具有周期性納米結(jié)構(gòu)的雪崩光電二極管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于量子信息中單光子探測的硅基雪崩光電二極管，其包括SOI襯底以及形成于SOI襯底上的PIN結(jié)構(gòu)，其中在PIN結(jié)構(gòu)的最外層還形成有由周期性的金字塔或倒金字塔形的納米結(jié)構(gòu)作為入射窗。其中納米結(jié)構(gòu)采用單晶硅作為金字塔基本單元的主體材料。借助本發(fā)明的雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)，使得能夠利用現(xiàn)有的基于硅的制備工藝進行雪崩二極管的制備，并且簡化了二極管的層次結(jié)構(gòu)，使得能夠在提供改善的時間分辨能力的同時，提供良好的探測效率，并且適應(yīng)于大規(guī)模、高成品率的工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】
具有周期性納米結(jié)構(gòu)的雪崩光電二極管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及雪崩光電二極管，特別是應(yīng)用于量子信息中單光子探測的硅基雪崩光電二極管。
【背景技術(shù)】
[0002]最近幾十年來，量子信息領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，特別是近十年來量子保密通信的飛速發(fā)展，更是讓人感覺到一個新的產(chǎn)業(yè)即將發(fā)展成熟。由于光子傳播速度快且不容易受環(huán)境影響，大多數(shù)量子信息技術(shù)依賴光子進行量子態(tài)的制備、調(diào)控、傳輸和測量，進而實現(xiàn)對量子信息的處理。然而光子的能量非常小，比如對于850nm的光子，其能量僅為2.3X10-19焦耳，如何準(zhǔn)確而高效地探測如此微弱能量的光子是量子信息的一個關(guān)鍵難題。已經(jīng)有很多種技術(shù)手段能實現(xiàn)單光子探測，在量子信息比較關(guān)注的近紅外波段，就有基于超導(dǎo)納米線、TES、雪崩光電二極管等的成熟技術(shù)。其中，基于雪崩光電二極管的單光子探測技術(shù)一直被認為是最經(jīng)濟、體積最小、最容易被量子信息領(lǐng)域廣泛采用的技術(shù)手段，對量子信息產(chǎn)業(yè)化有重要意義。量子信息對單光子的探測效率和時間分辨都有很高的要求，然而對于量子信息比較感興趣的近紅外波長，這兩個指標(biāo)一般來說是互相制約的，很難同時提高。例如，由于硅材料對近紅外光的吸收系數(shù)較小，在公知的硅雪崩光電二極管的設(shè)計中，一般通過增加吸收層厚度的辦法來提高850nm光子的探測效率，然而吸收層厚度的增加必然導(dǎo)致光子到達時間分辨變差。一種改進的辦法是通過在雪崩光電二極管上下增加諧振腔，使得光子可以多次穿過吸收層，等效于增加了吸收層的厚度，可以使用薄的吸收層同時實現(xiàn)高的探測效率和高的時間分辨。然而這種改進辦法是諧振型的，也就是說只對某些特定的波長起作用，并且諧振效果越好，可用的波長范圍就越小，這在多方量子通信等應(yīng)用中使用起來很不方便。
[0003]近來，從理論上提出了一種新的雪崩光電二極管模型結(jié)構(gòu)。如圖1所示，為了同時獲得近紅外波段高探測效率和高的時間分辨(ps量級)，在該理論模型中提出了在本征層厚度為1000納米的PIN結(jié)構(gòu)的上下各增加由氮化硅組成的周期性納米錐結(jié)構(gòu)，上層納米錐底寬400納米，高800納米，間距400納米，下層納米錐底寬750納米，高250納米，間距800納米。同時在下層納米錐的下方2000納米處放置一個200納米厚的銀平面層，在銀平面層和下層納米錐之間填充不吸收光的二氧化硅。該雪崩二極管理論模型中使用了薄的PIN結(jié)，同時陷光結(jié)構(gòu)減小了載流子被電極收集的時間，從而具有很高的時間分辨能力。一般情況下，由于光子只在垂直方向傳輸，普通的薄PIN結(jié)無法充分吸收光子，探測效率很低。理論模型中的雪崩二極管采用兩層納米錐結(jié)構(gòu)和銀平面層結(jié)構(gòu)來提高薄PIN結(jié)對光子的吸收。
