[发明专利]一种宽光谱响应的InGaAs单光子雪崩光电二极管及其制造方法

说明书

本发明请求保护一种宽光谱响应的InGaAs单光子雪崩光电二极管，包括衬底，在所述衬底上设有短波透光窗口，在所述衬底一侧设有n电极,另一侧设有腐蚀截止层,在所述腐蚀截止层上依次设有InGaAs标准波长吸收层、长波吸收层、渐变层、电荷层、倍增层以及钝化层。在所述倍增层内设有阶梯型PN结,而在所述倍增层另一侧设有p电极和钝化层。所述p电极和阶梯型PN结、以及透光窗口三者处于同一轴线上。本发明采用长波吸收层对1700nm‑1800nm波长的光子进行吸收，同时通过衬底上的透光窗口，防止760nm‑900nm波段光子在衬底材料中被吸收。将InGaAs单光子雪崩光电二极管的响应波长范围从900nm‑1700nm拓展到760nm‑1800nm，为该波段范围内提供了单个光子的探测灵敏度。

技术领域

本发明属于光探测技术领域，特别涉及一种宽光谱响应的InGaAs单光子雪崩光电二极管。

背景技术

铟镓砷(InGaAs)单光子雪崩光电二极管是一种基于半导体材料的单光子探测器件，能实现对单个光子能量的检测，已广泛应用于量子通信、真随机数发生器、激光雷达、光时域反射计等领域。单光子雪崩光电二极管的工作原理是：当一个光子在二极管吸收区被吸收后，会产生初始电子空穴对，然后在电场的作用下，电子或空穴被输运到倍增区产生持续放大，从而产生可以被观测到的宏观电信号。

在光谱响应方面，通常InGaAs单光子雪崩光电二极管基于晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As/InP结构，可以满足900nm-1700nm波段高效光响应要求。然而，受晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As材料带隙的限制，该结构无法实现长波长波段(1700nm-1800nm)的光响应，需要引入高铟组分的InGaAs材料，减小吸收区材料的带隙，从而可以将光谱响应拓展到1800nm。不过，In组分增加后，高铟组分InGaAs材料的晶格常数不再与衬底匹配，这样的缺陷将会增加噪声，以至于无法达到单光子的灵敏度。另一方面，由于衬底对900nm以下光波的吸收作用，光生载流子在衬底材料中很快就会被复合，从而难以实现有效的电荷收集，所以这种结构的器件难以探测到900nm以下的光子。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种可以在760nm-1800nm波段的实现单光子灵敏度的宽光谱响应的InGaAs单光子雪崩光电二极管及其制备方法。本发明的技术方案如下：

一种宽光谱响应的InGaAs单光子雪崩光电二极管，其包括：衬底(1)，在所述衬底(1)的中轴线位置上设有短波透光窗口(2)，短波透光窗口(2)用于增加，在所述衬底(1)的一侧设有n电极(3)，n电极(3)用于与外部电源的一极相接触，衬底(1)的另一侧依次设有腐蚀截止层(4)、InGaAs标准波长吸收层(5)、长波吸收层(6)、渐变层(7)、电荷层(8)、倍增层(9)以及钝化层(13)，腐蚀截止层(4)用于在腐蚀透光窗口时对InGaAs标准波长吸收层(5)进行保护，防止腐蚀剂对其产损伤，InGaAs标准波长吸收层(5)用于对900nm-1700nm波段光子的吸收，长波吸收层(6)用于对1700nm-1800nm波段光子的吸收，渐变层(7)用于减少长波吸收层(6)与电荷层(8)之间晶格的不连续，电荷层(8)用于调整倍增层(9)的电场强度，倍增层(9)用于载流子的雪崩碰撞离化，以及钝化层(13)用于保护器件表面，在所述倍增层(9)内设有阶梯型PN结(10),阶梯型PN结(10)用于产生耗尽区，在所述倍增层(9)另一侧设有p电极(12)和钝化层(13)，p电极(12)用于与外部电源的另一极相接触。

进一步的，所述p电极(12)、阶梯型PN结(10)以及透光窗口(2)三者处于同一中心轴线上，且径向尺寸基本一致，直径为10μm～100μm。

进一步的，所述短波透射窗口(2)，直径为10μm～100μm，用于避免衬底(1)对760nm-900nm波段光子的吸收，并使之在穿透腐蚀截止层(4)之后，直接入射到InGaAs标准波长吸收层(5)，从而产生光生载流子，然后在电场的作用下发生雪崩并被收集。