片上集成硅单光子探测器及其制备方法

本技术实施例涉及半导体光电子器件，尤其涉及一种片上集成硅单光子探测器及其制备方法。

背景技术：

1、光子是量子信息技术中理想的信息载体，其中单光子探测器是光量子信息技术的核心部件。与经典光子学相似，光量子集成是提高性能和稳定性、降低功耗和体积的关键技术，是将量子信息技术稳健地从实验室推向实际应用的重大挑战。

2、铟镓砷/磷化铟(ingaas/inp)单光子探测器对接近1100nm处的近红外光具有高吸收系数和探测效率，其通过键合工艺与硅波导实现片上集成，但由于键合引入的位错、表面悬挂键及材料本身陷密度高，导致暗计数高，噪声大，而且由缺陷引入的后脉冲现象严重，长的死时间使得系统的计数率大幅降低。超导纳米线单光子探测器对接近1100nm处的近红外光具有高的探测效率，为解决硅基集成的单光子探测问题，其将超导纳米线嵌入硅波导中，实现了片上的非经典光子的光子相关测量。然而，由于超导纳米线与硅基波导光场模式不匹配，温度为3k下系统的平均单光子探测效率仅为10％，这与没有集成的超导纳米线的探测效率(可高达95％以上)相比，器件性能受到很大的影响。此外，受到超导纳米线工作原理的限制，芯片工作温度通常小于4k，需要配备体积庞大、成本昂贵的制冷系统，导致其应用领域严重受限。

3、此外，硅材料晶格完整，电子空穴离化系数比高，但受到硅材料禁带宽度本征限制，即受到硅材料对接近1100nm处的近红外光吸收系数小的限制，硅单光子探测器对接近1100nm处的近红外光的探测效率较低，导致硅单光子探测器的应用受限。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种片上集成硅单光子探测器及其制备方法，用以解决硅单光子探测器难以片上集成的问题，同时解决了因硅材料对接近1100nm处的近红外光吸收系数小导致的探测效率低的技术问题。

2、本技术实施例为解决上述技术问题提供如下技术方案：

3、本技术实施例提供了一种片上集成硅单光子探测器，包括：

4、氮化硅波导，所述氮化硅波导用于接收并传输入射光，所述入射光的波长为300nm-1100nm；

5、硅导模探测器，所述硅导模探测器的长度方向与所述氮化硅波导内的光传输方向一致，所述硅导模探测器的宽度方向与所述硅导模探测器通电时所述硅导模探测器内的电流方向一致；所述硅导模探测器与所述氮化硅波导间隔设置，且所述氮化硅波导位于所述硅导模探测器高度方向的上部，所述硅导模探测器用于接收所述氮化硅波导耦合来的入射光，以及当所述硅导模探测器通电时，用于将所述入射光转换为电信号。

6、本技术实施例的有益效果：本技术实施例提供的片上集成硅单光子探测器通过硅导模探测器与氮化硅波导间隔设置且氮化硅波导位于硅导模探测器高度方向的上部，以使氮化硅波导内传输的光能够耦合至硅导模探测器内，硅导模探测器的电流方向与硅导模探测器的宽度方向相同，进入硅导模探测器的光沿垂直于硅导模探测器内电流方向进入硅导模探测器，硅导模探测器内光的方向与电流的方向垂直，因此，硅导模探测器可以在保证硅导模探测器内电场分布的前提下通过增加硅导模探测器的长度来增加硅导模探测器对接近1100nm处的近红外光的吸收量，一旦硅导模探测器中产生光生电荷，其就会在电场作用下分离并发生碰撞电离，实现信号放大，由此解决了因硅材料对接近1100nm处的近红外光吸收系数小导致的探测效率低的技术问题；其次，本技术实施例提供的片上集成硅单光子探测器结构简单，且氮化硅波导和硅导模探测器可以集成于同一衬底上，使得本技术实施例提供的片上集成硅单光子探测器能够满足集成化、小型化光电器件的需求。

7、在一种可能的实施方式中，还包括光栅耦合器和模斑转换结构，所述模斑转换结构连接于所述光栅耦合器和所述氮化硅波导之间，所述模斑转换结构用于转换所述光栅耦合器的模斑尺寸，所述光栅耦合器用于接收并传输入射光；

