单光子探测器及其制作方法、单光子探测器阵列与流程

1.本发明涉及半导体器件技术领域，具体而言，涉及一种单光子探测器及其制作方法、单光子探测器阵列。


背景技术：

2.光是由一个个小能量单元构成，即光子是光的最小组成单位。单个光子的能量在可见光或近红外波段大概是10-19焦耳，传统的光电探测器无法实现对单个光子的有效探测。单光子探测器具有灵敏度高、信噪比高和时间抖动低等众多优势。因此，单光子探测器应运而生。单光子探测技术广泛应用于量子密钥分发、激光测距、生物荧光检测、dna反应等弱光探测领域。
3.目前，单光子探测器主要包括光电倍增管(pmt)、超导单光子探测器和单光子雪崩光电二极管(spad)等。其中光电倍增管主要利用电子倍增机制，具有增益大，灵敏度高等优点，其增益可以达到104～108，缺点是对于1200nm以上的光谱响应很差，而且尺寸较大，暗计数较大，并不能满足现阶段的单光子探测需求。超导单光子探测器主要利用超导相变机制，兼具灵敏度高和低噪声的特点，具有较高的探测效率，但工作环境处于超低温环境，大大限制了其在日常生产和生活中的应用。spad主要基于碰撞离化机制，利用雪崩效应形成一个较大的宏观可观测电流。从实用性上考虑，spad可以工作在可见光波段或者近红外波段，具有高增益和高信噪比、功耗低，体积小等优点，是目前用途最广，也是应用潜力最大的一种单光子探测器。为了获得较大的增益，spad一般工作在盖格模式下，即工作电压大于击穿电压，存在边缘击穿等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的包括，例如，提供了一种单光子探测器及其制作方法、单光子探测器阵列，其能够有效抑制边缘击穿问题且降低制作工艺的复杂性。
5.本发明的实施例可以这样实现：
6.第一方面，本发明提供一种单光子探测器的制作方法，所述方法包括：
7.在提供的衬底一侧依次生长多层外延层，所述多层外延层包括缓冲层、吸收层、过渡层、电荷层、倍增层、反型层、迁移层、窗口层和欧姆接触层；
8.通过扩散工艺在所述欧姆接触层和窗口层内形成弧形扩散区；
9.对所述衬底上的部分外延层的边缘进行刻蚀，以形成台面结构；
10.在所述衬底背面形成光窗口，以供入射光入射；
11.在所述欧姆接触层上形成p型电极，并在所述衬底背面形成n型电极；
12.其中，所述反型层用于在所述电荷层的调控基础上，对电场分布进行二次调控。
13.在可选的实施方式中，所述反型层由inp、ingaas、inalas、inalgaas、ingaasp中的一种或多种组合所构成。
14.在可选的实施方式中，所述反型层的积分电荷密度为2.0*e
12
/cm2至4.0*e
12
/cm2。
15.在可选的实施方式中，所述电荷层的厚度为150nm至300nm，所述倍增层的厚度为400nm至800nm，所述反型层的厚度为150nm至300nm。
16.在可选的实施方式中，所述通过扩散工艺在所述欧姆接触层和窗口层内形成弧形扩散区的步骤，包括：
17.在所述欧姆接触层上形成刻蚀层；
18.在所述刻蚀层上定义刻蚀区域，并基于所述刻蚀区域对所述刻蚀层进行刻蚀形成刻蚀开口，所述刻蚀开口暴露出部分欧姆接触层；
19.基于所述刻蚀开口采用扩散工艺对所述欧姆接触层和窗口层进行p型扩散以形成p型掺杂的弧形扩散区。
20.在可选的实施方式中，所述对所述衬底上的至少部分外延层的边缘进行刻蚀，以形成台面结构的步骤，包括：
21.对所述欧姆接触层、窗口层、迁移层、反型层、倍增层、电荷层、过渡层、吸收层、缓冲层及部分衬底的边缘进行刻蚀，以在所述衬底的上方区域形成第一台面；
22.对所述欧姆接触层、窗口层、迁移层和反型层的边缘进行刻蚀，以在所述倍增层的上方区域形成第二台面。
