[发明专利]一种单光子雪崩二极管及其制备方法

说明书

本公开涉及一种单光子雪崩二极管及其制备方法，该单光子雪崩二极管包括：衬底层、器件层以及非周期性光栅；器件层内嵌于衬底层内，非周期性光栅设置于器件层未被衬底层包覆的表面；非周期性光栅用于使入射的光线发生衍射和共振耦合；器件层用于将入射光信号进行光电响应生成电信号。由此，通过设置衬底层、器件层以及非周期性光栅，形成具有非周期性光栅的单光子雪崩二极管，基于非周期性光栅对入射的光线的衍射和共振耦合作用，将光耦合到器件层提升了光子吸收效率，增强了光吸收效果，利于单光子雪崩二极管实现高灵敏度的光电探测。

技术领域

本公开涉及半导体光电子技术领域，尤其涉及一种单光子雪崩二极管及其制备方法。

背景技术

基于硅的单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）是一种工作在盖格模式下的单光子器件，由于其具有单光子计数灵敏度和超快时间分辨率，所以可以用于检测和准确测量可见光谱(波长在400nm-600nm)中的光子。但由于硅材料对于波长在近红外（Near Infrared，NIR）区域（波长在800nm-1000nm）的光子吸收效率较低，因此单光子雪崩二极管在近红外区域的性能仍有待提高。

其中，现有技术中大多是通过增加耗尽层厚度来提升光子吸收效率的，但是过厚的耗尽层需要更高的电场强度，使得工作电压变高，导致器件功率变大，同时耗尽层过厚会使得器件的抖动时间增加，导致光子分辨率降低。此外，现有技术中还使用周期性金属光栅来提升器件性能，但是传统的周期性金属光栅结构由于其对称性的限制，使得一些共振不能被耦合进入射光，导致光吸收效果减弱。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种单光子雪崩二极管及其制备方法。

本公开提供了一种单光子雪崩二极管，包括：衬底层、器件层以及非周期性光栅；

所述器件层内嵌于所述衬底层内，所述非周期性光栅设置于所述器件层未被所述衬底层包覆的表面；

所述非周期性光栅用于使入射的光线发生衍射和共振耦合；

所述器件层用于基于入射光信号进行光电响应生成电信号。

可选地，所述衬底层包括交替设置的硅层和二氧化硅层，以形成谐振腔；或者，所述衬底层为硅层；

其中，包覆所述器件层的为硅层。

可选地，所述非周期性光栅为非周期性金属光栅。

可选地，所述非周期性光栅包括间隔设置的遮光部，相邻的两个所述遮光部之间设置镂空部；

其中，在垂直于所述遮光部的延伸方向上，至少两个所述遮光部的宽度不相等，和/或，至少两个所述镂空部的宽度不相等。

可选地，该单光子雪崩二极管还包括钝化层；

所述钝化层设置于所述非周期性光栅和所述器件层之间，用于保护所述器件层。

本公开还提供了一种单光子雪崩二极管的制备方法，用于制备以上任一种所述的二极管；所述方法包括：

提供衬底层；

在所述衬底层的一侧表面内嵌形成器件层；

在所述器件层未被所述衬底层包覆的表面形成非周期性光栅。

可选地，所述提供衬底层，包括：

提供硅层；

或者所述提供衬底层，包括：

提供硅层；

在硅层一侧交替形成二氧化硅层和硅层，且以硅层结束。

可选地，所述在所述器件层未被所述衬底层包覆的表面形成非周期性光栅，包括：

在所述器件层未被所述衬底层包覆的表面形成遮光层；

对所述遮光层进行图案化处理，保留遮光部，以形成所述非周期性光栅；