工作温度高，倍增区里被俘获的陷阱载流子快速脱陷，死时间短，后脉冲小，计数率高。
进一步地，由于采用凹形器件结构，因此，能够通过一次刻蚀和一次性扩散的工艺制备方法获得均匀的雪崩电场，确保获得雪崩幅值及时间分布均匀的雪崩信号，能够实现高探测效率和高计数率。相比传统技术中通过电荷层刻蚀，再进行二次外延的方法，大大降低了对材料表面质量的苛刻要求和二次外延工艺难度，提高了外延质量，简化了工艺，降低了成本。相比传统技术中采用两次扩散的方法，降低了对扩散工艺要求的复杂度和控制难度，提高了扩散的精度控制。
进一步地，通过合理设计外延层结构的材料、场控制层的面电荷密度和倍增区的厚度，能够实现不同倍增型（空穴倍增型、电子倍增型等）外延层结构，从而实现不同倍增型的单光子探测器，扩宽了单光子探测器的适用场景。
进一步地，单光子焦平面探测器的微透镜材料采用InP基底材料或GaP材料，能够更好地将大面积入射光聚焦到小光敏面上，从而提高了占空比，进而提高了探测效率。
此外，将高温工作单光子探测器应用于光学测距、光通信、荧光检测等光学元件中时，由于单光子探测器探测效率高且能够工作在高温环境下，因此可以去除由于深制冷（-30到-40℃）需要外部的风冷或水冷设备，减小了系统的体积，极大地提高光学测距、光通信、荧光检测使用的便捷性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本发明实施例的高温工作单光子探测器的剖面结构图。
图2示意性示出了根据本发明实施例的高温工作单光子探测器的制备方法流程图。
图3A-图3N示意性示出了根据本发明实施例的高温工作单光子探测器的制备方法流程中各操作对应的结构图。
图4示意性示出了根据本发明实施例的高温工作单光子焦平面探测器的剖面结构图。图5示意性示出了根据本发明实施例的高温工作单光子焦平面探测器的制备方法流程图。
图6示意性示出了根据本发明实施例的高温工作单光子探测器阵列的剖面结构图。
图7给出了根据本发明实施例制备的InP/InGaAs单光子探测器测试得到的暗电流与电压的变化曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本发明中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本发明的限制。
类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在实现本发明构思的过程中，申请人发现：单光子探测器或单光子焦平面探测器的暗计数主要来源于吸收区和倍增区载流子的热激发、缺陷辅助隧穿和带间隧穿，由于吸收区的禁带宽度（带隙）比倍增区的带隙窄，因此对暗计数的抑制首先是吸收区的暗计数，这需要降低吸收区的电场，以降低对应的场致缺陷辅助隧穿和带间隧穿。吸收区的电场只需确保载流子具有一定的漂移运动。这对应着增加电荷层的面电荷浓度，以降低吸收区电场，提高倍增区的电场，提高雪崩概率。另外为了避免倍增区内的带间隧穿，通过增加倍增区的厚度来降低雪崩电场，抑制与电场相关的场致缺陷辅助隧穿和带间隧穿，因而在室温或近室温能够得到较低的暗计数。
另外，在抑制暗计数的同时，为了获得高的探测效率，需要保持雪崩电场的均匀性，具体体现为雪崩载流子产生的雪崩幅值和雪崩时间分布的一致性，这样可确保高计数率、高探测效率的雪崩探测。
此外，工作在室温或接近室温的单光子探测器，还能实现较低的后脉冲概率。这是由于工作温度高时，被材料中的缺陷（或陷阱）俘获的雪崩载流子能够快速释放，具有较短的死时间，从而大大提高单光子探测器的计数率，这也是单光子探测器的一个重要发展方向和目标。室温工作的单光子探测器能显著降低死时间到百ps，还能保持低的后脉冲概率。并且，若单光子探测器不需要半导体制冷器即能工作，将大大减小封装体积，除了去除半导体制冷器以及测温二极管本身（这占了封装成本的一半），还去除了风冷或水冷设备。另外，大大简化了封装工艺，不再需要进行对半导体制冷器的焊接和封装，成品率和可靠性显著提高。