[0004]這種雪崩二極管模型從理論上看是非常完美的，可以具有較佳的性能，然而在實際制造的時候會遇到很多難題，使得其只可以在實驗室實現(xiàn)極小規(guī)模的原型生產(chǎn)，但目前還無法大規(guī)模高成品率的生產(chǎn)制造。例如，由于氮化硅是非晶態(tài)，要在亞微米尺度上制備周期性精密圓錐結(jié)構(gòu)并非易事，而非理想圓錐結(jié)構(gòu)會影響陷光結(jié)構(gòu)，進而影響探測效率。此夕卜，要在約I微米厚的PIN結(jié)兩面均制備這種復(fù)雜錐形結(jié)構(gòu)就更難了，其背面的制備需要非常復(fù)雜的工藝(百微米量級深度刻蝕，在刻蝕出的凹槽里做氮化硅沉積并進行刻蝕)，成本極高，無法控制，成品率低。銀平面層的制備會引入金屬離子，在單光子探測器的制備中只能在探測器制備完成之后，否則會降低器件性能如暗記數(shù)。氮化硅和硅的交界面處會產(chǎn)生折射率突變，不利于降低反射，造成探測效率的降低。
[0005]因此，需要一種改進的雪崩管結(jié)構(gòu)，其既能夠保證獲得理論上最佳的性能，同時又易于進行大規(guī)模高成品率的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一)要解決的技術(shù)問題
[0007]本發(fā)明的目的在于，提供一種硅基雪崩光電二極管，其在近紅外波段較寬的波長范圍內(nèi)具有較好的單光子探測效率和時間分辨能力。
[0008](二)技術(shù)方案
[0009]本發(fā)明提供一種雪崩光電二極管，其自下而上依次包括Si襯底層、S12層、P+歐姆接觸層、P-過渡層、本征層、N-過渡層及N+歐姆接觸層，其中，所述Si襯底層、S12層及P+歐姆接觸層形成SOI襯底，P-過渡層、本征層、N-過渡層及N+歐姆接觸層在SOI襯底上形成圓形臺面結(jié)構(gòu)；
[0010]雪崩光電二極管還包括形成于N+歐姆接觸層上的N電極層，以及形成于所述P+歐姆接觸層上的P電極層；
[0011]其中，N+歐姆接觸層上還形成有周期性的納米結(jié)構(gòu)，納米結(jié)構(gòu)的基本單元為金字塔或倒金字塔形狀，金字塔或倒金字塔的底部緊密連接在一起且主體材料為單晶硅。
[0012]進一步，納米結(jié)構(gòu)中金字塔或倒金字塔的高度、所述納米結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期被設(shè)置成與待探測光的波長接近，使得在所述波長范圍內(nèi)實現(xiàn)折射率從空氣到納米結(jié)構(gòu)的平緩過渡。
[0013]進一步，納米結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期為700-900nm，金字塔或倒金字塔的高度為400-800nmo
[00M] 進一步，納米結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期為850nm，金字塔或倒金字塔的高度為450nm。
[0015]進一步，S12層與所述Si襯底層構(gòu)成反射結(jié)構(gòu)，反射結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)形成光學(xué)諧振腔。
[0016]進一步，S12層與所述N+歐姆接觸層之間的距離被設(shè)置成在所述光學(xué)諧振腔內(nèi)提供水平波導(dǎo)模式。
[0017]進一步，本征層的厚度為700nmo
[0018]進一步，P+歐姆接觸層、P-過渡層、本征層、N-過渡層及N+歐姆接觸層采用外延生長的方式形成。
[0019]進一步，N電極層近所述圓形臺面的外周且為環(huán)形，P電極層位于圓形臺面與P+歐姆接觸層的外周之間且為環(huán)形。
[0020]進一步，雪崩光電二極管還包括保護層，其由對周期性納米結(jié)構(gòu)表面進行氧化而形成，所述保護層覆蓋在圓柱形臺面的表面和側(cè)壁和P+歐姆接觸層的上表面，并且讓N+電極層和P電極層露出。
[0021](三)有益效果
