宽光谱硅单光子探测器及其制备方法

本申请涉及半导体光电探测器，尤其涉及一种宽光谱硅单光子探测器及其制备方法。

背景技术：

1、半导体光电探测器是将光信号转换为电信号的光电转换器件，其中单光子探测器由于具有内部增益，能够探测到一个光子，具有极高灵敏度，能够实现极其微弱的目标光信号的探测，在遥感、空间等领域具有重要应用价值。

2、硅(si)的单光子探测器转换效率高、成本低并且与cmos(complementary metaloxide semiconductor，互补金属氧化物半导体，是制造大规模集成电路芯片用的一种技术)工艺兼容，是400nm-1100nm波段单光子探测的主要器件。但是，由于硅材料其本身禁带宽度的限制，因此硅单光子探测器的光谱响应会在1100nm截止。有一些方法被用来拓宽硅的光谱响应范围，例如对硅表面进行粗化处理，增加光吸收比例从而增加硅光电探测器的近红外长波吸收，但是表面粗话会产生漏电流较大的问题并且可提高的光谱响应范围有限；或者在硅的表面设置金属，利用金属表面的等离激元效应而产生热电子，从而增强硅的近红外长波吸收，等离激元能够增强的光谱响应范围也较小。

3、目前未见其他更为有效的方法拓展硅单光子探测器工作波长范围。

技术实现思路

1、本申请提供了一种宽光谱硅单光子探测器及其制备方法，宽光谱硅单光子探测器的工作波长较宽，且可以超过硅材料本身的工作波长。

2、本申请提供一种宽光谱硅单光子探测器，包括硅衬底和位于硅衬底上的至少一个硅单光子探测单元，硅单光子探测单元包括第一欧姆接触电极、光吸收层、雪崩放大层和第二欧姆接触电极；

3、雪崩放大层具有相对的第一表面和第二表面，第一欧姆接触电极和光吸收层位于第一表面一侧，第二欧姆接触电极位于第二表面一侧；

4、光吸收层用于吸收不同波长的光子并且产生光生载流子；

5、第一欧姆接触电极和第二欧姆接触电极用于与外电路电连接，以在雪崩放大层上施加强电场；

6、雪崩放大层用于在强电场的作用下将光生载流子进行雪崩放大。

7、在一种可能的实施方式中，本申请提供的宽光谱硅单光子探测器，光吸收层为胶体量子点光吸收层、半导体量子点光吸收层、或者二维材料光吸收层。

8、在一种可能的实施方式中，本申请提供的宽光谱硅单光子探测器，雪崩放大层包括依次层叠设置的第一欧姆接触层、倍增层、第二欧姆接触层，第一欧姆接触层和倍增层形成pn结；

9、第一欧姆接触电极位于第一欧姆接触层一侧，第二欧姆接触电极位于第二欧姆接触层一侧，第一欧姆接触电极和第二欧姆接触电极用于给pn结施加强电场，以使光生载流子跨过光吸收层和第一欧姆接触层之间的能带势垒进入到雪崩放大层中。

10、在一种可能得实施方式中，本申请提供的宽光谱硅单光子探测器，第一欧姆接触层的厚度大于等于950μm。

11、在一种可能的实施方式中，本申请提供的宽光谱硅单光子探测器，光吸收层覆盖部分第一欧姆接触层，光吸收层所覆盖的区域形成入射窗，第一欧姆接触电极覆盖部分第一欧姆接触层，第一欧姆接触电极为金属电极；

12、第二欧姆接触电极覆盖在第二欧姆接触层上。

13、在一种可能的实施方式中，本申请提供的宽光谱硅单光子探测器，光吸收层覆盖第一欧姆接触层，第一欧姆接触电极覆盖光吸收层，第一欧姆接触电极为透明电极；

14、第二欧姆接触电极覆盖在第二欧姆接触层上。

15、在一种可能的实施方式中，本申请提供的宽光谱硅单光子探测器，雪崩放大层还包括保护结构，保护结构与第一欧姆接触层的尖端区域相对设置。

16、在一种可能的实施方式中，本申请提供的宽光谱硅单光子探测器，硅单光子探测单元的数量为多个，多个硅单光子探测单元在硅衬底上呈阵列排布。

17、本申请还提供了一种宽光谱硅单光子探测器，包括硅衬底和位于硅衬底上的至少一个硅单光子探测单元，硅单光子探测单元包括第一欧姆接触电极、光吸收层、雪崩放大层和第二欧姆接触电极；