本发明的实施例通过对材料结构的优化，器件结构优化和工艺实施，一方面通过控制倍增区和吸收区的电场大小，抑制来自吸收区的暗计数；另一方面通过凹形器件结构和一次性扩散，实现中心区非常均匀的雪崩电场，实现高探测效率、低暗计数率的高温工作单光子探测器和单光子焦平面探测器。需要说明的是，本公开实施例中所指的高温可以理解为室温或近室温，室温或近室温相对于深制冷温度（-30到-40℃）可称之为高温。下面结合附图进行详细介绍。
图1示意性示出了根据本发明实施例的高温工作单光子探测器的剖面结构图。
如图1所示，该高温工作单光子探测器包括衬底1以及形成于衬底1上的外延层结构2。
外延层结构2包括依次叠设于衬底1上的吸收层21、递变层22、场控制层23和倍增层24。
递变层22用于消除吸收层与场控制层之间的能带陡变。
倍增层24的中部为凹形结构C。凹形结构C的中心倍增区厚度小于非中心倍增区厚度，以形成中心位置电场大于边缘位置电场的阶梯形电场且中心位置电场到边缘位置电场连续（高低电场过渡光滑），形成非常均匀的雪崩电场。其中，凹形结构C为对倍增层24的中部进行一次刻蚀和一次扩散形成的阶梯状扩散，对应于图1中的K区域，通过控制K区域阶梯状扩散的扩散深度来调整高场倍增区（对应于图1中的I区域）厚度和电场。
场控制层23和倍增区被配置为通过调节场控制层的面电荷密度和倍增区I的厚度来降低吸收层的电场、倍增区的电场、场致辅助隧穿和带间隧穿电流。也即，通过独特的外延层结构设计，即高场控制浓度和厚倍增层厚度，实现低吸收区电场和合适的雪崩电场。
在本发明一实施例中，外延层结构2包括空穴倍增型InP/InGaAsP结构，可以工作在1550nm波段、1310nm波段、1064nm波段。具体的，吸收层21的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP材料。场控制层23的材料包括n型InP（n-InP），倍增层24的材料包括不掺杂的InP（u-InP），对应于图1中的I区域；通过局部扩散形成一定厚度的p型InP（p-InP），对应于图1中的K区域，K区域为阶梯性扩散，也即K区域中间位置的扩散深度深，向两侧扩散深度逐渐减小。倍增层24中I区域不掺杂的InP区构成一个高电场的倍增区。场控制层23的面电荷密度可以为2.0×1012 cm-2~3.5×1012 cm-2，倍增区的厚度可以为0.8 um ~2.5 um，两者结合对降低吸收层的电场、倍增层的电场、场致辅助隧穿电流和带间隧穿电流具有显著的效果。
在本发明一实施例中，外延层结构2包括空穴倍增型InP/InGaAsP结构，可以工作在1550nm波段、1310nm波段、1064nm波段。具体的，吸收层21的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP与n型轻掺杂的InGaAs材料或n型轻掺杂的InGaAsP材料的组合，基于不掺杂的InGaAs或InGaAsP材料，并组合适当掺杂的InGaAs或InGaAsP材料，能够提高吸收区电场和漂移速度。场控制层23的材料包括n型InP（n-InP），倍增层24的材料包括不掺杂的InP（u-InP），对应于图1中I区域；通过局部扩散形成一定厚度的p型InP（p-InP），对应于图1中K区域，K区域为阶梯性扩散，也即K区域中间位置的扩散深度深，向两侧扩散深度逐渐减小。倍增层24中I区域不掺杂的InP区构成一个高电场的倍增区。场控制层23的面电荷密度可以为2.0×1012 cm-2~3.5×1012 cm-2，倍增区的厚度可以为0.8 um ~2.5 um，两者结合对降低吸收层的电场、倍增层的电场、场致辅助隧穿电流和带间隧穿电流具有显著的效果。