23.在可选的实施方式中，所述对所述欧姆接触层、窗口层、迁移层和反型层的边缘进行刻蚀，以在所述倍增层的上方区域形成第二台面的步骤之后，所述方法还包括：
24.在所述第一台面和第二台面上形成钝化层，所述钝化层为高阻聚合物材料构成，或者由sio2、sinx、al2o3中的一个或多种构成。
25.在可选的实施方式中，所述在所述衬底背面形成光窗口的步骤，包括：
26.对所述衬底的背面进行腐蚀处理，腐蚀处理的厚度小于所述衬底的厚度；
27.第二方面，本发明提供一种单光子探测器，包括：
28.衬底；
29.依次形成于所述衬底上的多层外延层，所述多层外延层包括缓冲层、吸收层、过渡层、电荷层、倍增层、反型层、迁移层、窗口层和欧姆接触层，其中，所述欧姆接触层和窗口层内形成有弧形扩散区，所述衬底上的部分外延层的边缘被刻蚀以形成有台面结构；
30.形成于所述衬底背面的光窗口，以供入射光入射；
31.形成于所述欧姆接触层上的p型电极，及形成于所述衬底背面的n型电极；
32.其中，所述反型层用于在所述电荷层的调控基础上，对电场分布进行二次调控。
33.在可选的实施方式中，所述台面结构包括：
34.对所述欧姆接触层、窗口层、迁移层、反型层、倍增层、电荷层、过渡层、吸收层、缓冲层及部分衬底的边缘进行刻蚀以在所述衬底的上方区域形成的第一台面，以及对所述欧姆接触层、窗口层、迁移层和反型层的边缘进行刻蚀，以在所述倍增层的上方区域形成的第二台面。
35.在可选的实施方式中，所述单光子探测器还包括：
36.生长于所述第一台面和第二台面上的钝化层，所述钝化层为高阻聚合物材料构成，或者由sio2、sinx、al2o3中的一个或多种构成。
37.在可选的实施方式中，所述反型层由inp、ingaas、inalas、inalgaas、ingaasp中的一种或多种组合所构成。
38.在可选的实施方式中，所述反型层的积分电荷密度为2.0*e
12
/cm2至4.0*e
12
/cm2。
39.在可选的实施方式中，所述电荷层的厚度为150nm至300nm，所述倍增层的厚度为400nm至800nm，所述反型层的厚度为150nm至300nm。
40.第三方面，本发明提供一种单光子探测器阵列，包括多个前述实施方式所述的单光子探测器，多个所述单光子探测器呈阵列排布；
41.多个所述单光子探测器采用倒装焊工艺集成于读出电路，各所述单光子探测器p型电极之间相互隔离，多个所述单光子探测器共用n型电极。
42.本发明实施例的有益效果包括，例如：
43.本技术提供一种单光子探测器及其制作方法、单光子探测器阵列，通过在提供的衬底一侧依次生长多层外延层，多层外延层包括缓冲层、吸收层、过渡层、电荷层、倍增层、反型层、迁移层、窗口层和欧姆接触层，并通过扩散工艺在欧姆接触层和窗口层内形成弧形扩散区，对衬底上的部分外延层的边缘进行刻蚀形成台面结构，在衬底背面形成光窗口，并在欧姆接触层上形成p型电极、在衬底背面形成n型电极。本方案中，仅需通过一次扩散处理并结合反型层，即可有效降低扩散区域边缘电场，进而有效抑制边缘击穿问题，且相比现有的需要二次扩散处理或二次生长的方式而言，有效降低了制作工艺的复杂性。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
45.图1为现有技术中的单光子探测器的结构示意图；
46.图2为现有技术中单光子探测器的电场分布示意图；
47.图3为现有技术中的单光子探测器的另一结构示意图；
48.图4为本技术实施例提供的单光子探测器的制作方法的流程图；
49.图5至图10为本技术实施例提供的单光子探测器的制作方法中各个步骤所形成的器件结构示意图；
50.图11为本技术实施例提供的单光子探测器的电场分布示意图；
