一种低暗电流台面型雪崩单光子探测器的制作方法

本专利涉及探测器技术，具体指一种基于雪崩效应的高量子效率、低暗电流的单光子探测器。

背景技术：

在近红外波段,水会吸收大部分的红外线。因为近红外波段离可见光波段较近,探测器表面的滤波片对可见光的遮挡能力较弱,所以实际探测环境中的光线会对其信号干扰,这使得探测器只能在无光无雨的暗夜进行探测,而3～5μm的红外探测器对这些干扰信号不响应,可以令探测卫星的工作环境不受这些限制,大大增加了探测器的工作时间.因此研制出响应波长在3～5μm的红外探测器是很有发展前景的。

量子通信是利用单个光子作为信息携带单位。这对探测器提出了更高的要求：实现对极微弱信号的探测。单光子探测器能够探测到光的最小能量——光子，是量子信息技术最关键的器件之一。单光子探测技术在生物检测、天文测距、大气测污、超远程测距方面都有着广泛的应用。

碲镉汞材料的窄禁带宽度导致了大暗电流的缺陷，暗电流大小的数量级极大的影响了探测器的灵敏度。半导体材料中的暗电流形成原因非常多样，有因为载流子浓度不均匀产生的扩散电流、有因为缺陷捕获和释放载流子而产生的复合电流、量子隧穿引起的隧穿电流。除了改进材料的制备工艺以外，通过优化探测器结构也可以降低暗电流的数量级。

技术实现要素：

本专利主要在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种低暗电流台面型雪崩单光子探测器结构及掺杂参数。为实现上述目的，本专利的技术方案如下：

本专利所公开的一种低暗电流台面型雪崩单光子探测器结构，包括衬底1、缓冲层2、P型层3、本征层4、N型层5、阴极引出端6、阳极引出端7、钝化膜8。在所述的衬底1上按照从下向上的顺序依次生长缓冲层2、P型层3、本征层4、N型层5和钝化膜8，阴极引出端6和阳极引出端7通过离子束溅射法分别生长在P型层和N型层上。

所述的衬底1材料为碲锌镉、砷化镓、碲化镉或硅。

所述的缓冲层2为碲化镉，降低衬底材料与碲镉汞的晶格失配，若衬底材料为碲锌镉则不需要生长缓冲层。

所述的P型层3为Hg空位掺杂的P型碲镉汞，厚度范围为7～9μm，掺杂浓度在5×10¹⁵～1×10¹⁶cm^-3数量级。

所述的本征层4为非故意掺杂的N型碲镉汞区域，均匀的高场强区域，作为光子的吸收区和载流子的雪崩倍增区域。

所述的N型层5的掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3～8×10¹⁸cm^-3数量级，厚度范围为2.8μm～3.2μm。

所述的阴极引出端6为Cr/Au或Sn/Au双层电极，下层与台面结构接触的欧姆接触层为铬或锡，上层金属导电层为金，生长在P型层上。

所述的阳极引出端7为为Cr/Au或Sn/Au双层电极，下层与台面结构接触的欧姆接触层为铬或锡，上层金属导电层为金，吸收倍增的电子。

所述的钝化膜8为CdTe与ZnS双层钝化膜，ZnS在下CdTe在上，以达到降低器件表面漏电，降低串音的作用。

本专利提供一种低暗电流台面型雪崩单光子探测器的制作方法，包括以下步骤：

①衬底1上，生长一层0.8mm～1.2mm的CdTe缓冲层2；

②通过分子束外延技术或者垂直液相外延法在缓冲层上生长Hg空位掺杂的碲镉汞，形成7μm～9μm的P型碲镉汞薄层3；

③采取MBE多层生长原位掺杂技术，精准原位掺杂生长0.2μm～1μm厚度的本征层4及2.8μm～3.2μm厚度的N型层5，形成PIN结构；

④采取湿法腐蚀技术形成微台面，台面深度约为5μm～7μm；

⑤在台面表面生长CdTe与ZnS双层钝化膜8，ZnS在下CdTe在上；

⑥使用盐酸及重铬酸溶液去除电极孔位置的双层钝化膜材料；

⑦在电极位置利用离子束溅射法，生长Cr/Au电极，与P型HgCdTe上形成良好的金半接触，作为阴极引出端6，在N型HgCdTe上生长Cr/Au电极作为阳极引出端7，最终完成本专利的低暗电流台面型雪崩单光子探测器的制备。