在本发明一实施例中，外延层结构2包括电子倍增型InAlAs/InGaAsP结构，可以工作在1550nm波段、1310nm波段、1064nm波段。其中，吸收层21的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP，场控制层23的材料包括p型InAlAs（p-InAlAs），倍增层24的材料包括不掺杂的InAlAs（u-InAlAs），对应于图1中I区域；通过局部扩散形成一定厚度的n型InAlAs（n-InAlAs），对应于图1中K区域，K区域为阶梯性扩散，也即K区域中间位置的扩散深度深，向两侧扩散深度逐渐减小。倍增层24中I区域不掺杂的InAlAs区构成一个高电场的倍增区。
在本发明一实施例中，外延层结构2包括电子倍增型InAlAs/InGaAsP结构，可以工作在1550nm波段、1310nm波段、1064nm波段。其中，吸收层21的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP与p型轻掺杂的InGaAs材料或p型轻掺杂的InGaAsP材料的组合。场控制层23的材料包括p型InAlAs（p-InAlAs），倍增层24的材料包括不掺杂的InAlAs（u-InAlAs），对应于图1中I区域；通过局部扩散形成一定厚度的n型InAlAs（n- InAlAs），对应于图1中K区域，K区域为阶梯性扩散，也即K区域中间位置的扩散深度深，向两侧扩散深度逐渐减小。倍增层24中I区域不掺杂的InAlAs区构成一个高电场的倍增区。
进一步地，可以通过调节场控制层23的厚度和掺杂浓度来调节场控制层的面电荷密度。
根据本发明的实施例，通过调节场控制层的面电荷密度和凹形结构中心所在位置的倍增区的厚度使高温工作单光子探测器及单光子焦平面探测器的最高的工作温度可以达到22℃，工作温度范围可以为0℃~22℃。
需要说明的是，本公开是通过对芯片本身的结构（外延层结构）以及制备方法来实现单光子探测器和单光子焦平面探测器的高温工作，不需要借助复杂的外部电路，相比于现有的单光子探测器和单光子焦平面探测器，以小体积、低成本实现了高温条件下、高计数率下的高探测效率。
在本发明一实施例中，吸收层21的材料可以为本征掺杂的InGaAs或InGaAsP材料，厚度可以为1.2 μm~2.5 μm，递变层22的材料可以为n-InGaAsP。
基于同一发明构思，本发明的实施例还提供一种高温工作单光子探测器的制备方法，图2示意性示出了根据本发明实施例的高温工作单光子探测器的制备方法流程图。
如图2所示，高温工作单光子探测器的制备方法例如可以包括操作S201~操作S204。
操作S201，在衬底上依次生长吸收层、递变层、场控制层和倍增层。
操作S202，对倍增层的中部进行图形化并进行一次刻蚀，制备凹形结构。
操作S203，在凹形结构处进行扩散区域的图形化并进行一次扩散掺杂，形成阶梯性扩散。
操作S204，在倍增层的扩散区和衬底上分别制备P电极和N电极。
根据本公开的实施例，凹形结构的中心倍增区厚度小于非中心倍增区厚度，以形成中心位置电场大于边缘位置电场的阶梯形电场且中心位置电场到边缘位置电场连续，中心高电场区构成了倍增区。
倍增区的电场大小通过调节场控制层的面电荷密度和倍增区的厚度来调控，同时降低吸收层的电场、倍增区的电场、场致辅助隧穿电流和带间隧穿电流。
下面以一个具体的示例对图2所示的制备方法进行说明，应当理解，该示例只是为了清楚地阐述本发明实施例提供的制备方法，并不用于限制本发明。
下面以空穴倍增型的高温工作单光子探测器的制备方法为例进行说明。
图3A-图3N示意性示出了根据本发明实施例的高温工作单光子探测器的制备方法流程中各操作对应的结构图。制备方法具体可以包括：
a. 从衬底开始，由下到上，采用金属有机化合物化学气相沉积设备完成以上外延层结构的生长。制备得到的结构如图3A所示。
b. 在外延层结构的InP倍增层上采用等离子体增强化学气相沉积法（PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）进行第一次氮化硅硬掩膜的生长，生长厚度可以为100 nm ~200 nm。制备得到的结构如图3B所示，斜线框表示第一次氮化硅硬掩膜。
