CN105679875B - 一种波导集成的硅基单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波导集成的硅基单光子探测器，属于半导体探测技术领域。该探测器包括SiN光波导、光纤‑波导模斑耦合器和P+IP‑IN+结构的硅雪崩二极管，所述光纤‑波导模斑耦合器包括SiO2悬空波导、SiN反锥形波导和SiO2支撑臂，P+IP‑IN+结构的硅雪崩二极管呈叠层状结构，P+IP‑IN+结构的硅雪崩二极管包括从上至下的P型欧姆接触电极、光吸收层、P型掺杂层、倍增区、N型欧姆接触电极、埋氧层和硅衬底，硅衬底顶部端面设有悬空的SiO2悬空波导，SiO2悬空波导输出端面连接SiN反锥形波导，SiN反锥形波导与SiN光波导相连并位于相同平面，SiN光波导另一端连接光吸收层3中的吸收区相连并处于同一平面。本发明使目前量子通信中空间光路在硅基芯片上通过波导结构实现，降低量子通信操作难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种波导集成的硅基单光子探测器，属于半导体探测技术领域。
背景技术
量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式，是量子论和信息论相结合的研究新领域。量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性，在国家安全、军事、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景, 已经逐步成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。单光子探测器是目前光量子通信中的重要组成部分。单光子探测器的性能，如量子效率、噪音、探测速率等，决定量子通信的***性能与成败。目前使用的单光子探测器，无论是光电倍增管、面接收型半导体雪崩二极管、基于临界温度或临界电流密度的超导探测器，还是基于量子点的单光子探测器，虽然能够部分实现当前自由空间量子通信实验，但还有很大的局限性，不但严重影响量子通信***的质量，还浪费大量的人力、物力。光电倍增管需要超过千伏的操作电压，而且量子效应低，体积大、性能不稳定。面接收型硅基半导体雪崩二极管需要接近20μm厚的硅吸收层提高量子效应，其盖革模式下偏置电压过高，同时降低了器件的响应速率；或者降低吸收层硅厚度来提高响应速率，但牺牲了量子探测效应。面接收型GaAs基半导体雪崩二极管由于材料自身的缺陷，其盖革模式下偏置电压下暗计数过高；在低温下操作此探测器可以降低暗计数，但加剧了后脉冲效应。基于超导材料和量子点的单光子探测器都在超低温下操作，需要复杂而又昂贵的超低温冷却***，而且临界温度超导探测器其响应速率过低、临界电流密度超导探测器灵敏度小且制作难度过大。以上各种单光子探测器最大的缺点是难以实现在片上与波导光路、***电路的有效集成，不利于实现量子通信***的小型化和高稳定性，难以降低成本进行大范围实用化。
硅材料制备工艺成熟，价格低廉、材料本身的缺陷低，能够对400nm~1100nm波长的单光子实现有效探测。硅基雪崩二极管探测器具有体积小、功耗低、量子效应高、响应速度快的特点。硅基探测器工艺与CMOS集成电路工艺完全兼容，能够实现与探测器***电路的单片集成，降低芯片的尺寸、提高芯片的多功能性和稳定性。同时，硅基纳米波导器件的研究日趋成熟，已经能够在芯片上实现光信号的分束/合束、波分复用、滤波、衰减、增益、延迟、高速调制、高速探测等功能。而且，硅基纳米波导能够实现与光纤低损耗耦合，使集成芯片具有与光纤网络进行有效连接的能力。因此，硅基光电子集成技术可以为量子通信和光互联的发展提供一种可行性方案。由此可见，新型纳米波导集成的硅基单光子探测器，拥有在芯片上进行量子信息传输与探测的能力，并具有使用CMOS工艺与***电路进行集成的潜力。SiN波导在可见光和近红外波段具有极低的传输损耗，并能实现与光纤的低损耗耦合，因此，采用SiN材料制作纳米波导用于光量子信号传输，SiN波导与硅基雪崩二极管吸收区进行低耦合损耗集成，光信号在硅吸收区横向传输并被吸收（不同于光在面接收型硅基二极管纵向传输），有利于克服面接收型硅基二极管厚吸收区的不利设计，能够在维持高光电转换效率的基础上实现低操作电压、低暗电流和更快的响应速率。该芯片可以使用800nm波段的光信号进行传输探测，且该波长信号在光纤中也可以实现低损耗传输，也可以采用目前使用的光纤通信波长信号通过频率向上转换技术实现硅基雪崩二极管单光子探测。
