[发明专利]量子点宽谱单光子探测器及其探测方法

说明书

技术领域：

本发明属于光学探测中的弱光信号探测技术领域，特别涉及一种量子点宽谱单光子探测器及其探测方法。

背景技术：

单光子是能够被传输的最弱光信号，在天文、量子通信、激光信号和生物医学检测等领域有广泛的应用，可观察单分子或单原子行为，也可应用于量子密钥分配技术中。在量子通信中，基于量子密钥分配通信技术，利用单光子的量子态进行编码，根据海森堡测不准原理，可实现信息的绝对保密传输，在信息通信中具有很强优势。传统的单光子探测器，国内外通常使用光电倍增管(PMT)，具有高增益、光敏面大和暗电流小优点，但工作在上千伏高电压，易受磁场影响，系统体积大，近红外波段探测效率低，由通常可见光500nm的40％探测效率跌落至1550nm的2％。近年来光电倍增管逐渐由工作在盖革模式下的半导体雪崩光电二极管单光子探测器代替，主要有硅雪崩二极管单光子探测器，InGaAs雪崩二极管单光子探测器等。但是这些单光子探测器都只能探测某一个波段，不能同时实现多波段探测。

雪崩光电二极管单光子探测器基于半导体PN结，在反向偏压高于器件击穿电压的盖革模式下工作，光子被吸收后，光生载流子在反向偏压下加速碰撞引发增益雪崩，导致可侦测的大电流。硅雪崩光电二极管单光子探测器在可见光波段有很高的量子探测效率和低噪音，在600nm，探测效率可以高到70％，但是在红外波段的探测却较为困难。通常在红外波段用InGaAs/InP雪崩光电二极管、超导纳米线或上转换等探测器实现，但这样的探测器通常探测效率不高，只能达到接近20％的探测效率，而且由于暗计数率高，需工作在极低温度下，无法实现室温探测。

在各种半导体材料的雪崩二极管单光子探测器，硅雪崩二极管单光子探测器技术最为成熟，Perkin-Elmer等公司已实现商用化，在可见光波段探测效率高。但由于硅材料本身的禁带宽度1.12eV，截止探测波长为1100nm，不适合红外光子探测。但硅材料是标准集成电路CMOS制程工艺所选材料，硅器件便于与其他光电器件集成在同一个芯片上。因此如何结合硅雪崩二极管单光子探测器的高增益性和能够探测红外波段的光敏材料结合，就成为研究和市场热点

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种量子点宽谱单光子探测器及其探测方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种量子点宽谱单光子探测器，包括：光吸收层、雪崩倍增结构层；所述光吸收层包括量子点层、多孔硅层，所述量子点层下方设置有多孔硅层；所述量子点层，用于吸收光子；所述多孔硅层，用于作为量子点吸收光子的宿主材料；所述雪崩倍增结构层为平面型硅雪崩二极管，可实现低压工作模式；而且与CMOS工艺兼容；所述硅雪崩二极管设置在多孔硅层下方，所述硅雪崩二极管包括重掺杂N+型层、重掺杂P+型层、P型层、重掺杂P型掩埋层、N型硅衬底、Au阴极、Au阳极、重掺杂P+区、重掺杂N++区；所述P型层长在重掺杂P型掩埋层上，所述重掺杂P型掩埋层，用于确保电流通路的低阻，在结构底部形成电极层；所述重掺杂N+型层嵌入P型层，用于制造出盆型区，形成虚拟保护环；所述P型层内注入重掺杂P+型层，用于决定有源区；所述重掺杂P+区10热沉提供了电极接触；所述Au阴极8、Au阳极9形成电极；所述重掺杂N++区长在N型硅衬底上，用于将单光子探测器与芯片上周围器件电学隔离。

优选地，上述技术方案中，重掺杂N+型层和重掺杂P+型层构成的PN结形成长耗尽区，用于增益雪崩放大。

优选地，上述技术方案中，量子点层为PbS量子点层，可探测可见到红外波段的双波段宽光谱。

量子点宽谱单光子探测器的使用方法，其步骤为：

(1)可见光到红外波段的单光子入射到器件有源区，量子点层吸收光子后产生激子，激子在受到量子点与多孔硅层异质材料界面的突变电场作用后发生分离，形成电子空穴对，载流子在电场作用下朝电极运动；

(2)器件在盖革模式的反偏电压下，重掺杂N+型层和重掺杂P+型层构成的PN结形成长耗尽区，当载流子运动到此处，在高电场作用下加速碰撞形成更多载流子，增益放大，最后形成可侦测电流。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：