c. 用常规接触式曝光的光刻工艺，完成第一次光刻，即InP倍增层中心区的图形化，并完成图形中开孔区域的氮化硅刻蚀（湿法或干法刻蚀），开孔直径10 um ~200 um。制备得到的结构如图3C所示，黑色框表示图形化后的结果。
d. 在室温下，对InP倍增层进行刻蚀。刻蚀方式可以是干法刻蚀，也可以是湿法刻蚀。制备得到的结构如图3D所示。
e. 进行第二次氮化硅硬掩膜的生长，制备得到的结构如图3E所示。进行第二次光刻，实现扩散区的图形化，并完成图形中开孔区域的氮化硅刻蚀，开孔直径比中心区直径大10 um~50 um。制备得到的结构如图3F所示。
f. 基于扩散区的图形化进行一次P型扩散掺杂，形成阶梯状P型扩散。扩散的方法可以通过常规闭管扩散，也可以通过金属有机化合物化学气相沉积设备，进行选择性区域的扩散。常规闭管扩散可以保持扩散时温场的稳定性。扩散的温度例如可以是500℃。制备得到的结构如图3G所示。
g. 在扩散后的样品表面进行第三次氮化硅硬掩膜的生长，制备得到的结构如图3H所示。进行第三次光刻，在P型扩散区实现P型环状欧姆接触电极的图形化，并完成图形中开孔区域的氮化硅刻蚀。制备得到的结构如图3I所示。P型环状电极的材料可以为Au-Zn-Au，可以采用电子束沉积和剥离的方法完成。
h. 对P型环状电极进行退火，可以在氮气气氛中，温度380℃~430℃范围内，退火30 s-40 s。制备得到的结构如图3J所示，图中“P”表示P型环状电极。
i. 进行第四次氮化硅硬掩膜的生长，制备得到的结构如图3K所示。进行第四次光刻，实现P型焊接电极的图形化，并完成图形中开孔区域的氮化硅刻蚀。制备得到的结构如图3L所示。P型焊接电极的材料可以为Ti/Au，可以采用电子束沉积和剥离的方法完成，制备得到的结构如图3M所示，图中“PL”表示P型焊接电极。
j. 对衬底减薄、抛光处理，在衬底上采用电子束沉积完成N型电极的金属生长和剥离工艺，N型电极的材料可以为Ti/Pt/Au。
k. 对N型电极进行退火，可以在氮气气氛中，温度380℃~430℃范围内，退火30 s-40 s，最终得到空穴型倍增的1550 nm 的InP/InGaAs， 1310 nm、1064 nm 的InP/InGaAsP高温工作单光子探测器。制备得到的结构如图3N所示，衬底1下方的方框N表示N型电极，可以覆盖衬底1的整个背面（正入射），或者采用背入射的方式，则N型电极覆盖部分衬底。需要说明的是，采用上述类似的方法可以制备空穴型倍增的1550 nm 的InP/InGaAsP，1310 nm、1064 nm的InP/InGaAsP高温工作单光子探测器。
需要说明的是，电子倍增型的高温工作单光子探测器的制备方法与空穴倍增型的高温工作单光子探测器的制备方法类型，不同之处仅在于掺杂的类型及电极所采用的材料不同，此处不再赘述。制备方法实施例部分未尽细节之处请参见探测器实施例部分，此处不再赘述。
图4示意性示出了根据本发明实施例的高温工作单光子焦平面探测器的剖面结构图。
如图4所示，高温工作单光子焦平面探测器可以包括读出电路3、单光子探测器阵列4以及微透镜5。
单光子探测器阵列4包括阵列排布的单光子探测器，像素之间进行了物理隔离，该单光子探测器为图1所示的高温工作单光子探测器。阵列排布的单光子探测器与读出电路3电学互联，例如可以通过铟柱6将读出电路3与单光子探测器阵列4进行电学互联，还可以采用铜铜互连的方式将读出电路3与单光子探测器阵列4进行电学互联。
微透镜5形成于单光子探测器阵列4的衬底上，用于将入射光聚焦到单光子探测器阵列4的像素上。
在本发明的实施例中，微透镜5的材料包括InP基底材料或GaP材料。基于这种材料设计的微透镜，能够更好地将大面积入射光聚焦到小光敏面上，从而提高了占空比，进而提高了探测效率。
基于同一发明构思，本发明的实施例还提供一种高温工作单光子焦平面探测器的制备方法，图5示意性示出了根据本发明实施例的高温工作单光子焦平面探测器的制备方法流程图。