[0022]本發(fā)明提供的具有周期性納米結(jié)構(gòu)的雪崩光電二極管，通過對各層的尺寸參數(shù)進行設(shè)計，可以使雪崩光電二極管具有較好的單光子探測效率和時間分辨能力。另外，本發(fā)明中的S12層與Si襯底層構(gòu)成反射結(jié)構(gòu)，并且，反射結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)形成光學(xué)諧振腔，其相比于現(xiàn)有技術(shù)，將現(xiàn)有技術(shù)中的由上下兩層納米結(jié)構(gòu)與銀反射層配合形成的復(fù)雜光子收集結(jié)構(gòu)換成了由上層納米結(jié)構(gòu)與SOI反射層形成的簡單結(jié)構(gòu)，減少了一層納米結(jié)構(gòu)，簡化了制備流程，同時可以使得制備工藝與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝兼容，大大降低了實現(xiàn)難度，改善了工業(yè)應(yīng)用性。
【附圖說明】
[0023]圖1為現(xiàn)有單光子雪崩光電二極管模型的示意性透視圖。
[0024]圖2為本發(fā)明提供的單光子雪崩光電二極管的示意性剖面圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0026]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的單光子雪崩光電二極管的剖面圖。如圖2所示，本發(fā)明的單光子雪崩光電二極管為圓形臺面PIN結(jié)構(gòu)，其包括由Si襯底層l、Si02層2及P+歐姆接觸層3組成的SOI襯底。
[0027]在該SOI襯底上，還依次設(shè)置有P-過渡層4、本征層5、N_過渡層6及N+歐姆接觸層7，從而在該SOI襯底上形成圓形臺面結(jié)構(gòu)。此外，在N+歐姆接觸層7上靠近圓形臺面的外周還形成有環(huán)形的N電極層8，在SOI襯底的P+歐姆接觸層3上形成有環(huán)形的P電極層9。
[0028]其中，N+歐姆接觸層7的上表面被設(shè)計成具有周期性的納米結(jié)構(gòu)，該納米結(jié)構(gòu)的基本單元為金字塔或者倒金字塔，這些金字塔具有同樣的尺寸且按照品字形或陣列式作密集周期性排列，其中，金字塔底部緊密連接在一起，且其主體材料由單晶硅組成。
[0029]在本發(fā)明的一個方面，由于采用周期性金字塔(倒金字塔)納米結(jié)構(gòu)來形成入射窗，且其中納米結(jié)構(gòu)的特征尺寸，即金字塔的高度和其重復(fù)周期(底寬)，被設(shè)置成與光波長接近，具體地，兩者的偏差在± 20 %以內(nèi)，因而可以實現(xiàn)折射率從空氣到納米結(jié)構(gòu)材料(例如本例中的硅)的平緩過渡，而非通常的階躍形突變，大大降低普通增透膜因折射率的不連續(xù)而帶來的反射。在本發(fā)明中，所謂平緩過渡是指近似線性的變化。同時，由于入射窗中提供了折射率從空氣到納米材料的平緩過渡，這種平緩過渡是不再是針對特定波長的，因此，其在與納米結(jié)構(gòu)特征尺寸相關(guān)的較大波長范圍內(nèi)均能很好地抑制反射損耗，表現(xiàn)出優(yōu)秀的增透效率，明顯優(yōu)于只在特定波長上表現(xiàn)出增透效果的普通增透膜。此外，還發(fā)現(xiàn)，借助本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)，使得對于入射光的入射角度敏感性也明顯小于現(xiàn)有技術(shù)。另外，在光子穿過這種納米結(jié)構(gòu)時，其傳播方向會被納米結(jié)構(gòu)打散，從而增加其在吸收層之間的傳播距離。
[0030]優(yōu)選地，在本發(fā)明中，周期性納米結(jié)構(gòu)中的金字塔可以被設(shè)計成高度為450nm，重復(fù)周期為850nm。借助該特征尺寸，可以使得入射窗對于600_1000nm波長范圍內(nèi)的光表現(xiàn)出90-96%的透射率。
[0031]進一步地，本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)由于采用了金字塔或倒金字塔形狀，且以單晶硅為主體制備材料，不但可以借助入射窗與吸收層之間的材料匹配消除諸如采用氮化硅等其他材料引起的光路上折射率的突變而造成的反射損耗，而且可以利用現(xiàn)有技術(shù)在硅片上制備出高質(zhì)量的周期性納米結(jié)構(gòu)，極大改善本發(fā)明的雪崩二極管的工業(yè)應(yīng)用性，使得在工業(yè)上進tx大規(guī)t旲尚成品率的制造成為可能。