采用了上述技术方案后，本专利具有以下的有益效果：

通过调整本征层的参数大大降低了低温下器件的隧穿电流，提升了雪崩二极管单光子探测器的信噪比与响应率。

附图说明

图1是本专利的结构横截面示意图；

图2是本专利中实施例1台面型雪崩二极管结构的暗电流随电压关系，纵坐标为对数坐标；

图3是本专利中实施例2台面型雪崩二极管结构的暗电流随电压关系，纵坐标为对数坐标；

图4是本专利中实施例3台面型雪崩二极管结构的暗电流随电压关系，纵坐标为对数坐标；

图5是本专利中实施例4台面型雪崩二极管结构的暗电流随电压关系，纵坐标为对数坐标；

图1中标号为：

1 为衬底；

2 为缓冲层；

3 为P型层；

4 为本征层；

5 为N型层；

6 为阴极引出端；

7 为阳极引出端；

8 为钝化膜。

具体实施方式

实施例1

见图1，本实施例的低暗电流台面型雪崩单光子探测器结构。

探测器包括碲锌镉衬底1、P型层3、本征层4、N型层5、阴极引出端6、阳极引出端7和钝化膜8。

P型层3、本征层4、N型层5、CdTe/ZnS双层钝化膜8按照从下向上的顺序生在碲锌镉衬底1上；P型层材料为汞空位掺杂的碲镉汞，厚度为9μm，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，宽120μm；将两个20μm宽，120μm长的长方形电极加在P型层两端以避免电极附近电场对本征层电场均匀度的影响；本征层掺杂浓度为5×10¹⁴cm^-3，厚度为1μm；N型层的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，厚度为2.8μm，N型层上有阳极引出端，电极下部的欧姆接触层为锡、厚度为10μm、上部的金属导电层Au、厚度为30μm,双层钝化膜8下层为CdTe上层为ZnS，红外辐射从P型背入射。

上述低暗电流台面型雪崩单光子探测器结构的制作方法，包括以下步骤：

①在衬底硅上，生长一层0.8mm的CdTe缓冲层(2)；

②通过分子束外延技术或者垂直液相外延法在缓冲层上生长Hg空位掺杂的碲镉汞，形成9μm的P型碲镉汞薄层(3)；

③采取MBE多层生长原位掺杂技术，精准原位掺杂生长1μm厚度的本征层(4)及2.8μm厚度的N型层(5)；

④采取湿法腐蚀技术形成微台面，台面深度约为6μm；

⑤在台面表面生长CdTe与ZnS双层钝化膜(8)，ZnS在下CdTe在上；

⑥使用盐酸及重铬酸溶液去除电极孔位置的双层钝化膜材料；

⑦在电极位置利用离子束溅射法，生长Sn/Au双层电极，下层与台面结构接触的欧姆接触层为锡，上层金属导电层为金，，与P型HgCdTe上形成良好的金半接触，作为阴极引出端(6)，在N型HgCdTe上生长Sn/Au电极作为阳极引出端(7)。

图2是本专利中实施例1台面型雪崩二极管结构的暗电流随电压关系。它是在衬底材料为碲锌镉，电极材料为锡/金，本征层厚度为1μm，本征层掺杂浓度为5×10¹⁴cm^-3，P型层厚度为9μm，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，N型层的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，厚度为2.8μm时所对应的暗电流随电压关系。

实施例2

见图1，本实施例的低暗电流台面型雪崩单光子探测器结构。

探测器包括砷化镓衬底1、P型层3、本征层4、N型层5、阴极引出端6、阳极引出端7和钝化膜8。

P型层3、本征层4、N型层5、CdTe/ZnS双层钝化膜8按照从下向上的顺序生在砷化镓衬底1上；P型层材料为汞空位掺杂的碲镉汞，厚度为8μm，掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3，宽120μm；将两个20μm宽，120μm长的长方形电极加在P型层两端以避免电极附近电场对本征层电场均匀度的影响；本征层掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3，厚度为0.5μm；N型层的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为3μm，N型层上有阳极引出端，电极下部的欧姆接触层为锡、厚度为10μm、上部的金属导电层Au、厚度为30μm,双层钝化膜8下层为CdTe上层为ZnS，红外辐射从P型背入射。

上述低暗电流台面型雪崩单光子探测器结构的制作方法，包括以下步骤：

①在衬底砷化镓上，生长一层1mm的CdTe缓冲层(2)；

②通过分子束外延技术或者垂直液相外延法在缓冲层上生长Hg空位掺杂的碲镉汞，形成8μm的P型碲镉汞薄层(3)；

③采取MBE多层生长原位掺杂技术，精准原位掺杂生长0.5μm厚度的本征层(4)及3μm厚度的N型层(5)；

④采取湿法腐蚀技术形成微台面，台面深度约为6μm；

⑤在台面表面生长CdTe与ZnS双层钝化层(8)；

⑥使用盐酸及重铬酸溶液去除电极孔位置的双层钝化膜材料；

⑦在电极位置利用离子束溅射法，生长Sn/Au电极，与P型HgCdTe上形成良好的金半接触，作为阴极引出端(6)，在N型HgCdTe上生长Sn/Au电极作为阳极引出端(7)。