如图5所示，高温工作单光子焦平面探测器制备方法例如可以包括操作S501~操作S502。
操作S501，制备高温工作单光子探测器阵列，对阵列中的像素之间进行物理隔离。
操作S502，在阵列排布的单光子探测器上制备微透镜。
操作S503，将单光子探测器阵列与读出电路进行电学连接。
根据本发明的实施例，制备单光子探测器阵列中各个单光子探测器的流程如图2所示。
下面以一个具体的示例对该制备方法进行说明，应当理解，该示例只是为了清楚地阐述本发明实施例提供的制备方法，并不用于限制本发明。
下面以空穴型倍增的高温工作单光子焦平面探测器的制备方法为例进行说明，与制备高温工作单光子探测器的制备方法不同之处在于：高温工作单光子焦平面探测器制备的是高温工作单光子探测器阵列，不是单个高温工作单光子探测器，需要实现阵列像素间的深槽隔离，但高温工作单光子探测器阵列中每一个高温工作单光子探测器的制备方法与前述相同，可参见图3A-图3N，下面不再给出重复视图，只给出深槽隔离后的视图。
具体可以包括：
a. 从衬底开始，由下到上，采用金属有机化合物化学气相沉积设备完成以上外延层结构的生长。
b. 在InP倍增层上采用等离子体增强化学气相沉积法（Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD）进行第一次氮化硅硬掩膜的生长，生长厚度可以为100 nm ~200 nm。
c. 用常规接触式曝光的光刻工艺，完成第一次光刻，即InP倍增层中心区的图形化，包括氮化硅的刻蚀开窗，开孔直径10 um ~20 um。
d. 在室温下，对InP倍增层进行刻蚀，刻蚀方式可以是干法刻蚀，也可以是湿法刻蚀。
e. 进行第二次氮化硅硬掩膜的生长，完成第二次光刻，进行扩散区的图形化，包括氮化硅的刻蚀开窗，开孔直径比中心区直径大10 um~20 um。
f. 基于扩散区的图形化进行一次P型扩散掺杂，形成阶梯状P型扩散。扩散的方法可以通过常规闭管扩散，也可以通过金属有机化合物化学气相沉积设备，进行选择性区域的扩散。常规闭管扩散可以保持扩散时温场的稳定性。扩散的温度例如可以是500℃。
g. 在扩散后的样品表面进行第三次氮化硅硬掩膜的生长，完成第三次光刻，在P型扩散区上实现P型欧姆接触电极的图形化，以及氮化硅的刻蚀开窗。P型电极的材料可以为Au-Zn-Au，可以采用电子束沉积和剥离的方法完成。
h. 对P型电极进行退火，可以在氮气气氛中，温度380℃~430℃范围内，退火30 s-40 s。
i. 进行第四次氮化硅硬掩膜的生长，完成第四次光刻，以及氮化硅的刻蚀开窗，实现阵列像素间的深槽隔离的图形化，像素隔离可以通过湿法腐蚀或干法刻蚀的方法完成。深槽刻蚀之后生长氮化硅绝缘层材料对台面进行钝化保护。
j. 对衬底减薄、抛光处理。
k.采用双面曝光工艺，完成第五次N型金属图形化的光刻。之后采用电子束沉积完成N型电极的金属生长和剥离工艺，N型电极的材料可以为 Ti/Pt/Au。
l. 对N型电极进行退火，可以在氮气气氛中，温度380℃~430℃范围内，退火30 s-40 s。
m. 采用双面曝光工艺，完成制备微透镜的第六次光刻。采用InP衬底进行微透镜的制备，最终得到空穴型倍增的1550 nm 的InP/InGaAs， 1310 nm、1064 nm 的InP/InGaAsP高温工作单光子探测器阵列。制备得到的结构图如图6所示。
n．在读出电路上生长铟柱，通过铟柱将读出电路板与高温工作单光子探测器阵列倒装互联，得到高温工作单光子焦平面探测器。
需要说明的是，电子倍增型的高温工作单光子焦平面探测器的制备方法与空穴倍增型的高温工作单光子焦平面探测器的制备方法类型，不同之处仅在于掺杂的类型及电极所采用的材料不同，此处不再赘述。制备方法实施例部分未尽细节之处请参见探测器实施例部分。
为了进一步验证本发明实施例提供的高温工作单光子探测器和高温单光子焦平面探测器的优势，下面列举一下测试数据予以支撑。