[0032]在本發(fā)明的另一方面，由于采用了SOI襯底結(jié)構(gòu)，在雪崩管的PIN結(jié)構(gòu)下引入了S12層2，借助S12層2與其下方的Si襯底層I之間的折射率差異形成高效的反射結(jié)構(gòu)，從而將現(xiàn)有技術(shù)中的由上下兩層納米結(jié)構(gòu)與銀反射層配合形成的復(fù)雜光子收集結(jié)構(gòu)換成了由上層納米結(jié)構(gòu)與SOI反射層形成的簡單結(jié)構(gòu)。在這種簡單結(jié)構(gòu)中，減少了一層納米結(jié)構(gòu)，簡化了制備流程，同時可以使得制備工藝與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝兼容，大大降低了實現(xiàn)難度，改善了工業(yè)應(yīng)用性。此外，還應(yīng)注意到，在本發(fā)明中借助S12層2替代了銀層，從而消除了設(shè)置銀層所需要的額外工藝及其造成的金屬離子影響，避免了由此造成的暗計數(shù)指標(biāo)惡化。
[0033]進一步地，由于減少了一層納米結(jié)構(gòu)，因而可以將上層納米結(jié)構(gòu)的尺寸相應(yīng)增大至近紅外波長，例如使其特征尺寸(金字塔的高度及其重復(fù)周期)在700nm至I微米左右，從而將雪崩二極管的應(yīng)用范圍擴展至近紅外范圍。并且，結(jié)構(gòu)周期尺寸的加大將更有利于降低加工難度，提高成品率。
[0034]在本發(fā)明的又一方面，周期性納米結(jié)構(gòu)與由S12層2與Si襯底層I構(gòu)成的反射結(jié)構(gòu)還可以被設(shè)置成形成一個光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)，其中吸收層將位于該光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)內(nèi)。因此，從周期性納米結(jié)構(gòu)的入射窗入射的光子可以在該諧振腔內(nèi)實現(xiàn)多次反射，從而大大增加被吸收的概率。進一步地，還可以將S12層2與形成有該納米結(jié)構(gòu)的N+歐姆接觸層7之間的距離設(shè)置成可以在光學(xué)諧振腔內(nèi)提供水平波導(dǎo)模式。因此，垂直入射的光子中被周期性納米結(jié)構(gòu)改變傳播方向的部分可以被耦合到該光學(xué)諧振腔的水平波導(dǎo)模式中，從而增加這部分光子在吸收層中傳播路徑，進一步改善光子的吸收效率。借助上述設(shè)置，在本發(fā)明的雪崩二極管中，可以將吸收層形成為具有大的水平方向尺寸和很薄的垂直方向尺寸，從而在獲得時間分辨能力的同時，保證良好的光子探測效率。發(fā)明人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)特別適合增強長波長范圍上的吸收效率，尤其適合用于提高薄吸收層的光電二極管的外量子效率。
[0035]在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，金字塔的重復(fù)周期(底寬)可以在700nm到900nm之間，高度在400nm到800nm之間。更優(yōu)選地，金字塔的重復(fù)周期(底寬)可以為850nm，高度為450nm。同時，Si02層2的厚度可以為SOOnmc3P+歐姆接觸層3的厚度可以為400nm，且摻雜濃度為1E19/CH1-3。？-過渡層4的厚度可以為400nm，且摻雜濃度為lElS/cnH^N-過渡層6的厚度可以為200nm，且摻雜濃度為lElS/cmU+歐姆接觸層7的厚度可以為600nm，且摻雜濃度為lE19/cm-3。本征層5中不進行摻雜處理，且其厚度可以設(shè)置為700nm。基于上述優(yōu)選的參數(shù)設(shè)置，可以使雪崩管獲得30ps以下(半高寬)的光子時間分辨，同時保證很高的外量子效率。例如，對于850nm波長的光子，其外量子效率可以達到40%以上。此外，還可以將雪崩電壓降低至1V左右，使得該雪崩二極管能夠很好地適合低功耗和高速門控應(yīng)用。
[0036]進一步地，還可以通過對周期性納米結(jié)構(gòu)表面進行氧化，以形成一層S12保護層10，從而對雪崩二極管的外露區(qū)域提供保護，改善其整體可靠性及使用壽命。具體而言，該保護層10可以被設(shè)置成覆蓋在圓柱形臺面的表面和側(cè)壁，以及P+歐姆接觸層3的上表面，并且讓N+電極層8和P電極層9露出。優(yōu)選地，該保護層10的厚度可以設(shè)置約為lOOnm。
