[发明专利]一种负反馈型单光子雪崩光电二极管及其制作方法

说明书

本发明涉及半导体光电子技术领域，具体涉及一种负反馈型单光子雪崩光电二极管及其制作方法，包括：衬底、缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层和帽层，衬底下方设置有入射光窗和N电极，N电极对称分布在入射光窗周围；衬底上方依次设置缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层和帽层；帽层上设置有阶梯结构P型掺杂区，P型掺杂区上生长有P电极；帽层上表面设置有介质膜，介质膜的中部设置有半封闭回旋环状结构的负反馈电阻，介质膜上设置有焊盘，负反馈电阻一端与P电极相连，另一端与焊盘相连。本发明能够实现单光子雪崩光电二极管SPAD盖革雪崩的快速淬灭、快速恢复，提升SPAD的光子探测速率、降低后脉冲效应，且具备到达时间不预测光子探测功能。

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，具体涉及一种负反馈型单光子雪崩光电二极管及其制作方法。

背景技术

随着量子保密通信、单光子检测、激光测距等技术的不断发展，单光子探测器得到了快速的发展和广泛的应用。单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)用于光子信号的检测，是单光子探测器的核心芯片之一。

为了实现单光子探测，基于分离吸收、电荷、倍增(SeparateAbsorptionChargeMultiplication，SACM)结构的SPAD须工作在盖革模式，即SPAD两端的电压在其雪崩电压之上。在盖革模式下，SPAD探测的光子信号，输出宏观可检测的电信号，但持续工作在盖革模式，SPAD不仅会被击穿造成损坏，而且不能探测后续入射的光子信号。为实现探测器的连续工作，降低SPAD两端外加雪崩电压，淬灭SPAD的盖革雪崩倍增为有效方法之一。目前单光子探测器主要有三种淬灭模式：门控淬灭模式、主动淬灭模式、被动淬灭模式。

在门控淬灭模式中，SPAD两端施加一个电压脉冲，在门脉冲宽度内，对光子进行探测。当光子到达时间可预知时，能够实现GHz的高探测速率。

在主动淬灭模式中，主动淬灭电路通过探测雪崩信号的上升沿后，拉低SPAD的偏置电压，淬灭盖革雪崩。主动淬灭适合光子达到时间不可预测的单光子探测，但是受限主动淬灭电路反应时间限制，盖革雪崩持续时间维持在ns量级，不仅增加SPAD的后脉冲概率，还不能实现GHz的高速探测。

在被动淬灭模式中，SPAD上串联一个较大的电阻，当SPAD发生雪崩效应时，雪崩电流导致负反馈电阻两段的电压增大，从而使得SPAD两端的偏置电压下降至击穿电压以下，淬灭盖革雪崩。被动淬灭适合光子达到时间不可预测的单光子探测，但是受寄生参数的影响，淬灭时间和盖革雪崩恢复时间均较长，被动淬灭电路一般应用在探测频率较低，探测精度要求不高的情况下。

发明内容

为解决被动淬灭模式下受寄生参数影响的淬灭时间、恢复时间较长的问题，本发明提供一种负反馈型单光子雪崩光电二极管及其制作方法。

一种负反馈型单光子雪崩光电二极管，包括：衬底、缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层和帽层，衬底下方设置有入射光窗和N电极，且N电极对称分布在入射光窗周围；衬底上方依次设置缓冲层、吸收层、渐变层、电荷层和帽层；帽层上部中间位置设置有阶梯结构的P型掺杂区，所述P型掺杂区上表面的中间区域生长有P电极；帽层上表面设置有一层介质膜，且所述介质膜覆盖所述P电极；介质膜的中部设置有半封闭回旋环状结构的负反馈电阻，介质膜上设置有焊盘，负反馈电阻一端与P电极相连，另一端与焊盘相连。

进一步的，负反馈电阻采用半封闭回旋环状结构，以提高电阻值、降低寄生参数，负反馈电阻外侧端与焊盘相连，以便信号引出。

进一步的，所述负反馈电阻采用高电阻率材料，包括CrSi、NiCr或a-Si中的任意一种或多种的组合。

进一步的，半封闭回旋环状结构负反馈电阻分布在P电极周围，且负反馈电阻的半封闭回旋环内侧端与P电极连接。