图7给出了根据本发明实施例制备的高温工作单光子探测器的暗电流与电压的变化曲线图。
如图7所示，在电压从40V变化到81.5V的过程中，暗电流一直都保持在很低的水平，并且暗电流的变化平稳，这表明本发明实施例通过调节场控制层的面电荷密度和倍增区的厚度来降低吸收层的电场、倍增区的电场、场致辅助隧穿电流和带间隧穿电流的方式获得了性能优异的单光子探测器。
进一步地，表1示出了本发明实施提供的工作在22℃和2.5℃的单光子探测器的探测效率、暗计数率及后脉冲概率，具体如下：
表1
| 工作温度 | 探测效率（%） | 暗计数率 (kHz) | 后脉冲概率 (%) |
| 22℃ | 25% | <20 | <1% |
| 2.5℃ | 25% | <3 | <5% |
从表1可以看出，单光子探测器在室温22℃下实现了较低的后脉冲概率，当工作在2.5℃时探测效率达到25%，暗计数率小于3 kHz，后脉冲概率低于5%，暗计数率和后脉冲概率维持在较低的水平，这也表明，本发明提供的高温工作单光子探测器兼容了低暗计数、低后脉冲概率和高探测效率的优势。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本申请的保护范围并不局限于此。任何在本发明的精神和原则之内所做的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种高温工作单光子探测器，其特征在于，包括：
衬底；
外延层结构，包括依次叠设于所述衬底上的吸收层、递变层、场控制层和倍增层；
所述递变层用于消除所述吸收层与所述场控制层之间的能带陡变；
所述倍增层的中部为凹形结构，所述凹形结构的中心倍增区厚度小于非中心倍增区厚度，以形成中心位置电场大于边缘位置电场的阶梯形电场且所述中心位置电场到所述边缘位置电场连续，所述凹形结构为对所述倍增层的中部进行一次刻蚀和一次扩散形成的阶梯状扩散；所述凹形结构外侧无保护环；
所述场控制层和所述倍增区被配置为通过调节所述场控制层的面电荷密度和所述倍增区的厚度来降低所述吸收层的电场、倍增区的电场，以及场致辅助隧穿电流和带间隧穿电流；
所述外延层结构包括空穴倍增型InP/InGaAsP结构；其中，所述吸收层的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP材料，所述场控制层的材料包括n型InP，所述倍增层的材料包括不掺杂的InP；所述场控制层的面电荷密度为2.0×1012 cm-2~3.5×1012 cm-2，所述倍增区的厚度为0.8 um ~2.5 um；
或者，所述外延层结构包括空穴倍增型InP/InGaAsP结构；其中，所述吸收层的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP与n型轻掺杂的InGaAs材料或n型轻掺杂的InGaAsP材料的组合，所述场控制层的材料包括n型InP，所述倍增层的材料包括不掺杂的InP；所述场控制层的面电荷密度为2.0×1012 cm-2~3.5×1012 cm-2，所述倍增区的厚度为0.8 um ~2.5um；
或者，所述外延层结构包括电子倍增型InAlAs/InGaAsP结构；其中，所述吸收层的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP，所述场控制层的材料包括p型InAlAs，所述倍增层的材料包括不掺杂的InAlAs；
或者，所述外延层结构包括电子倍增型InAlAs/InGaAsP结构；其中，所述吸收层的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP与p型轻掺杂的InGaAs材料或p型轻掺杂的InGaAsP材料的组合，所述场控制层的材料包括p型InAlAs，所述倍增层的材料包括不掺杂的InAlAs；
其中，通过调节所述场控制层的面电荷密度和倍增区的厚度使所述高温工作单光子探测器的工作温度范围为-10~22℃。