51.图12为本技术实施例提供的单光子探测器阵列的示意图。
52.图标：00-衬底；10-缓冲层；20-吸收层；30-过渡层；40-电荷层；50-倍增层；60-反型层；70-迁移层；80-窗口层；90-欧姆接触层；91-钝化层；92-增透膜；93-p型电极；94-n型电极。
具体实施方式
53.现有技术中常见的单光子探测器主要包括两种类型，第一种方式主要制作工艺包括在衬底上依次形成缓冲层、吸收层、过渡层、电荷层、倍增层以及本征层。再采用两次扩散工艺在本征层、倍增层和电荷层形成扩散区域，形成的结构如图1中所示。这种方式所形成的结构的电场分布图如图2中所示，根据图2所示，在电荷层作用下，电场在倍增层最强，吸收层相对较弱，保证了倍增层能产生碰撞离化，吸收层不离化，但能保证载流子以饱和速度
迁移，提高apd的响应速度。该方式形成的单光子探测器可以有效抑制边缘击穿效应，但是需要采用两次扩散工艺形成pn结，存在工艺难以控制、成品率低等问题，并且难以做成大面积阵列结构。
54.此外，第二种方式是在衬底上依次形成缓冲层、吸收层、过渡层、电荷层、倍增层及本征层后，采用扩散工艺在本征层、倍增层内形成扩散区域，并刻蚀电荷层形成台面，进一步通过二次外延生长技术在刻蚀的台面上形成磷化铟层，形成的结构如图3中所示。通过该方式所形成的单光子探测器可以有效抑制边缘击穿效应，但是这种方式需要采用一次扩散，并结合刻蚀工艺和二次外延技术，二次外延生长界面在高电场条件下非常难控制，存在制作工艺复杂，成品率低等问题。
55.基于上述研究发现，本技术提供一种单光子探测器制作方法，通过在一次外延时在电荷层上形成反型层，利用反型层在电荷层的调控基础上，对电场分布进行二次调控。仅需通过一次扩散处理并结合反型层，即可有效降低扩散区域边缘电场，进而有效抑制边缘击穿问题，且相比现有的需要二次扩散处理或二次生长的方式而言，有效降低了制作工艺的复杂性。
56.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
57.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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，都属于本发明保护的范围。
58.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
59.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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。
60.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
61.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
62.请参阅图4，本技术实施例提供一种单光子探测器制作方法，该制作方法可用于制作单光子探测器，以下将对该制作方法的详细过程进行阐述。
63.请结合参阅图5至图10，步骤s110，在提供的衬底00一侧依次生长多层外延层，多层外延层包括缓冲层10、吸收层20、过渡层30、电荷层40、倍增层50、反型层60、迁移层70、窗口层80和欧姆接触层90。
64.步骤s120，通过扩散工艺在所述欧姆接触层90和窗口层80内形成弧形扩散区。
65.步骤s130，对所述衬底00上的部分外延层的边缘进行刻蚀，以形成台面结构。
66.步骤s140，在所述衬底00背面形成光窗口，以供入射光入射。
