CN206210817U - 量子点宽谱单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种量子点宽谱单光子探测器。可见光到红外波段的单光子入射到器件有源区，量子点层吸收光子后产生激子，激子在受到量子点与多孔硅层异质结突变电场作用后发生分离，形成电子空穴对，载流子在电场作用下朝电极运动。器件在盖革模式的反偏电压下，重掺杂N+型层和重掺杂P+型层构成的PN结形成长耗尽区，载流子在高电场作用下加速碰撞，增益放大，形成可侦测电流。本实用新型具有探测效率高、室温、宽光谱、与集成电路CMOS工艺兼容、能将猝灭等控制和读出电路集成在单芯片上的优点，在少量光子和单光子探测器市场上应用前景广阔。
Description
技术领域：
本实用新型属于光学探测中的弱光信号探测技术领域，特别涉及一种量子点宽谱单光子探测器。
背景技术：
单光子是能够被传输的最弱光信号，在天文、量子通信、激光信号和生物医学检测等领域有广泛的应用，可观察单分子或单原子行为，也可应用于量子密钥分配技术中。在量子通信中，基于量子密钥分配通信技术，利用单光子的量子态进行编码，根据海森堡测不准原理，可实现信息的绝对保密传输，在信息通信中具有很强优势。传统的单光子探测器，国内外通常使用光电倍增管(PMT)，具有高增益、光敏面大和暗电流小优点，但工作在上千伏高电压，易受磁场影响，系统体积大，近红外波段探测效率低，由通常可见光500nm的40％探测效率跌落至1550nm的2％。近年来光电倍增管逐渐由工作在盖革模式下的半导体雪崩光电二极管单光子探测器代替，主要有硅雪崩二极管单光子探测器，InGaAs雪崩二极管单光子探测器等。但是这些单光子探测器都只能探测某一个波段，不能同时实现多波段探测。
雪崩光电二极管单光子探测器基于半导体PN结，在反向偏压高于器件击穿电压的盖革模式下工作，光子被吸收后，光生载流子在反向偏压下加速碰撞引发增益雪崩，导致可侦测的大电流。硅雪崩光电二极管单光子探测器在可见光波段有很高的量子探测效率和低噪音，在600nm，探测效率可以高到70％，但是在红外波段的探测却较为困难。通常在红外波段用InGaAs/InP雪崩光电二极管、超导纳米线或上转换等探测器实现，但这样的探测器通常探测效率不高，只能达到接近20％的探测效率，而且由于暗计数率高，需工作在极低温度下，无法实现室温探测。
在各种半导体材料的雪崩二极管单光子探测器，硅雪崩二极管单光子探测器技术最为成熟，Perkin-Elmer等公司已实现商用化，在可见光波段探测效率高。但由于硅材料本身的禁带宽度1.12eV，截止探测波长为1100nm，不适合红外光子探测。但硅材料是标准集成电路CMOS制程工艺所选材料，硅器件便于与其他光电器件集成在同一个芯片上。因此如何结合硅雪崩二极管单光子探测器的高增益性和能够探测红外波段的光敏材料结合，就成为研究和市场热点
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
实用新型内容：
本实用新型的目的在于提供一种量子点宽谱单光子探测器及其探测方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种量子点宽谱单光子探测器，包括：光吸收层、雪崩倍增结构层；所述光吸收层包括量子点层、多孔硅层，所述量子点层下方设置有多孔硅层；所述量子点层，用于吸收光子；所述多孔硅层，用于作为量子点吸收光子的宿主材料；所述雪崩倍增结构层为平面型硅雪崩二极管，可实现低压工作模式；而且与CMOS工艺兼容；所述硅雪崩二极管设置在多孔硅层下方，所述硅雪崩二极管包括重掺杂N+型层、重掺杂P+型层、P型层、重掺杂P型掩埋层、N型硅衬底、Au阴极、Au阳极、重掺杂P+区、重掺杂N++区；所述P型层长在重掺杂P型掩埋层上，所述重掺杂P型掩埋层，用于确保电流通路的低阻，在结构底部形成电极层；所述重掺杂N+型层嵌入P型层，用于制造出盆型区，形成虚拟保护环；所述P型层内注入重掺杂P+型层，用于决定有源区；所述重掺杂P+区10热沉提供了电极接触；所述Au阴极8、Au阳极9形成电极；所述重掺杂N++区长在N型硅衬底上，用于将单光子探测器与芯片上周围器件电学隔离。
优选地，上述技术方案中，重掺杂N+型层和重掺杂P+型层构成的PN结形成长耗尽区，用于增益雪崩放大。
优选地，上述技术方案中，量子点层为PbS量子点层，可探测可见到红外波段的双波段宽光谱。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
结合了硅雪崩光电二极管探测的高增益性和PbS量子点在可见到红外波段吸收的可调性，能够实现可见和红外双波段的单光子探测，具有探测效率高、室温、宽光谱、与集成电路CMOS工艺兼容、能将猝灭等控制和读出电路集成在单芯片上的优点，在少量光子和单光子探测器市场上应用前景广阔。
附图说明：
图1为本实用新型量子点宽谱单光子探测器的CMOS工艺横截面示意图；
图2为本实用新型器件光吸收层PbS量子点与多孔硅层的示意图；
图3为本实用新型单光子探测器做成阵列示意图；