2. 根据权利要求1所述的高温工作单光子探测器，其特征在于，所述外延层结构的工作波段包括1550 nm或1310 nm或1064 nm。
3.根据权利要求1所述的高温工作单光子探测器，其特征在于，所述递变层的材料包括N型InGaAsP。
4.一种高温工作单光子焦平面探测器，其特征在于，包括：
读出电路；
单光子探测器阵列，包括阵列排布的单光子探测器，所述阵列排布的单光子探测器与所述读出电路电学互联，所述单光子探测器为如权利要求1-3任一项所述的高温工作单光子探测器；
微透镜，形成于所述单光子探测器阵列的衬底上，用于将入射光聚焦到所述单光子探测器阵列的像素上。
5.根据权利要求4所述的高温工作单光子焦平面探测器，其特征在于，所述微透镜的材料包括InP基底材料或GaP材料。
6.一种高温工作单光子探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次生长吸收层、递变层、场控制层和倍增层，形成外延层结构；
对所述倍增层的中部进行图形化并进行一次刻蚀，制备凹形结构；
在所述凹形结构处进行扩散区域的图形化并进行一次扩散掺杂，形成中心扩散深、边缘扩散浅的阶梯状扩散；其中，凹形结构处形成中心位置电场大于边缘位置电场的阶梯形电场且中心位置电场到边缘位置电场连续；所述倍增层不掺杂的中心高电场区构成倍增区；所述凹形结构外侧无保护环；所述场控制层和所述倍增区被配置为通过调节所述场控制层的面电荷密度和所述倍增区的厚度来降低所述吸收层的电场、倍增区的电场，以及场致辅助隧穿电流和带间隧穿电流；
在所述倍增层的扩散区和所述衬底上分别制备P电极和N电极；
其中，所述外延层结构包括空穴倍增型InP/InGaAsP结构；其中，所述吸收层的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP材料，所述场控制层的材料包括n型InP，所述倍增层的材料包括不掺杂的InP；所述场控制层的面电荷密度为2.0×1012 cm-2~3.5×1012 cm-2，所述倍增区的厚度为0.8 um ~2.5 um；
或者，所述外延层结构包括空穴倍增型InP/InGaAsP结构；其中，所述吸收层的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP与n型轻掺杂的InGaAs材料或n型轻掺杂的InGaAsP材料的组合，所述场控制层的材料包括n型InP，所述倍增层的材料包括不掺杂的InP；所述场控制层的面电荷密度为2.0×1012 cm-2~3.5×1012 cm-2，所述倍增区的厚度为0.8 um ~2.5um；
或者，所述外延层结构包括电子倍增型InAlAs/InGaAsP结构；其中，所述吸收层的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP，所述场控制层的材料包括p型InAlAs，所述倍增层的材料包括不掺杂的InAlAs；
或者，所述外延层结构包括电子倍增型InAlAs/InGaAsP结构；其中，所述吸收层的材料包括不掺杂的InGaAs材料或InGaAsP与p型轻掺杂的InGaAs材料或p型轻掺杂的InGaAsP材料的组合，所述场控制层的材料包括p型InAlAs，所述倍增层的材料包括不掺杂的InAlAs；
其中，通过调节所述场控制层的面电荷密度和倍增区的厚度使所述高温工作单光子探测器的工作温度范围为-10~22℃。
7.一种高温工作单光子焦平面探测器的制备方法，其特征在于，包括：
采用如权利要求6所述的制备方法制备单光子探测器阵列，对阵列中的像素之间进行物理隔离；
在阵列排布的单光子探测器上制备微透镜，其中，所述微透镜用于将入射光聚焦到所述单光子探测器阵列的像素上；
将所述单光子探测器阵列与读出电路进行电学连接。
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