8、入射至所述光栅耦合器的入射光经所述光栅耦合器和所述模斑转换结构的传输后入射至所述氮化硅波导。

9、在一种可能的实施方式中，所述硅导模探测器包括雪崩区、吸收区、p型欧姆接触区、n型欧姆接触区、p型欧姆接触电极和n型欧姆接触电极；

10、所述p型欧姆接触电极设置于所述p型欧姆接触区的上部，所述n型欧姆接触电极设置于所述n型欧姆接触区的上部；

11、所述n型欧姆接触区、所述雪崩区、所述吸收区、所述p型欧姆接触区沿所述硅导模探测器的宽度方向依次排列。

12、在一种可能的实施方式中，所述氮化硅波导位于所述吸收区的上方，且所述氮化硅波导在所述吸收区上的正投影位于所述吸收区的内部。

13、在一种可能的实施方式中，所述硅导模探测器与所述氮化硅波导之间设置有支撑层，所述支撑层的厚度小于60nm；

14、所述支撑层的折射率小于氮化硅，且所述支撑层的折射率小于硅。

15、在一种可能的实施方式中，所述支撑层为二氧化硅层。

16、本技术实施例还提供了一种片上集成硅单光子探测器的制备方法，包括如下步骤：

17、在硅衬底上沉积一层第二二氧化硅层，所述第二二氧化硅层的厚度小于60nm，所述硅衬底包括依次堆叠设置的第一硅层、第一二氧化硅层和第二硅层，所述第二二氧化硅层沉积于所述第二硅层的上部；

18、对所述第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构；

19、在第二二氧化硅层上沉积一层第一氮化硅层；

20、刻蚀掉部分第一氮化硅层以形成氮化硅波导，所述氮化硅波导的长度方向与所述硅衬底的长度方向相同，进入所述氮化硅波导内的光沿所述氮化硅波导的长度方向传输；

21、刻蚀掉位于所述硅导模探测器初始结构上部的部分第二二氧化硅层，在刻蚀掉部分第二二氧化硅层的硅导模探测器初始结构上制备电极结构，以形成硅导模探测器，所述硅导模探测器通电时，电流的方向与所述硅导模探测器的宽度方向相同，所述氮化硅波导位于所述硅导模探测器初始结构对应未刻蚀掉第二二氧化硅层的部分上。

22、本技术实施例提供的片上集成硅单光子探测器的制备方法的有益效果与上述片上集成硅单光子探测器的有益效果相同，在此不再赘述。

23、在一种可能的实施方式中，对所述第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构的方法为：

24、沿所述硅衬底的长度方向，所述硅衬底至少包括第一部分，沿硅衬底的宽度方向，所述第一部分至少包括依次排列的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域；

25、对所述第二区域进行掺杂处理，使该区域的第二硅层内掺入硼，以形成雪崩区；

26、对所述第三区域不进行处理，以形成吸收区；

27、对所述第一区域进行掺杂处理，使所述第一区域的第二硅层内掺入磷，以形成n型欧姆接触区；

28、对所述第四区域进行掺杂处理，使所述第四区域的第二硅层内掺入硼，以形成p型欧姆接触区。

29、在一种可能的实施方式中，在步骤刻蚀掉位于所述硅导模探测器初始结构上部的部分第二二氧化硅层，在所述硅导模探测器初始结构对应刻蚀掉第二二氧化硅层的部分上制备电极结构中，所述电极结构为p型欧姆接触电极和n型欧姆接触电极；

30、在该步骤中，刻蚀掉位于所述n型欧姆接触区和所述p型欧姆接触区上部的第二二氧化硅层，在p型欧姆接触区制备p型欧姆接触电极，在n型欧姆接触区制备n型欧姆接触电极。

31、在一种可能的实施方式中，沿所述硅衬底的长度方向，所述硅衬底包括第一部分和第二部分，沿硅衬底的宽度方向，将所述第一部分依次分为第一区段、第二区段和第三区段；

32、在步骤在硅衬底上沉积一层第二二氧化硅层和步骤对所述第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构之间，还包括在所述第二二氧化硅层上生长一层第二氮化硅层；刻蚀掉所述第二部分、所述第一区段和所述第三区段处的第二氮化硅层、第二二氧化硅层和第二硅层；在所述第二部分、所述第一区段和所述第三区段上沉积二氧化硅形成第三二氧化硅层；去除位于第二区段上的第二氮化硅层；

33、在步骤对所述第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构中，对位于第二区段的第二硅层进行处理，以形成硅导模探测器初始结构；

34、在步骤在第二二氧化硅层上沉积一层第一氮化硅层中，所述第一氮化硅层沉积于所述第二二氧化硅层和第三二氧化硅层上；

35、在步骤刻蚀掉部分第一氮化硅层以形成氮化硅波导中，刻蚀掉部分第二氮化硅层以形成氮化硅波导、楔形模斑转换结构和光栅耦合器，所述楔形模斑转换结构位于所述氮化硅波导和所述光栅耦合器之间，入射光能够自所述光栅耦合器入射并传输至氮化硅波导内。