从国内外情况来看，面接收型硅基雪崩二极管探测器在国外发展较成熟，已经有相关产品可用于单光子探测；而国内在该芯片的研制上少见有报道，多是通过购买国外的产品来组建***实现单光子探测。从面接收型硅基雪崩二极管探测器性能上看，其光电探测效率与器件的响应速率、暗电流相互制约。采用厚的耗尽层结构，有助于提高其光电探测效率，但会降低器件的响应速率和增大暗电流；减小耗尽层厚度，又会使其光电探测效率降低。从芯片集成的角度看，面接收型硅基雪崩二极管探测器虽然可以满足自由空间或光纤的单光子探测，但整个光路的构建复杂、体积庞大，稳定性差。波导集成的硅基单光子探测器，可以用波导结构器件代替自由空间或光纤的光路，并与硅基二极管探测器进行单片集成，实现了波导输出的光在探测器耗尽层进行光电转换。由于此结构中光是平行于结面传输，不但可以保持高的光电转换效率条件下显著减小吸收层硅厚度和吸收层面积，也可以提高器件的响应速度和降低暗电路。该结构可以具有与CMOS集成电路进行集成的潜力。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种波导集成的硅基单光子探测器。本硅基单光子探测器解决了现有基于自由空间光学平台的量子通信测试***带来的体积庞大、高成本和易受干扰的问题以及量子通信测试***难以与当前光网络连接的问题，本发明通过以下技术方案实现。
一种波导集成的硅基单光子探测器，包括SiN光波导1、光纤-波导模斑耦合器和P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管，所述光纤-波导模斑耦合器包括SiO2悬空波导9、SiN反锥形波导10和SiO2支撑臂11，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管呈叠层状结构，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管包括从上至下的P型欧姆接触电极2、光吸收层3、P型掺杂层4、倍增区5、N型欧姆接触电极6、埋氧层7和硅衬底8，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的硅衬底8顶部端面设有通过SiO2支撑臂11支撑并悬空的SiO2悬空波导9，SiO2悬空波导9输出端面连接SiN反锥形波导10，SiN反锥形波导10与SiN光波导1一端相连并位于相同平面内，SiN光波导1另一端连接P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的光吸收层3中的吸收区相连并处于同一平面。
所述SiN光波导1厚度为200~1000nm，宽度为300~1000nm。
所述SiN光波导1与硅衬底8距离大于1µm，以消除硅衬底8对SiN波导1中传输光信号的吸收。SiN波导的输出端直接与P+IP-IN+结构的硅基雪崩二极管的光吸收层3吸收区相连，SiN波导水平位置约为硅基雪崩二极管的吸收区高度的中心。
所述SiO2悬空波导9分为依次连接的SiO2直波导和SiO2锥形波导，SiO2锥形波导连接SiN光波导1。
所述SiO2直波导尺寸与标准光纤相同，尺寸为10µm×10µm，够与光纤实现低损耗耦合；SiO2锥形波导尺寸为10µm×3µm，能够实现光场的压缩。压缩后的光场与SiN反向锥形波导10的光场相匹配，实现SiO2锥形波导与SiN反向锥形波导10的低损耗光耦合。
所述SiN反锥形波导10的芯层为SiN波导，其包层为相对低折射率的SiO2材料；为实现低损耗耦合，SiN端面的宽度小于100nm。此光纤-波导模斑耦合器为悬空结构，目的是采用空气作为SiO2直波导和SiO2锥形波导的包层，实现光信号在两种SiO2波导中低损耗传输。悬空的光纤-波导模斑耦合器由SiO2支撑臂11支撑。
所述光吸收层3的厚度为1~2µm。
上述P+IP-IN+结构的硅基雪崩二极管中P型欧姆接触电极2由高掺杂B等离子形成，与金属正极相连。光吸收层3吸收层厚度约为1~2µm，能对来自SiN光波导1进行吸收从而产生载流子。P型掺杂层4是由低掺杂B等离子形成；倍增区5厚度约几个微米，能够实现对载流子的加速，产生雪崩现象。N型欧姆接触电极6由高掺杂的P离子形成，与金属负极相连。
上述波导集成的硅基单光子探测器，其主要特征在于实现输入光的横向注入，从而有效减小光吸收层3的厚度。传统的面接收型硅基雪崩探测器为得到高的光电转换效率，吸收层的厚度一般约为20~30µm，从而导致极高的雪崩电压，通常超过200V；这种高的雪崩电压会导致载流子的隧道效应，使得暗电流过大，无法实现单光子探测。同时，传统的面接收型硅基雪崩探测器为了实现与光纤或自由空间的光低损耗耦合，其结面积一般超过100µm2，过大的结面积同样产生大的暗电流，同时其寄生电容过高而致使响应速度过低。本发明的波导集成的硅基单光子探测器可以有效解决传统的面接收型硅基雪崩探测器的不足，可以实现高光电转换效率的同时使吸收层厚度降至1~2µm，降低雪崩电压，同时结面积降至几十平方微米，有效减小暗电流，提高响应速度。