附图标记为：1-量子点层、2-多孔硅层、3-重掺杂N+型层、4-重掺杂P+型层、5-P型层、6-重掺杂P型掩埋层、7-N型硅衬底、8-Au阴极、9-Au阳极、10-重掺杂P+区、11-重掺杂N++区。
具体实施方式：
下面对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，一种量子点宽谱单光子探测器，包括：光吸收层、雪崩倍增结构层；所述光吸收层包括量子点层1、多孔硅层2，所述量子点层1下方设置有多孔硅层2；所述量子点层1，用于吸收光子；所述多孔硅层2，用于作为量子点吸收光子的宿主材料；所述雪崩倍增结构层为平面型硅雪崩二极管，所述硅雪崩二极管设置在多孔硅层2下方，所述硅雪崩二极管包括重掺杂N+型层3、重掺杂P+型层4、P型层5、重掺杂P型掩埋层6、N型硅衬底7、Au阴极8、Au阳极9、重掺杂P+区10、重掺杂N++区11；所述P型层5长在重掺杂P型掩埋层6上，所述重掺杂P型掩埋层6，用于确保电流通路的低阻，在结构底部形成电极层；所述重掺杂N+型层3嵌入P型层5，用于制造出盆型区，形成虚拟保护环；所述P型层5内注入重掺杂P+型层4，用于决定有源区；所述重掺杂P+区10热沉提供了电极接触；所述Au阴极8、Au阳极9形成电极；所述重掺杂N++区11长在N型硅衬底7上，用于将单光子探测器与芯片上周围器件电学隔离。重掺杂N+型层3和重掺杂P+型层4构成的PN结形成长耗尽区，用于增益雪崩放大。量子点层1为PbS量子点层，可探测可见到红外波段的双波段宽光谱。
为了探测单光子的到达，需工作在盖革模式，器件工作电压稍高于击穿电压，线性模式虽能够放大电流，但增益不足够大，需采用发生雪崩巨大增益的盖革模式。可以调节耗尽区电场设计，使得击穿电压在20-40V。给器件施加反向偏压，当可见到红外波段0.7-2.5微米内的一个单光子耦合进量子点中，量子点吸收光子产生激子，激子遇到多孔硅异质材料后发生分离，形成电子空穴对；载流子在电场作用下朝相反电极运动。其中载流子在遇到重掺杂N+型层3和重掺杂P+型层4形成的PN结处，耗尽区内有极强电场，耗尽区通常控制在1到5微米，载流子加速并发生碰撞雪崩放大，最后形成可以侦测的电流。
雪崩增益放大过程将一直持续，所以为了探测下一个单光子，需要外加猝灭和再充电电路。猝灭电路分为主动和被动猝灭，被动猝灭即施加一个小于击穿电压的偏压，强制使增益得到抑制。如果载流子是光生产生的，雪崩脉冲的边沿就是探测到的光子到达时间，这个电流将一直持续直到雪崩被低电压所抑制。
PbS量子点是一种三维量子限制纳米结构材料，体材料禁带宽度较小，通过能带工程制备的量子点能够调节禁带宽度。合成量子点时，改变量子点的尺寸，量子点能够吸收可见到红外波长的光子。量子点尺寸越大，吸收峰越红移，吸收谱在0.8-2.5微米之间。量子点通常是在惰性条件下使用液相方法制备，量子点被油酸包覆，并被分散在己烷中。根据所需量子点吸收目标峰值，调整尺寸，每一批次的量子点需通过荧光光谱和光吸收谱进行光学表征。
多孔硅是一种以纳米硅原子簇为骨架的海绵状结构新型材料，由孔结构和支撑结构组成。多孔硅孔径大小由制备时的参数条件决定，如蚀刻液浓度、蚀刻液电流密度、蚀刻电流方式、硅片类型等。本实用新型实施中用电化学腐蚀法制备，在氢氟酸和乙醇溶液中对硅片施加低于电抛光电流密度的电流制备多孔硅，使用铂电极或石墨作为阴极，硅片作为阳极。制备前硅片背面和正面不制作多孔硅的区域通过掩模和蜡进行保护。
如图2所示，量子点被装载到多孔硅中，实际制备过程中在多孔硅的孔隙和上层都分布有量子点。通过旋涂，量子点被装载到多孔硅上。这种新处理过的多孔硅表面是疏水的，通过有机溶剂溶液湿化，可便于量子点的分散。在制备过程中，可通过劈开装载有PbS量子点的多孔硅材料，获得量子点进入孔的深度的信息，还可对横截面进行电子能量分散谱实验分析。据此可以更清楚得到硅、铅等元素分布信息，通常量子点可以抵达多孔硅的底部。
未来可以进一步将尺寸和禁带宽度各异的不同材料体系的量子点引入多孔硅宿主结构，探测更广波段的单光子信号；实现单波段、双波段到全宽谱的覆盖吸收响应，将有助于夜视和常规可见光探测的整合。而且可以从单元器件发展到线列和平面阵列，如图3所示,并与后续探测电路、放大器和缓冲器等放集成在同一个硅片上，这将优化焦平面阵列的设计。避免了现在分离式的器件设计空间分辨率低，热膨胀系数不均的不足。
量子点宽谱单光子探测器的使用方法，其步骤为：
(1)可见光到红外波段的单光子入射到器件有源区，量子点层1吸收光子后产生激子，激子在受到量子点与多孔硅层2异质材料界面的突变电场作用后发生分离，形成电子空穴对，载流子在电场作用下朝电极运动；
(2)器件在盖革模式的反偏电压下，重掺杂N+型层3和重掺杂P+型层4构成的PN结形成长耗尽区，当载流子运动到此处，在高电场作用下加速碰撞形成更多载流子，增益放大，最后形成可侦测电流。
前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (3)
