高温工作单光子探测器、单光子焦平面探测器及制备方法

本发明涉及光电探测及激光测距，尤其涉及一种高温工作单光子探测器、单光子焦平面探测器及制备方法，高温工作单光子探测器及高温单光子焦平面探测器是一种能够探测单个光子的光电传感器，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）雪崩二极管单光子探测器是目前量子保密通信、激光雷达、激光测距应用中的关键器件，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。例如，在激光测距中，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、常规近红外雪崩二极管单光子探测器需要在低温下（-30℃左右）工作，为此需要采用半导体制冷器进行制冷和控温，同时还需要在半导体制冷器的热端进行风冷或水冷，才能实现预期的工作温度，这带来器件体积大、成本增加、不便于集成和携带等问题。工作在低温的单光子探测器还存在死时间长的问题，制约了器件的最大计数率。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种高温工作单光子探测器、单光子焦平面探测器及制备方法，高温工作单光子探测器和单光子焦平面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，用于解决现有单光子探测器存在的体积大、成本增加，不便于集成，也不方便携带工作，死时间长，制约了器件的最大计数率等技术问题。

2、本发明实施例的第一方面提供一种高温工作单光子探测器，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；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、倍增层的电场、场致辅助隧穿电流和带间隧穿电流。

3、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，倍增层的材料包括本征掺杂的inalas。

4、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，结合凹形器件结构和工艺制备，使高温工作单光子探测器的工作温度范围为-10~22℃。

5、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。

6、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。

7、根据本发明的实施例，递变层的材料包括n型ingaasp。

8、本发明实施例的第二方面提供一种高温工作单光子焦平面探测器，包括：读出电路；单光子探测器阵列，包括阵列排布的单光子探测器，阵列排布的单光子探测器与读出电路电学互联，单光子探测器为上述阐述的高温工作单光子探测器；微透镜，形成于单光子探测器阵列上，用于将入射光聚焦到单光子探测器阵列的像素上。

9、根据本发明的实施例，微透镜的材料包括inp基底材料或gap材料。

10、本发明实施例的第三方面提供一种高温工作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凹形结构的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；在倍增层的扩散区和衬底上分别制备p电极和n电极。

11、本发明实施例的第四方面提供一种高温工作单光子焦平面探测器的制备方法，包括：采用上述制备方法制备单光子探测器阵列，对阵列中的像素之间进行物理隔离；在阵列排布的单光子探测器上制备微透镜，其中，微透镜用于将入射光聚焦到单光子探测器阵列的像素上；将单光子探测器阵列与读出电路进行电学连接。

12、根据本发明的实施例，通过铟柱倒装互连或铜铜互连的方式将所述单光子探测器阵列与所述读出电路进行电学连接。

13、根据本发明实施例提供的高温工作单光子探测器、单光子焦平面探测器及制备方法，至少能够实现以下技术效果：

14、由于将单光子探测器外延层结构的倍增层中部加工为凹形结构，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，能够实现高温工作（可达到22℃）的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，计数率高。

15、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，确保获得雪崩幅值及时间分布均匀的雪崩信号，能够实现高探测效率和高计数率。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。

16、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，扩宽了单光子探测器的适用场景。

17、进一步地，单光子焦平面探测器的微透镜材料采用inp基底材料或gap材料，能够更好地将大面积入射光聚焦到小光敏面上，从而提高了占空比，进而提高了探测效率。

18、此外，将高温工作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、荧光检测使用的便捷性。