67.步骤s150，在所述欧姆接触层90上形成p型电极93，并在所述衬底00背面形成n型电极94。
68.本实施例中，在外延生长中引入的反型层60可以在电荷层40的调控基础上，对电场分布进而二次调控，最终得到的器件结构如图10中所示。
69.spad(single photon avalanche photo diode)工作在反偏电压下，即spad的背电极与高电位连接，上电极与低电位连接。入射光从背电极所在的一侧向上电极方向入射，在吸收层20吸收并产生电子空穴对，光生空穴通过倍增层50，由于雪崩效应产生更多的电子空穴对。其中，吸收层20与电荷层40之间具有较大的能级差，而倍增层50与吸收层20之间的能级差较小，从而可以通过倍增层50减缓由于吸收层20与电荷层40之间能带不连续所导致的载流子迟滞。本实施例中，通过引入反型层60，可降低迁移层70的电场，保证迁移层70和窗口层80界面在较低的电场作用下工作，可以有效抑制边缘击穿效应。可以通过电荷层40和反型层60的电场强度对spad的内部电场进行调节，使得spad在工作状态下处于耗尽状态的各层有适当的电场强度，以实现载流子的高速漂移，同时可以防止过高的电场产生过大的暗电流或产生有害的雪崩倍增效应。
70.例如，参见图11，图11为本技术实施例提供的单光子探测器的电场分布示意图，可以看出倍增层50的电场强度在大于5*105伏特每厘米(v/cm)，吸收层20的电场强度小于1*105v/cm，迁移层70的电场强度小于1*105v/cm。
71.本实施例所提供的单光子探测器制作方法，仅需采用一次扩散处理，并结合反型层60即可实现有效抑制边缘击穿的问题，不需要二次生长，具有工艺简单、可靠性高、成品率高等优势。相比于现有技术中需要两次扩散，或者一次扩散结合刻蚀和二次外延生长方式而言，可降低工艺的复杂性。该制作方法非常适合制作单光子探测器阵列。
72.请参阅图5，本实施例中，在上述步骤s110中，多层外延层，包括缓冲层10、吸收层20、过渡层30、电荷层40、倍增层50、反型层60、迁移层70、窗口层80和欧姆接触层90可通过一次外延生长依次形成。
73.其中，所述反型层60可由inp、ingaas、inalas、inalgaas、ingaasp中的一种或多种材料的组合构成，反型层60可为p型掺杂层。例如，可为p型inalas，具体地可为in
0.52
al
0.48
as。所述反型层60的积分电荷密度为2.0*e
12
/cm2至4.0*e
12
/cm2，例如可为3.2*e
12
/cm2。反型层60的厚度可为150nm至300nm，可以起到电场调控、抑制边缘击穿的效果。
74.本实施例中，衬底00可以是高掺杂的n型inp衬底00，上述在衬底00上形成缓冲层10的步骤中，可以采用mocvd技术在衬底00上形成n型缓冲层10。其中，缓冲层10的晶格系数应当与衬底00的晶格系数相近，例如，缓冲层10可为inp层，厚度可在50nm至2000nm之间。缓冲层10的掺杂浓度范围可以为n型1*e
15
/cm3至1*e
19
/cm3。
75.例如，缓冲层10的厚度可以为1000nm，掺杂浓度可以为1*e
18
/cm3。
76.本实施例中，形成于缓冲层10上的吸收层20可由n型ingaas材料制成，厚度范围可以为2000nm至2800nm。例如，厚度可为2000nm，掺杂为本征n型掺杂。过渡层30可为本征层，具有3段过渡，可由ingaasp材料制成，其厚度范围可以为10nm至300nm。本实施例中，过渡层30可以有效提高器件的响应度。
77.电荷层40的厚度可为150nm至300nm，电荷层40可由n型inp材料制成，电荷层40积分电荷密度为2.4*e