该波导集成的硅基单光子探测器的工作原理为：光纤输出的光信号经过光纤-波导模斑耦合器输入端面耦合进入耦合器的SiO2悬空波导9，光信号的模场经过SiO2悬空波导9的SiO2锥形波导产生有效压缩，使光信号的模场与SiN反锥形波导10匹配并耦合进入SiN波导1，经SiN波导1传输后光信号耦合进入硅基雪崩二极管光吸收层3被吸收并产生光生载流子，载流子在倍增区5被放大，进而由接触电极输出被外部电子设备探测。
采用SOI晶片，基于SiN波导制作工艺和硅基雪崩探测器的结构与制作工艺，可以实现本发明提出的波导集成的硅基单光子探测器。主要集成工艺流程如下。
步骤一：集成芯片基于SOI晶片，首先通过光刻、刻蚀工艺形成独立Si的图形；经除去光刻胶并清洗后，在硅图形上采用PECVD沉积薄层（~100nm）的SiO2层减少离子注入掺杂引入缺陷，采用注入掺杂磷离子形成N+的欧姆接触电极。
步骤二：经HF溶液去掉N+掺杂的SiO2掩护层，沉积一厚层SiO2作为SiN波导的下包层。采用反刻蚀SiO2和CMP工艺，得到光滑平整的SiO2表面，即SiN波导层的下表面。采用LPCVD方法，沉积SiN，并经抛光SiN上表面形成表面光滑的SiN波导层。采用光刻、刻蚀SiN工艺，形成SiN波导结构。
步骤三：在SiN波导上面沉积一层SiO2材料用于SiN波导上包层，通过光刻、刻蚀SiO2/SiN/SiO2，形成用于Siepi槽。在刻蚀SiN过程中，选用CF4为主的刻蚀气体，使SiN和SiO2刻蚀速率相当；同时干法刻蚀底层SiO2时，为防止干法刻蚀伤及下层硅的表面不利于后面的外延工艺，保留一薄层SiO2层采用湿法除去。
步骤四：采用原位掺杂的方式外延硅基探测器的倍增区，由于SiO2材料可以作为掺杂工艺的掩护层，所以此处不需要进行光刻工艺。为得到好的外延层质量，在外延工艺前采用HF+SC1对晶片进行清洗。
步骤五：倍增区外延层生长后，用PECVD方法沉积一薄层SiO2，用于掺杂的防护层。采用光刻、掺杂工艺，对外延层进行低能量硼离子掺杂，形成P-掺杂层，掺杂后采用湿法除去SiO2防护层。
步骤六：经外延前清洗后，继续原位掺杂外延形成硅基探测器的吸收层。采用SiCMP工艺形成光滑的Si表面。经清洗后，再沉积一层SiO2掺杂保护层采用硼离子注入形成P+欧姆接触电极。
步骤七：经退伙活化工艺后，用湿法除去SiO2保护层，再沉积一厚层SiO2层作为SiN波导上包层的一部分，同时也可以用于硅基探测器的上表面保护层。分别采用光刻、刻蚀SiO2，形成硅基探测器的上、下引线孔。经金属沉积前的清洗后，沉积TaN/Al的金属层，其中TaN可以有效阻止Al在硅材料中的扩散。再经光刻、金属刻蚀工艺，得到金属电极。
步骤八：经光刻在晶片上形成模斑转换器的图形，首先采用深SiO2干法刻蚀，停在硅衬底上。再使用SF6各向同性干法刻蚀，形成悬空的模斑转换器；然后采用SF6+C4F8各向异性干法刻蚀形成超过100微米的深刻蚀槽，用以取代抛光工艺。此集成工艺中采用先制作硅基雪崩探测器基座，再集成SiN波导结构，进而通过外延形成探测器的倍增区和吸收区。此工艺能够使SiN波导与硅基探测器的吸收区紧密相连，有利于光信号在吸收区中的吸收。
本发明的有益效果是：本发明可以使目前量子通信中空间光路在硅基芯片上通过波导结构实现，降低量子通信中的操作难度，同时本发明可以采用常规的CMOS工艺进行加工制作，其工艺与CMOS工艺完全兼容，从而能够实现与单光子探测***的***电路进行单片集成，不但性能更加稳定，而且可以实现低成本，有助于量子通信的广泛应用。本发明在在军事、医疗、生物、通信等研究领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明三维结构示意图；
图2是本发明主视示意图；
图3是本发明俯视示意图。
图中：1-SiN光波导，2-P型欧姆接触电极，3-光吸收层，4-P型掺杂层，5-倍增区，6-N型欧姆接触电极，7-埋氧层，8-硅衬底，9-SiO2悬空波导，10-SiN反锥形波导，11-SiO2支撑臂。