高温自淬灭单光子探测器及制备方法

本发明涉及光电探测器及激光测距，尤其涉及一种高温自淬灭单光子探测器及制备方法，高温自淬灭单光子探测器是一种能够探测单光子且无需外部淬灭电路的光电传感器，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：

1、近红外（900nm-1700nm）单光子探测器是目前量子（保密）通信应用、激光雷达、激光测距中的关键器件。具有高性价比的ingaasp/inp单光子雪崩光电二极管(singlephoton avalanche photodiodes:spad)是应用广泛的主流单光子探测器，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。在光学测距中，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。

2、基于其工作模式的不同，单光子雪崩光电二极管可以划分为门控模式和自由运行模式两类。其中，门控模式的spad需要门脉冲淬灭电路来防止热失控导致的雪崩击穿，使器件的偏置电压只有在单光子到来时处于雪崩电压之上，在应用到光学（激光）测距时，该模式要求被检测的光子到达时间已知。而应用广泛的自由运行模式中光子到达时间是未知的，需要spad时刻处于准“准备探测状态”。基于此，引入自淬灭机制，可以在无需门控淬灭电路的情况下实现器件的自淬灭和自恢复，具有驱动电路简单、响应时间快，能应用于自由运行模式激光测距等优点。

3、目前实现器件的自淬灭需要在芯片上制备上百千欧到上兆欧的薄膜电阻，由于芯片面积有限，需要制备的薄膜方块电阻非常大，这对于常规的合金薄膜电阻而言，要求加工非常薄、非常窄的条状合金材料，这极大地提升了工艺的难度，使得电阻制备工艺不可控，很难精准实现不同阻抗的淬灭电阻。另外，常规自淬灭雪崩二极管为了降低暗计数，通常工作在零下30℃到零下40℃，需要制冷以及相关的风冷、水冷设备，体积大、不方便工作。此外，从性能上而言，由于在单光子探测器芯片表面集成薄膜电阻，雪崩电流信号被大大地抑制，需要引入电流放大器对雪崩信号放大，加入制冷设备会引入对雪崩放大信号的干扰，导致雪崩信号提取困难。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种高温自淬灭单光子探测器及制备方法，高温自淬灭单光子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，用于解决现有自淬灭单光子探测器存在淬灭电阻制备工艺难度大，很难精准实现不同阻抗值的淬灭电阻，同时解决工作温度低、器件体积大、成本增加，不便于集成，也不方便携带工作，以及雪崩信号提取困难等技术问题。

2、本发明实施例第一方面提供一种自淬灭单光子探测器，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；淬灭电阻，集成在外延层结构表面，用于对雪崩电流进行淬灭，其中，淬灭电阻采用片上集成薄膜电阻，片上集成薄膜电阻的材料由绝缘介质材料和金属材料共溅射实现；其中，片上集成薄膜电阻被配置为通过调整绝缘介质材料与金属材料的之间的厚度比例来调整薄膜电阻的电阻率。

3、根据本发明的实施例，片上集成薄膜电阻的材料由sio2共溅射cr、au、ni、ti中的至少之一形成。

4、根据本发明的实施例，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、倍增区的电场，以及场致辅助隧穿电流和带间隧穿电流。

5、根据本发明的实施例，片上集成薄膜电阻的材料还包括合金材料，淬灭电阻被配置为通过调整合金材料两种材料之间的厚度比例来调整淬灭电阻的电阻率。

6、根据本发明的实施例，合金材料包括nicr、tin、tiau中的其中之一。

7、根据本发明的实施例，淬灭电阻的厚度范围为40 nm~200 nm，电阻值大小为100 kω~2000 kω。

8、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使高温自淬灭单光子探测器的工作温度范围为-10~20℃。

9、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，倍增层的材料包括不掺杂的inalas。

10、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。

11、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。

12、根据本发明的实施例，递变层的材料包括n型ingaasp。

13、本发明实施例第三方面提供一种高温自淬灭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；在倍增层的扩散区制备p电极；在倍增层上集成淬灭电阻，其中，淬灭电阻为上述片上集成薄膜电阻，淬灭电阻用于对雪崩电流进行淬灭；在衬底上制备n电极。根据本发明实施例提供的片上集成薄膜电阻、高温自淬灭单光子探测器及制备方法，至少能够实现以下技术效果：

14、由于淬灭电阻采用绝缘介质材料和金属材料共溅射形成的片上集成薄膜电阻，由于绝缘介质材料本身电阻很大，集成的淬灭电阻不需很薄，极大地降低了生长工艺难度。并且，由于采用新型绝缘介质共溅射金属的片上集成薄膜电阻，相比于常规合金材料制备的淬灭电阻，能够通过调整绝缘介质材料与金属材料的之间的厚度比例来调整淬灭电阻的电阻率，更容易实现不同阻抗值的电阻，从而提升器件的自淬灭自恢复效果。

15、由于将单光子探测器外延层结构的倍增层中部设为凹形结构，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，能够极大地降低自淬灭单光子探测器的暗计数，因此，基于这种设计，一方面，能够实现室温或近室温（可达到20℃）的自淬灭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。工作在室温或较高温度的自淬灭单光子探测器，大大地简化了对制冷的要求，由此也去掉了制冷到较低温度时引入的噪声干扰，大大地改进了器件的性能，也简化了器件的使用。

16、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，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。

17、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，扩宽了自淬灭单光子探测器的适用场景。

18、此外，将高温自淬灭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、荧光检测使用的便利性。