12
/cm2至4.8*e
12
/cm2，例如可为2.4*e
12
/cm2，可以起到调控电场、抑制边
缘击穿的效果。
78.所述倍增层50为器件中载流子和晶格发生碰撞电离的场所，倍增层50包括但不限于inp、algaassb、sic等空穴型apd碰撞离化材料。所述穴型apd碰撞离化材料的特征是该材料空穴碰撞离化系数大于电子离化系数。
79.倍增层50的厚度范围可以为400nm至800nm，例如，所述倍增层50可由本征inp材料生成，厚度可为500nm。
80.所述迁移层70包括但不限于inp、ingaas、inalas、inalgaas、ingaasp等一种材料或者其中两种以上材料的组合。迁移层70的厚度范围为500nm至700nm，例如，可为500nm。掺杂可为本征n型或者n型轻掺杂，掺杂范围可为n型1*e
15
/cm3至1*e
17
/cm3。
81.窗口层80和欧姆接触层90可以由一次扩散工艺完成。扩散浓度的范围是1*e
17
/cm3至5*e
19
/cm3。其中，窗口层80和欧姆接触层90也可以由mocvd生长完成。掺杂浓度的范围是1*e
17
/cm3至5*e
19
/cm3。窗口层80的厚度为1000nm至1500nm。欧姆接触层90的厚度为100nm至200nm，例如可为100nm。欧姆接触层90主要用于p型欧姆接触，其掺杂浓度越高，欧姆接触越好实现，厚度并非关键参数，但是厚度不能太厚，否则会影响p型掺杂的扩散速率。
82.请结合参阅图6，在本实施例中，在上述步骤s120中，可通过以下方式在欧姆接触层90和窗口层80内形成弧形扩散区：
83.在所述欧姆接触层90上形成刻蚀层；
84.在所述刻蚀层上定义刻蚀区域，并基于所述刻蚀区域对所述刻蚀层进行刻蚀形成刻蚀开口，所述刻蚀开口暴露出部分欧姆接触层90；
85.基于所述刻蚀开口采用扩散工艺对所述欧姆接触层90和窗口层80进行p型扩散以形成p型掺杂的弧形扩散区。
86.本实施例中，可采用等离子体化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)方式在欧姆接触层90上形成刻蚀层，该刻蚀层可为二氧化硅(sio2)或sinx薄膜，形成的刻蚀层的厚度可为400nm。
87.在刻蚀层上定义刻蚀区域，该刻蚀区域可为刻蚀层的中心位置，如中心位置的一圆形区域。可采用灰度曝光工艺和刻蚀工艺，基于刻蚀区域对刻蚀层进行刻蚀，以形成贯穿刻蚀层的刻蚀开口。
88.基于该刻蚀开口对欧姆接触层90以及下方的窗口层80进行p型扩散从而形成p型掺杂的弧形扩散区。
89.在扩散完成后，可将剩余的刻蚀层剥离并对器件进行清洗。
90.本实施例中，在上述步骤s130中，可以通过以下方式形成所述台面结构：
91.对所述欧姆接触层90、窗口层80、迁移层70、反型层60、倍增层50、电荷层40、过渡层30、吸收层20、缓冲层10及部分衬底00的边缘进行刻蚀，以在所述衬底00的上方区域形成第一台面；
92.对所述欧姆接触层90、窗口层80、迁移层70和反型层60的边缘进行刻蚀，以在所述倍增层50的上方区域形成第二台面。
93.本实施例中，可对衬底00上方的欧姆接触层90、窗口层80、迁移层70、反型层60、倍增层50、电荷层40、过渡层30、吸收层20、缓冲层10以及部分衬底00的边缘进行刻蚀。可采用干法刻蚀、湿法腐蚀或二者结合的方法进行刻蚀处理，从而在衬底00上形成第一台面。在采
用干法和湿法刻蚀相结合的方式进行刻蚀时，可采用硫酸系溶液腐蚀欧姆接触层90，因为本实施例中，窗口层80为inp层，若采用盐酸系溶液容易腐蚀窗口层80。