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1至3所示，该波导集成的硅基单光子探测器，包括SiN光波导1、光纤-波导模斑耦合器和P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管，所述光纤-波导模斑耦合器包括SiO2悬空波导9、SiN反锥形波导10和SiO2支撑臂11，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管呈叠层状结构，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管包括从上至下的P型欧姆接触电极2、光吸收层3、P型掺杂层4、倍增区5、N型欧姆接触电极6、埋氧层7和硅衬底8，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的硅衬底8顶部端面设有通过SiO2支撑臂11支撑并悬空的SiO2悬空波导9，SiO2悬空波导9输出端面连接SiN反锥形波导10，SiN反锥形波导10与SiN光波导1一端相连并位于相同平面内，SiN光波导1另一端连接P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的光吸收层3中的吸收区相连并处于同一平面。
其中SiN光波导1厚度为200nm，宽度为300nm；SiN光波导1与硅衬底8距离大于1µm，以消除硅衬底8对SiN波导1中传输光信号的吸收。SiN波导的输出端直接与P+IP-IN+结构的硅基雪崩二极管的光吸收层3吸收区相连，SiN波导水平位置约为硅基雪崩二极管的吸收区高度的中心。SiO2悬空波导9分为依次连接的SiO2直波导和SiO2锥形波导，SiO2锥形波导连接SiN光波导1。SiO2直波导尺寸与标准光纤相同，尺寸约为10µm×10µm，够与光纤实现低损耗耦合；SiO2锥形波导尺寸约为10µm×3µm，能够实现光场的压缩。压缩后的光场与SiN反向锥形波导10的光场相匹配，实现SiO2锥形波导与SiN反向锥形波导10的低损耗光耦合。所述SiN反锥形波导10的芯层为SiN波导，其包层为相对低折射率的SiO2材料；为实现低损耗耦合，SiN端面的宽度小于100nm。此光纤-波导模斑耦合器为悬空结构，目的是采用空气作为SiO2直波导和SiO2锥形波导的包层，实现光信号在两种SiO2波导中低损耗传输。悬空的光纤-波导模斑耦合器由SiO2支撑臂11支撑。所述光吸收层3的厚度为1µm。
实施例2
如图1至3所示，该波导集成的硅基单光子探测器，包括SiN光波导1、光纤-波导模斑耦合器和P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管，所述光纤-波导模斑耦合器包括SiO2悬空波导9、SiN反锥形波导10和SiO2支撑臂11，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管呈叠层状结构，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管包括从上至下的P型欧姆接触电极2、光吸收层3、P型掺杂层4、倍增区5、N型欧姆接触电极6、埋氧层7和硅衬底8，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的硅衬底8顶部端面设有通过SiO2支撑臂11支撑并悬空的SiO2悬空波导9，SiO2悬空波导9输出端面连接SiN反锥形波导10，SiN反锥形波导10与SiN光波导1一端相连并位于相同平面内，SiN光波导1另一端连接P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的光吸收层3中的吸收区相连并处于同一平面。
其中SiN光波导1厚度为1000nm，宽度为1000nm；SiN光波导1与硅衬底8距离大于1µm，以消除硅衬底8对SiN波导1中传输光信号的吸收。SiN波导的输出端直接与P+IP-IN+结构的硅基雪崩二极管的光吸收层3吸收区相连，SiN波导水平位置约为硅基雪崩二极管的吸收区高度的中心。SiO2悬空波导9分为依次连接的SiO2直波导和SiO2锥形波导，SiO2锥形波导连接SiN光波导1。SiO2直波导尺寸与标准光纤相同，尺寸约为10µm×10µm，够与光纤实现低损耗耦合；SiO2锥形波导尺寸约为10µm×3µm，能够实现光场的压缩。压缩后的光场与SiN反向锥形波导10的光场相匹配，实现SiO2锥形波导与SiN反向锥形波导10的低损耗光耦合。所述SiN反锥形波导10的芯层为SiN波导，其包层为相对低折射率的SiO2材料；为实现低损耗耦合，SiN端面的宽度小于100nm。此光纤-波导模斑耦合器为悬空结构，目的是采用空气作为SiO2直波导和SiO2锥形波导的包层，实现光信号在两种SiO2波导中低损耗传输。悬空的光纤-波导模斑耦合器由SiO2支撑臂11支撑。所述光吸收层3的厚度为2µm。
实施例3