图3是本专利中实施例2台面型雪崩二极管结构的暗电流随电压关系。它是在衬底材料为砷化镓，电极材料为锡/金，本征层厚度为0.5μm，本征层掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3，P型层厚度为8μm，掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3，N型层的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，厚度为3μm时所对应的暗电流随电压关系。

实施例3

见图1，本实施例的低暗电流台面型雪崩单光子探测器结构。

探测器包括碲化镉衬底1、P型层3、本征层4、N型层5、阴极引出端6、阳极引出端7和钝化膜8。

P型层3、本征层4、N型层5、CdTe/ZnS双层钝化膜8按照从下向上的顺序生在碲化镉衬底1上；P型层材料为汞空位掺杂的碲镉汞，厚度为7μm，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，宽120μm；将两个20μm宽，120μm长的长方形电极加在P型层两端以避免电极附近电场对本征层电场均匀度的影响；本征层掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3，厚度为0.5μm；N型层的掺杂浓度为8×10¹⁸cm^-3，厚度为3μm，N型层上有阳极引出端，电极下部的欧姆接触层为铬、厚度为10μm、上部的金属导电层Au、厚度为30μm,双层钝化膜8下层为CdTe上层为ZnS，红外辐射从P型背入射。

上述低暗电流台面型雪崩单光子探测器结构的制作方法，包括以下步骤：

①通过分子束外延技术或者垂直液相外延法在衬底上生长Hg空位掺杂的碲镉汞，形成7μm的P型碲镉汞薄层(3)；

②采取MBE多层生长原位掺杂技术，精准原位掺杂生长0.5μm厚度的本征层(4)及3μm厚度的N型层(5)；

③采取湿法腐蚀技术形成微台面，台面深度约为6μm；

④在台面表面生长CdTe与ZnS双层钝化层(8)；

⑤使用盐酸及重铬酸溶液去除电极孔位置的双层钝化膜材料；

⑥在电极位置利用离子束溅射法，生长Cr/Au电极，与P型HgCdTe上形成良好的金半接触，作为阴极引出端(6)，在N型HgCdTe上生长Cr/Au电极作为阳极引出端(7)。

图4是本专利中实施例3台面型雪崩二极管结构的暗电流随电压关系。它是在衬底材料为碲化镉，电极材料为铬/金，本征层厚度为0.5μm，本征层掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3，P型层厚度为7μm，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，N型层的掺杂浓度为8×10¹⁸cm^-3，厚度为3μm时所对应的暗电流随电压关系。

实施例4

见图1，本实施例的低暗电流台面型雪崩单光子探测器结构。

探测器包括衬底1、CdTe缓冲层2、P型层3、本征层4、N型层5、阴极引出端6、阳极引出端7和钝化膜8。

CdTe缓冲层2、P型层3、本征层4、N型层5、CdTe/ZnS双层钝化膜8按照从下向上的顺序生在Si衬底1上；P型层材料为汞空位掺杂的碲镉汞，厚度为9μm，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，宽120μm；将两个20μm宽，120μm长的长方形电极加在P型层两端以避免电极附近电场对本征层电场均匀度的影响；本征层掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，厚度为0.2μm；N型层的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，厚度为3.2μm，N型层上有阳极引出端，电极下部的欧姆接触层为铬、厚度为10μm、上部的金属导电层Au、厚度为30μm,双层钝化膜8下层为CdTe上层为ZnS，红外辐射从P型背入射。

上述低暗电流台面型雪崩单光子探测器结构的制作方法，包括以下步骤：

①在衬底硅上，生长一层1mm的CdTe缓冲层(2)；

②通过分子束外延技术或者垂直液相外延法在缓冲层上生长Hg空位掺杂的碲镉汞，形成9μm的P型碲镉汞薄层(3)；

③采取MBE多层生长原位掺杂技术，精准原位掺杂生长0.2μm厚度的本征层(4)及3.2μm厚度的N型层(5)；

④采取湿法腐蚀技术形成微台面，台面深度约为6μm；

⑤在台面表面生长CdTe与ZnS双层钝化层(8)；

⑥使用盐酸及重铬酸溶液去除电极孔位置的双层钝化膜材料；

⑦在电极位置利用离子束溅射法，生长Cr/Au电极，与P型HgCdTe上形成良好的金半接触，作为阴极引出端(6)，在N型HgCdTe上生长Cr/Au电极作为阳极引出端(7)。

图5是本专利中实施例4台面型雪崩二极管结构的暗电流随电压关系。它是在衬底材料为硅，电极材料为铬/金，本征层厚度为0.2μm，本征层掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，P型层厚度为9μm，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，N型层的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，厚度为3.2μm时所对应的暗电流随电压关系。

以上所述的具体实施例，对本专利的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本专利的具体实施例而已，并不用于限制本专利，凡在本专利的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。