94.在衬底00上形成第一台面，以便于后续在基于多个单光子探测器形成阵列时，单光子探测器之间可以相互隔离。刻蚀的宽度可在1微米至100微米之间，例如可为5微米。也即，后续阵列中单光子探测器之间的间隔距离在1微米至100微米之间。
95.在上述基础上，再对欧姆接触层90、窗口层80、迁移层70和反型层60的边缘进行刻蚀以在倍增层50的上方区域形成第二台面，以形成图7所述的器件结构。
96.本实施例中，可采用干法刻蚀、湿法腐蚀或者二者相结合的方式对欧姆接触层90、窗口层80、迁移层70和反型层60的边缘进行刻蚀，刻蚀停止于倍增层50表面，以在倍增层50的上方区域形成第二台面，可实现大面积吸收、小尺寸倍增的效果，从而达到增大光探测效率、降低暗计数的有益效果。
97.本实施例中，若采用干法和湿法刻蚀相结合的方式，可采用硫酸系溶液腐蚀欧姆接触层90，避免采用盐酸系溶液容易腐蚀inp的窗口层80的问题，以保证在倍增层50上方区域形成台面。
98.请结合参阅图8，在上述基础上，本实施例提供的制作方法还包括以下步骤：
99.在所述第一台面和第二台面上形成钝化层91。
100.本实施例中，可采用pecvd工艺在第一台面和第二台面上形成钝化层91，所述钝化层91为高阻聚合物材料构成，或者由sio2、sinx、al2o3中的一个或多种构成。钝化层91形成于第一台面和第二台面的侧壁以及水平平面上。
101.钝化层91的厚度可为5nm至3000nm，以对台面进行钝化。例如，可采用pecvd工艺制备sinx薄膜，薄膜厚度为500nm。本实施例中，形成钝化层91可对台面进行钝化，可达到降低暗电流的效果。
102.请结合参阅图9，本实施例中，在上述步骤s140中，可通过以下方式在衬底00背面形成光窗口：
103.对所述衬底00的背面进行腐蚀处理，腐蚀处理的厚度小于所述衬底00的厚度；
104.在所述衬底00的腐蚀区域生长增透膜92，以形成光窗口。
105.本实施例中，生长的增透膜92可以是二氧化硅(sio2)、sinx或者其它类似光学薄膜。例如，可采用pecvd制备sinx薄膜，薄膜厚度为1600nm。由增透膜92所形成的光窗口，可以供入射光入射。上方区域中与光窗口所对应的通道区域为器件的有源区。
106.请结合参阅图10，本实施例中，在上述步骤s150中，可采用电子束蒸发或类似方法制作钛(ti)、铂(pt)或金(au)材料的p型电极93，p型电极93位于器件的有源区上方。在形成阵列的情况下，单光子探测器阵列中各个探测器的p型电极93相互隔离。本实施例中，p型电极93覆盖整个器件有源区，又可以作为金属反射镜，使得衬底00侧入射的光在此反射，从而提高探测器量子效率。
107.本实施例中，可对衬底00进行减薄处理，并在减薄后的衬底00背面大面积制作n型电极94。在后续形成阵列的情况下，阵列中所有单光子探测器共用n型电极94。保证了单光子探测器良好的欧姆接触特性及可靠性。
108.本实施例中，在外延生长的外延结构中引入了反型层60，用于在所述电荷层40的调控基础上，对电场分布进行二次调控，可以降低扩散区边缘电场，进而有效抑制边缘击穿
等问题。
109.本技术实施例还提供一种由上述制作方法制作而成的单光子探测器，如图10中所示。该单光子探测器包括衬底00、依次形成于衬底00上的多层外延层，多层外延层包括缓冲层10、吸收层20、过渡层30、电荷层40、倍增层50、反型层60、迁移层70、窗口层80和欧姆接触层90。其中，欧姆接触层90和窗口层80内形成有弧形扩散区。衬底00上的部分外延层的边缘被刻蚀以形成有台面结构。此外，单光子探测器还包括形成于衬底00背面的光窗口，以供入射光入射。还包括形成于欧姆接触层90上的p型电极93，及形成于衬底00背面的n型电极94。