如图1至3所示，该波导集成的硅基单光子探测器，包括SiN光波导1、光纤-波导模斑耦合器和P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管，所述光纤-波导模斑耦合器包括SiO2悬空波导9、SiN反锥形波导10和SiO2支撑臂11，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管呈叠层状结构，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管包括从上至下的P型欧姆接触电极2、光吸收层3、P型掺杂层4、倍增区5、N型欧姆接触电极6、埋氧层7和硅衬底8，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的硅衬底8顶部端面设有通过SiO2支撑臂11支撑并悬空的SiO2悬空波导9，SiO2悬空波导9输出端面连接SiN反锥形波导10，SiN反锥形波导10与SiN光波导1一端相连并位于相同平面内，SiN光波导1另一端连接P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的光吸收层3中的吸收区相连并处于同一平面。
其中SiN光波导1厚度为800nm，宽度为500nm；SiN光波导1与硅衬底8距离大于1µm，以消除硅衬底8对SiN波导1中传输光信号的吸收。SiN波导的输出端直接与P+IP-IN+结构的硅基雪崩二极管的光吸收层3吸收区相连，SiN波导水平位置约为硅基雪崩二极管的吸收区高度的中心。SiO2悬空波导9分为依次连接的SiO2直波导和SiO2锥形波导，SiO2锥形波导连接SiN光波导1。SiO2直波导尺寸与标准光纤相同，尺寸约为10µm×10µm，够与光纤实现低损耗耦合；SiO2锥形波导尺寸约为10µm×3µm，能够实现光场的压缩。压缩后的光场与SiN反向锥形波导10的光场相匹配，实现SiO2锥形波导与SiN反向锥形波导10的低损耗光耦合。所述SiN反锥形波导10的芯层为SiN波导，其包层为相对低折射率的SiO2材料；为实现低损耗耦合，SiN端面的宽度小于100nm。此光纤-波导模斑耦合器为悬空结构，目的是采用空气作为SiO2直波导和SiO2锥形波导的包层，实现光信号在两种SiO2波导中低损耗传输。悬空的光纤-波导模斑耦合器由SiO2支撑臂11支撑。所述光吸收层3的厚度为2µm。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种波导集成的硅基单光子探测器，其特征在于：包括SiN光波导（1）、光纤-波导模斑耦合器和P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管，所述光纤-波导模斑耦合器包括SiO2悬空波导（9）、SiN反锥形波导（10）和SiO2支撑臂（11），P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管呈叠层状结构，P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管包括从上至下的P型欧姆接触电极（2）、光吸收层（3）、P型掺杂层（4）、倍增区（5）、N型欧姆接触电极（6）、埋氧层（7）和硅衬底（8），P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的硅衬底（8）顶部端面设有通过SiO2支撑臂（11）支撑并悬空的SiO2悬空波导（9），SiO2悬空波导（9）输出端面连接SiN反锥形波导（10），SiN反锥形波导（10）与SiN光波导（1）一端相连并位于相同平面内，SiN光波导（1）另一端与P+IP-IN+结构的硅雪崩二极管中的光吸收层（3）的吸收区相连并处于同一平面。
2.根据权利要求1所述的波导集成的硅基单光子探测器，其特征在于：所述SiN光波导（1）厚度为200~1000nm，宽度为300~1000nm。
3.根据权利要求1所述的波导集成的硅基单光子探测器，其特征在于：所述SiN光波导（1）与硅衬底（8）距离大于1µm。
4.根据权利要求1所述的波导集成的硅基单光子探测器，其特征在于：所述SiO2悬空波导（9）分为依次连接的SiO2直波导和SiO2锥形波导，SiO2锥形波导连接SiN光波导（1）。
5.根据权利要求4所述的波导集成的硅基单光子探测器，其特征在于：所述SiO2直波导尺寸与标准光纤相同，尺寸为10µm×10µm；SiO2锥形波导尺寸为10µm×3µm。
6.根据权利要求1所述的波导集成的硅基单光子探测器，其特征在于：所述SiN反锥形波导（10）的芯层为SiN波导，SiN端面的宽度小于100nm。
7.根据权利要求1所述的波导集成的硅基单光子探测器，其特征在于：所述光吸收层（3）的厚度为1~2µm。
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