[发明专利]基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器及制备方法，包括外延片、形成于所述外延片上像素单元、形成于所述外延片上且与所述像素单元电连接的P电极以及形成于所述外延片底部的N电极；所述像素单元包括一形成于所述外延片内的有源区以及一形成于所述外延片内且环绕所述有源区设置的浮置环，所述P电极对应形成于所述有源区的上表面且与所述有源区和浮置环的一端均电连接；通过在单光子探测器上集成有源区和围绕有源区设置的浮置环，在抑制边缘击穿效应的同时获得自淬灭结构，且二者均采用闭管或MOCVD工艺实现，二者工艺兼容、易于实现。

技术领域

本发明涉及单光子探测器技术领域，特别是涉及一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器及制备方法。

背景技术

雪崩光电二极管(APD)单光子探测器的工作电压高于击穿电压，光生载流子在器件内部高电场作用下发生自持雪崩现象(雪崩增益高达106～108)，持续输出巨大雪崩电流，利用这种宏观的雪崩电流可以实现对单光子微弱信号探测。按照工作模式不同，可以分为门控模式APD单光子探测器和自由运行APD单光子探测器。门控模式APD单光子探测器通过周期性门控信号来控制器件的工作状态，没有自淬灭结构，只能探测周期光信号和到达时间已知的光信号。对于达到时间未知的光信号，必须使用自由运行APD单光子探测器。多像素自由运行APD单光子探测器将多个探测器芯片集成在一起，具有光子分辨能力，广泛应用于激光通信、测距、激光雷达、生物荧光检测等领域。

自由运行APD的一种实现方式是通过外部检测电路对APD器件进行淬灭，但这种探测器的寄生参数大，淬灭时间受电路性能限制。为了减少寄生参数，另一种实现方式是在APD芯片上制作“蚊香状”外置电阻丝，通过电阻的分压负反馈作用来获得自淬灭结构，实现自由运行APD单光子探测器，然而，“蚊香状”电阻丝一般为多晶硅或CrSi薄膜，与APD工艺不兼容，需要额外的工艺步骤，不利于多像素集成。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器及制备方法，以解决现有技术中外置电阻丝导致的自淬灭结构与APD工艺不兼容、需要额外的工艺步骤以及不利于多像素集成的问题。

为达到上述目的，本发明的第一方面提供一种基于浮置环的多像素自由运行单光子探测器，包括外延片、形成于所述外延片上像素单元、形成于所述外延片上且与所述像素单元电连接的P电极以及形成于所述外延片底部的N电极；所述像素单元包括一形成于所述外延片内的有源区以及一形成于所述外延片内且环绕所述有源区设置的浮置环，所述P电极对应形成于所述有源区的上表面且与所述有源区和浮置环的一端均电连接。

进一步的，所述有源区包括从下至上依次层叠形成于所述外延片内且彼此分离的吸收层、渐变层、电荷层和倍增层，所述有源区呈直径由下至上逐渐增加的SAGCM异质结。

进一步的，所述吸收层的材料为Si、InGaAs、Ge、InGaAsP、InGaAs/GaAsSb二类超晶格中的一种，所述倍增层的材料为Si、InP、InAlAs中的一种。

进一步的，所述浮置环对应的方块电阻值为1k～5kΩ/sq。

进一步的，所述像素单元的数量为n²个，其中，n＝1,2,3...，且P电极的数量与所述像素单元对应，使所述P电极与所述像素单元一一对应连接。

进一步的，还包括一形成于所述外延片上表面的金属焊盘，每一所述像素单元的浮置环的另一端均通过一金属线与所述金属焊盘电连接，且每一像素单元的探测信号在对应P电极与金属焊盘之间的传输时间相同。

进一步的，还包括与所述有源区一一对应形成于所述N电极上的通光孔。

进一步的，还包括一形成于所述外延片顶部的钝化层，所述钝化层上对应于所述有源区的位置处具有一直径小于有源区的电极孔，所述P电极对应形成于所述电极孔内。