110.在本实施例中，反型层60可用于在电荷层40的调控基础上，对电场分布进行二次调控。引入的反型层60可以降低扩散区边缘电场，进而有效抑制边缘击穿的问题。并且，本实施例提供的单光子探测器可由一次扩散及外延反型层60得到，不需要刻蚀台面及二次生长，具有工艺简单、可靠性高、成品率高等优点。
111.本实施例中，所述的台面结构包括第一台面和第二台面，其中，第一台面为对欧姆接触层90、窗口层80、迁移层70、反型层60、倍增层50、电荷层40、过渡层30、吸收层20、缓冲层10和部分衬底00的边缘进行刻蚀以在所述衬底00的上方区域形成的第一台面。第二台面为对欧姆接触层90、窗口层80、迁移层70和反型层60的边缘进行刻蚀，以在所述倍增层50的上方区域形成的第二台面。
112.在衬底00上形成第一台面，以便于后续在基于多个单光子探测器形成阵列时，单光子探测器之间可以相互隔离。第一台面的刻蚀宽度可在1微米至100微米之间，例如可为5微米。也即，后续阵列中单光子探测器之间的间隔距离在1微米至100微米之间。
113.在倍增层50上方区域形成第二台面，可实现大面积吸收、小尺寸倍增的效果，从而达到增大光探测效率、降低暗计数的有益效果。
114.在本实施例中，单光子探测器还包括生长于第一台面和第二台面上的钝化层91，该钝化层91为高阻聚合物材料构成，或者由sio2、sinx、al2o3中的一个或多种构成。钝化层91的厚度可为5nm至3000nm，例如，可采用pecvd工艺制备sinx薄膜，薄膜厚度为500nm。本实施例中，形成钝化层91可对台面进行钝化，可达到降低暗电流的效果。
115.在本实施例中，衬底00背面的光窗口包括形成于衬底00背面的凹槽以及位于凹槽内的增透膜92。该凹槽为对衬底00背面进行腐蚀形成。生长的增透膜92可以是二氧化硅(sio2)、sinx或者其它类似光学薄膜。例如，可采用pecvd制备sinx薄膜，薄膜厚度为1600nm。由增透膜92所形成的光窗口，可以供入射光入射。上方区域中与光窗口所对应的通道区域为器件的有源区。
116.本实施例中，p型电极93可为钛(ti)、铂(pt)或金(au)材料制成，p型电极93覆盖整个器件有源区，又可以作为金属反射镜，使得衬底00侧入射的光在此反射，从而提高探测器量子效率。
117.在本实施例中，所述反型层60由inp、ingaas、inalas、inalgaas、ingaasp中的一种或多种组合所构成，反型层60可为p型掺杂层。例如，可为p型inalas，具体地可为in
0.52
al
0.48
as。所述反型层60的积分电荷密度为2.0*e
12
/cm2至4.0*e
12
/cm2，例如可为3.2*e
12
/cm2。反型层60的厚度可为150nm至300nm，可以起到电场调控、抑制边缘击穿的效果。
118.本实施例中，衬底00可以是高掺杂的n型inp衬底00。缓冲层10的晶格系数应当与衬底00的晶格系数相近，例如，缓冲层10可为inp层，厚度可在50nm至2000nm之间。缓冲层10
的掺杂浓度范围可以为n型1*e
15
/cm3至1*e
19
/cm3。例如，缓冲层10的厚度可以为1000nm，掺杂浓度可以为1*e
18
/cm3。
119.本实施例中，形成于缓冲层10上的吸收层20可由n型ingaas材料制成，厚度范围可以为2000nm至2800nm，例如，厚度可为2000nm，掺杂为本征n型掺杂。过渡层30可为本征层，具有3段过渡，可由ingaasp材料制成，其厚度范围可以为10nm至300nm。本实施例中，过渡层30可以有效提高器件的响应度。
120.电荷层40的厚度可为150nm至300nm，电荷层40可由n型inp材料制成，电荷层40积分电荷密度为2.4*e
12
/cm2至4.8*e