1.量子点宽谱单光子探测器，其特征在于：包括光吸收层、雪崩倍增结构层；所述光吸收层包括量子点层、多孔硅层，所述量子点层下方设置有多孔硅层；所述量子点层，用于吸收光子；所述多孔硅层，用于作为量子点吸收光子的宿主材料；所述雪崩倍增结构层为平面型硅雪崩二极管，所述硅雪崩二极管设置在多孔硅层下方，所述硅雪崩二极管包括重掺杂N+型层、重掺杂P+型层、P型层、重掺杂P型掩埋层、N型硅衬底、Au阴极、Au阳极、重掺杂P+区、重掺杂N++区；所述P型层长在重掺杂P型掩埋层上，所述重掺杂P型掩埋层，用于确保电流通路的低阻，在结构底部形成电极层；所述重掺杂N+型层嵌入P型层，用于制造出盆型区，形成虚拟保护环；所述P型层内注入重掺杂P+型层，用于决定有源区；所述重掺杂P+区（10）热沉提供了电极接触；所述Au阴极（8）、Au阳极（9）形成电极；所述重掺杂N++区长在N型硅衬底上，用于将单光子探测器与芯片上周围器件电学隔离。
2.根据权利要求1所述的量子点宽谱单光子探测器，其特征在于：所述量子点层为PbS量子点层，可探测可见到红外波段的双波段宽光谱。
3.根据权利要求1所述的量子点宽谱单光子探测器，其特征在于：重掺杂N+型层和重掺杂P+型层构成的PN结形成长耗尽区，用于增益雪崩放大。
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: Quantum-dot wide-spectrum single-photon detector and detection method thereof Effective date of registration: 20170825 Granted publication date: 20170531 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd. Wuxi science and Technology Branch Pledgor: WUXI NAVOTA ELECTRONICS CO.,LTD. Registration number: 2017990000793 |
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Address after: IC design of No. 33-1 building, 214111 Jiangsu New District of Wuxi City Xinda road 401-07-1 Patentee after: WUXI NAVOTA ELECTRONICS CO.,LTD. Address before: IC design of No. 33-1 building, 214111 Jiangsu New District of Wuxi City Xinda road 401-07-1 Patentee before: WUXI NAVOTA ELECTRONICS CO.,LTD. |
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Effective date of registration: 20210121 Address after: Room 516, A3 / F, innovation industrial park, 800 Wangjiang West Road, high tech Zone, Hefei, Anhui 230000 Patentee after: Hefei Sijing Electronic Co.,Ltd. Address before: 401-07-1, IC design building, 33-1, Xinda Road, New District, Wuxi City, Jiangsu Province, 214111 Patentee before: WUXI NAVOTA ELECTRONICS Co.,Ltd. |
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Date of cancellation: 20211112 Granted publication date: 20170531 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd. Wuxi science and Technology Branch Pledgor: WUXI NAVOTA ELECTRONICS CO.,LTD. Registration number: 2017990000793 |
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Granted publication date: 20170531 Effective date of abandoning: 20231208 |
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