[发明专利]单光子雪崩检测器、其使用方法及其制造方法

说明书

提出了一种单光子雪崩二极管(SPAD)器件。该SPAD器件包括：基于Si的雪崩层，其形成在n型半导体接触层上；p型电荷片层，其形成在雪崩层中或雪崩层上，该p型电荷片层具有面内宽度；基于Ge的吸收体层，其形成在电荷片层和/或雪崩层上并与电荷片层交叠，基于Ge的吸收体层具有面内宽度；其中，基于Ge的吸收体层的面内宽度至少在一个面内方向上大于p型电荷片层的面内宽度。

技术领域

本发明涉及单光子雪崩检测器(SPAD)，尤其但非排他地涉及被设计成在1300nm与1600nm(SWIR)或1300nm与1700nm之间的波长下操作的单光子雪崩检测器。本发明涉及这样的检测器的阵列，并且涉及这样的检测器或阵列的使用方法以及制造这样的检测器或阵列的方法。

背景技术

1310nm和1550nm波长的单光子检测器被广泛的应用所需求，包括量子光学、量子增强成像、通过光纤的量子通信以及用于汽车和自动驾驶车辆的LIDAR(光检测与测距)。对于成像和测距应用，1500nm至1600nm波长之间的操作尤为重要，因为这是一个大气窗口，与包含光谱的可见光部分的较短波长相比，水蒸气在该窗口中没有强烈地吸收光或散射光。与可见光相比，烟[54]、烟雾[15]、雾霾[16]在该窗口中的透明度都得到了改善。与可见光波长相比，在可见光波长中作为背景信号的太阳辐射在1550nm处显著减小[14]。由于与可见光和近红外光相比，1400nm以上的波长具有增加的激光安全阈值[13]，因此有源系统诸如LIDAR中光源的光功率在1550nm的波长处也可以比可见光波长增加至少20倍，从而改善系统中的信噪比。因此，与可见光波长相比，尤其是在存在大多数遮蔽物的情况下，LIDAR在1550nm处的性能有了极大的提高。

一些报告指出，2016年LIDAR市场价值5.8亿美元(主要是地理和信息系统外加具有CMOS图像传感器和机器人技术的军事系统，约占市场的40％)，预计到2022年将增长到12亿美元，其中车用LIDAR将占市场的16％。能够为车辆提供50美元的车用LIDAR系统将具有重大商业利益。利用全硅光学检测器的许多可见光或接近可见光(例如905nm或940nm)的LIDAR系统已经可用于汽车和自动驾驶车辆。

硅CMOS SPAD可商购获得，并在高达940nm的可见光范围内操作，在该范围内由于硅间接带隙而导致单光子检测效率(SPDE)低(≤10％)[12]。目前，在233K下使用Peltier冷却器进行操作的波长在1310nm至1550nm的仅可商购获得的单光子检测器是InGaAs/InPSPAD设备，单个像素模块的成本约为2万英镑。这些InGaAs/InP SPAD设备的成像阵列的成本≥10万英镑，并且受ITAR(美国监管制度)限制。需要在8K以下进行低温操作且通常每个价格为8万英镑的超导单光子检测器也已经可商购获得，但制冷机(cryo-cooler)体积庞大且需要大的功率，这限制了制冷机用于便携式应用的能力。两种技术都很昂贵，而特别是对于汽车和自动驾驶车辆的市场需求通常是针对低成本(约50美元)系统，即使是大批量，现有技术也将很难达到该低成本系统。

期望能够生产如下单光子检测器设备：能够被大量制造以批量生产具有上述市场所需性能的廉价产品。

鉴于以上考虑而设计了本发明。

发明内容

本发明人已经认识到，使用平面型硅上锗SPAD架构可以提供显著的性能。这构成了本发明的总体方面。据知平面型硅上锗SPAD架构通过在Ge吸收体层中提供电场的侧向限制同时利用便宜的硅上锗平台而提供比台面型平面型硅上锗SPAD架构更好的性能。

因此，在第一优选方面，本发明提供了单光子雪崩二极管(SPAD)器件，该器件包括：

基于Si的雪崩层，其形成在n型半导体接触层上；

p型电荷片层，其形成在雪崩层中或雪崩层上，该p型电荷片层具有面内宽度；

基于Ge的吸收体层，其形成在电荷片层和/或雪崩层上并与电荷片层交叠，该基于Ge的吸收体层具有面内宽度；