12
/cm2，例如可为2.4*e
12
/cm2，可以起到调控电场、抑制边缘击穿的效果。
121.所述倍增层50包括但不限于inp、algaassb、sic等空穴型apd碰撞离化材料。所述穴型apd碰撞离化材料的特征是该材料空穴碰撞离化系数大于电子离化系数。
122.倍增层50为器件中载流子和晶格发生碰撞电离的场所，倍增层50的厚度范围可以为400nm至800nm，例如，所述倍增层50可由本征inp材料生成，厚度可为500nm。
123.所述迁移层70包括但不限于inp、ingaas、inalas、inalgaas、ingaasp等一种材料或者其中两种以上材料的组合。迁移层70的厚度范围为500nm至700nm，例如，可为500nm。掺杂可为本征n型或者n型轻掺杂，掺杂范围可为n型1*e
15
/cm3至1*e
17
/cm3。
124.窗口层80和欧姆接触层90中扩散浓度的范围是1*e
17
/cm3至5*e19/cm3。掺杂浓度的范围是1*e
17
/cm3至5*e
19
/cm3。窗口层80的厚度为1000nm至1500nm。欧姆接触层90的厚度为100nm至200nm，例如可为100nm。欧姆接触层90主要用于p型欧姆接触，其掺杂浓度越高，欧姆接触越好实现，其厚度并非关键参数，但是厚度不能太厚，否则会影响p型掺杂的扩散速率。
125.本实施例所提供的单光子探测器由上述单光子探测器制作方法制作而成，具有与上述制作方法中形成的探测器相同的特征，因此，本实施例中未详尽之处，可参见上述实施例中的相关描述，本实施例在此不作赘述。
126.请结合参阅图12，本技术实施例还提供一种单光子探测器阵列，该单光子探测器阵列包括多个上述任一实施方式中的单光子探测器，多个单光子探测器呈阵列排布。多个单光子探测器采用倒装焊工艺集成于读出电路，各个单光子探测器的p型电极93之间相互隔离，多个单光子探测器共用n型电极94。
127.本实施例中，阵列中各个单光子探测器采用倒装焊工艺，n型电极94与高电位连接、p型电极93与低电位连接。各个单光子探测器之间由隔离槽相互隔离，该隔离槽为由上述对衬底00上方的外延层及部分衬底00进行刻蚀所形成的第一台面而形成。单光子探测器阵列的表面由n型电极94覆盖，由读出电路驱动，光从器件背面入射。单光子探测器阵列经过信号处理，实现单光子探测功能。
128.本实施例所提供的单光子探测器阵列具有大光敏区、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，可进一步降低暗计数。
129.本实施例所提供的单光子探测器阵列由多个上述任意实施方式中的单光子探测器构成，具有与上述单光子探测器相同的特征，因此，本实施例中未详尽之处，可参见上述实施例中的相关描述，本实施例在此不作赘述。
130.综上所述，本技术实施例提供的单光子探测器及其制作方法、单光子探测器阵列，
通过在提供的衬底00一侧依次生长多层外延层，多层外延层包括缓冲层10、吸收层20、过渡层30、电荷层40、倍增层50、反型层60、迁移层70、窗口层80和欧姆接触层90，并通过扩散工艺在欧姆接触层90和窗口层80内形成弧形扩散区，对衬底00上的部分外延层的边缘进行刻蚀以形成台面结构，在衬底00背面形成光窗口，并在欧姆接触层90上形成p型电极93、在衬底00背面形成n型电极94。本方案中，仅需通过一次扩散处理并结合反型层60，即可有效降低扩散区域边缘电场，进而有效抑制边缘击穿问题，且相比现有的需要二次扩散处理或二次生长的方式而言，有效降低了制作工艺的复杂性。
131.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。