18、雪崩放大层具有相对的第一表面和第二表面，第一欧姆接触电极、光吸收层和第二欧姆接触电极均位于第一表面一侧；

19、光吸收层用于吸收不同波长的光子并且产生光生载流子；

20、第一欧姆接触电极和第二欧姆接触电极用于与外电路电连接，以在雪崩放大层上施加强电场；

21、雪崩放大层用于在强电场的作用下将光生载流子进行雪崩放大。

22、本申请还提供了一种宽光谱硅单光子探测器的制备方法，用于制备上述宽光谱硅单光子探测器，包括：

23、在硅衬底上形成第一欧姆接触层、倍增层和第二欧姆接触层以形成雪崩放大层；

24、将雪崩放大层浸泡在乙醚溶液中，并向乙醚溶液中照紫外光；

25、将雪崩放大层从乙醚溶液中取出，在雪崩放大层的第一表面形成光吸收层；

26、在第一表面上形成第一欧姆接触电极，在与第一表面相对的第二表面上形成第二欧姆接触电极；或者在第一表面上形成第一欧姆接触电极和第二欧姆接触电极。

27、本申请提供的宽光谱硅单光子探测器及其制备方法，宽光谱硅单光子探测器包括硅衬底和位于硅衬底上的宽光谱硅单光子探测单元，宽光谱硅单光子探测单元通过设置第一欧姆接触电极、光吸收层、雪崩放大层和第二欧姆接触电极；第一欧姆接触电极和光吸收层位于雪崩放大层的第一表面一侧，第二欧姆接触电极位于雪崩放大层的第二表面一侧；第一欧姆接触电极和第二欧姆接触电极用于与外电路电连接，以在雪崩放大层上施加强电场；光吸收层可以吸收300nm-2400nm范围内的光并产生载流子，雪崩放大层用于在强电场的作用下将光生载流子进行雪崩放大。由于光吸收层与雪崩放大层为单独设置的两层，因此光吸收层可以吸收的波长范围不受硅材料截至波长的限制，使得宽光谱硅单光子探测器的工作波长范围较宽，且可以超过硅材料本身的工作波长。

技术特征：

1.一种宽光谱硅单光子探测器，其特征在于，包括硅衬底和位于所述硅衬底上的至少一个硅单光子探测单元，所述硅单光子探测单元包括第一欧姆接触电极、光吸收层、雪崩放大层和第二欧姆接触电极；

2.根据权利要求1所述的宽光谱硅单光子探测器，其特征在于，所述光吸收层为胶体量子点光吸收层、半导体量子点光吸收层、或者二维材料光吸收层。

3.根据权利要求2所述的宽光谱硅单光子探测器，其特征在于，所述雪崩放大层包括依次层叠设置的第一欧姆接触层、倍增层、第二欧姆接触层，所述第一欧姆接触层和所述倍增层形成pn结；

4.根据权利要求3所述的宽光谱硅单光子探测器，其特征在于，所述第一欧姆接触层的厚度大于等于950μm。

5.根据权利要求4所述的宽光谱硅单光子探测器，其特征在于，所述光吸收层覆盖部分所述第一欧姆接触层，所述光吸收层所覆盖的区域形成入射窗，所述第一欧姆接触电极覆盖部分所述第一欧姆接触层，所述第一欧姆接触电极为金属电极；

6.根据权利要求4所述的宽光谱硅单光子探测器，其特征在于，所述光吸收层覆盖所述第一欧姆接触层，所述第一欧姆接触电极覆盖所述光吸收层，所述第一欧姆接触电极为透明电极；

7.根据权利要求4所述的宽光谱硅单光子探测器，其特征在于，所述雪崩放大层还包括保护结构，所述保护结构与所述第一欧姆接触层的尖端区域相对设置。

8.根据权利要求1至7任一项所述的宽光谱硅单光子探测器，其特征在于，所述硅单光子探测单元的数量为多个，多个所述硅单光子探测单元在所述硅衬底上呈阵列排布。

9.一种宽光谱硅单光子探测器，其特征在于，包括硅衬底和位于所述硅衬底上的至少一个硅单光子探测单元，所述硅单光子探测单元包括第一欧姆接触电极、光吸收层、雪崩放大层和第二欧姆接触电极；

10.一种宽光谱硅单光子探测器的制备方法，用于制备如权利要求1至9任一项所述的宽光谱硅单光子探测器，其特征在于，包括：

技术总结
本申请提供一种宽光谱硅单光子探测器及其制备方法，宽光谱硅单光子探测器包括硅衬底和位于硅衬底上的至少一个硅单光子探测单元，硅单光子探测单元包括第一欧姆接触电极、光吸收层、雪崩放大层和第二欧姆接触电极；雪崩放大层具有相对的第一表面和第二表面，第一欧姆接触电极和光吸收层位于第一表面一侧，第二欧姆接触电极位于第二表面一侧；光吸收层用于吸收不同波长的光子并且产生光生载流子；第一欧姆接触电极和第二欧姆接触电极用于与外电路电连接，以在雪崩放大层上施加强电场；雪崩放大层用于在强电场的作用下将光生载流子进行雪崩放大。本申请提供的宽光谱硅单光子探测器的工作波长较宽，且可以超过硅材料本身的工作波长。

技术研发人员：王博,任显松,张世凤,刘巧莉,胡安琪,郭霞
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14