[0037]在本發(fā)明的又一個方面，由于本發(fā)明的雪崩二極管的PIN結(jié)可以很薄，因此可以采用外延生長的辦法形成整個PIN結(jié)，相比一般的擴散或者離子注入等工藝，用外延生長的辦法形成PIN結(jié)可以得到更精細的精度以及更少的雜質(zhì)和缺陷，暗計數(shù)和后脈沖可以做得更小。
[0038]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種雪崩光電二極管，其特征在于，所述雪崩光電二極管自下而上依次包括Si襯底層(l)、Si02層(2)、P+歐姆接觸層(3)、？-過渡層(4)、本征層(5)、^過渡層(6)及奸歐姆接觸層(7)，其中，所述Si襯底層(l)、Si02層(2)及P+歐姆接觸層(3)形成SOI襯底，所述P-過渡層(4)、本征層(5)、N-過渡層(6)及N+歐姆接觸層(7)在所述SOI襯底上形成圓形臺面結(jié)構(gòu)； 所述雪崩光電二極管還包括形成于所述N+歐姆接觸層(7)上的N電極層(8)，以及形成于所述P+歐姆接觸層(3)上的P電極層(9); 其中，所述N+歐姆接觸層(7)上還形成有周期性的納米結(jié)構(gòu)，所述納米結(jié)構(gòu)的基本單元為金字塔或倒金字塔形狀，所述金字塔或倒金字塔的底部緊密連接在一起且主體材料為單晶娃。2.如權(quán)利要求1所述的雪崩光電二極管，其特征在于，所述納米結(jié)構(gòu)中金字塔或倒金字塔的高度、所述納米結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期被設(shè)置成與待探測光的波長的偏差在±20%以內(nèi)，使得在所述波長范圍內(nèi)實現(xiàn)折射率從空氣到納米結(jié)構(gòu)的平緩過渡。3.如權(quán)利要求2所述的雪崩光電二極管，其特征在于，所述納米結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期為700-900nm，金字塔或倒金字塔的高度為400-800nm。4.如權(quán)利要求3所述的雪崩光電二極管，其特征在于，所述納米結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期為850nm，金字塔或倒金字塔的高度為450nm。5.如權(quán)利要求1所述的雪崩光電二極管，其特征在于，所述S12層(2)與所述Si襯底層(I)構(gòu)成反射結(jié)構(gòu)，所述反射結(jié)構(gòu)與所述納米結(jié)構(gòu)形成光學(xué)諧振腔。6.如權(quán)利要求5所述的雪崩光電二極管，其特征在于，所述S12層(2)與所述N+歐姆接觸層(7)之間的距離被設(shè)置成在所述光學(xué)諧振腔內(nèi)提供水平波導(dǎo)模式。7.如權(quán)利要求1所述的雪崩光電二極管，其特征在于，所述本征層(5)的厚度為700nm。8.如權(quán)利要求1所述的雪崩光電二極管，其特征在于，所述P+歐姆接觸層(3)、P-過渡層(4)、本征層(5)、N-過渡層(6)及N+歐姆接觸層(7)采用外延生長的方式形成。9.如權(quán)利要求1所述的雪崩光電二極管，其特征在于，所述N電極層(8)靠近所述圓形臺面的外周且為環(huán)形，所述P電極層(9)位于所述圓形臺面與所述P+歐姆接觸層(3)的外周之間且為環(huán)形。10.如權(quán)利要求1所述的雪崩光電二極管，其特征在于，還包括保護層(10)，其由對周期性納米結(jié)構(gòu)表面進行氧化而形成，所述保護層(10)覆蓋在圓柱形臺面的表面和側(cè)壁和P+歐姆接觸層(3)的上表面，并且讓N+電極層(8)和P電極層(9)露出。
【文檔編號】H01L31/0232GK106057957SQ201610623546
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月1日
【發(fā)明人】江曉, 張強, 臧凱, 馬健, 丁迅, 霍秩杰, 喻宗夫, 詹姆斯S.哈里斯, 潘建偉
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)