一种耐击穿平面型雪崩单光子探测器及其制备方法

1.本发明涉及探测器技术，具体指一种基于雪崩效应的高击穿电压、高增益的雪崩单光子探测器及制备方法。


背景技术：

2.中红外作为最重要的透明大气窗口之一，为各种材料的指纹光谱提供了一个高透射区，使空间与地面之间的通信通道得以建立。然而，被探测物体在这个波长范围内的辐射强度总是很低。因此，发展基于中波红外的微弱信号探测技术在满足遥感、量子通信或国家安全等应用中的弱信号检测要求方面发挥着关键作用。在各种光电探测候选者中，基于碲镉汞(mct)的雪崩光电探测器在低功耗和小体积配置中提供了实现高增益和低暗电流性能的终极途径。
3.由于mct材料的生长相对硅、锗或铟镓砷不成熟和质量差，导致基于hgcdte的雪崩光电探测器只能在线性模式下工作，且目前线性模式下的增益对于微弱信号的探测远远不够。同时材料的倍增区由于其自身击穿机制容易在高偏差下被击穿。在大多数报道的hgcdte雪崩探测器的击穿电压代表了设备放大光信号能力的极限，通常低于10v。由于增益总是与偏置成正比关系，因此击穿电压的增加代表着器件在线性模式下所能达到的最大增益。目前对于碲镉汞雪崩二极管的击穿机制已经揭示，主要是来自于倍增区高场下发生的mott相变，且该相变程度与结点可以通过工艺过程和结构参数调节。因此，通过优化工艺和结构参数可以显著的提高器件的击穿电压，并同时获得高增益，从而实现对微弱信号的高性能探测。本发明结构简单，易于制备，可使器件在高偏压下获得高增益。


技术实现要素：

4.本发明主要在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种耐击穿平面型雪崩单光子探测器结构及掺杂参数。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
5.本发明所公开的一种耐击穿平面型雪崩单光子探测器结构，包括衬底1、缓冲层2、p型层3、n型层4、i型层5、钝化层6、阴极引出端7和阳极引出端8。在所述的衬底1上依次生长缓冲层2和p型层3，通过离子注入技术和热处理技术分别n型层4和i型层5，通过溅射技术或沉积技术生长钝化层6，通过溅射技术或蒸发技术生长阴极引出端7和阳极引出端8。
6.所述的衬底1材料为碲锌镉、砷化镓、碲化镉或硅
7.所述的缓冲层2为碲化镉，降低衬底材料与碲镉汞的晶格失配，若衬底材料为碲锌镉或碲化镉则不需要生长缓冲层，厚度范围为0.3mm～1.0mm。
8.所述的p型层3为hg空位掺杂或原位掺杂的p型碲镉汞，厚度范围为3μm～100μm，掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3
～5
×
10
17
cm-3
。
9.所述n型层4为离子注入的n型碲镉汞，厚度范围在0.1μm～10μm，掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3
～1
×
10
18
cm-3
。
10.所述的i型层5为非故意掺杂的n-型碲镉汞，厚度范围为2μm～3μm，掺杂浓度为1
×
10
14
cm-3
～1
×
10
17
cm-3
。
11.所述的钝化层6为sio2、si3n4、cdte、zns、al2o3、hfo2、cdznte或cdte zns，厚度为0.2μm～2μm，其中cdte与zns双层钝化膜，cdte在下zns在上，cdte和zns的厚度比为1:1-1:10。
12.所述的阴极引出端7和阳极引出端8均为cr au双层电极或sn au双层电极，下层与平面结构接触的欧姆接触层为cr或sn，上层金属导电层为au，cr或sn的厚度为0.01μm～0.1μm，au的厚度0.01μm～1μm，多阴极引出端防止器件内电场分布不均匀，阳极吸收倍增的电子。
13.本发明提供一种耐击穿平面型雪崩单光子探测器的制备方法，包括以下步骤：
14.①
在衬底1上，生长一层的cdte缓冲层2；
15.②
通过外延技术在缓冲层2上生长hg空位掺杂的碲镉汞，形成的p型碲镉汞薄层3；
16.③
采取离子注入技术形成n型层4；
17.④
采取热处理技术形成i型层5，形成pin结构；
18.⑤
采取溅射技术或沉积技术在hgcdte上生长钝化层6；
19.⑥
使用湿法腐蚀或者干法刻蚀去除电极口处钝化层材料；
20.⑦
采取溅射技术或蒸发技术在电极孔处生长阴极引出端7和阳极引出端8，形成良好的金半接触；
21.⑧
将器件与电路连接测试。
22.采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：
23.通过调整i型层的参数大大降低了高偏压下器件的隧穿电流，提升了雪崩二极管单光子探测器的增益。本发明结构简单，易于制备，可同时在高偏压下实现低暗电流和高增益。
附图说明
24.附图1是本发明的结构横截面示意图；
25.1为衬底；
26.2为缓冲层；
27.3为p型层；
28.4为n型层；
29.5为i型层；
30.6为钝化层；
31.7为阴极引出端；
32.8为阳极引出端。
33.附图2是本发明中实施例1耐击穿平面型雪崩二极管结构的击穿暗电流、光电流和增益随电压关系图，纵坐标为对数坐标；
34.附图3是本发明中实施例2耐击穿平面型雪崩二极管结构的击穿暗电流、光电流和增益随电压关系图，纵坐标为对数坐标；
35.附图4是本发明中实施例3耐击穿平面型雪崩二极管结构的击穿暗电流、光电流和增益随电压关系图，纵坐标为对数坐标.
具体实施方式
36.实施例1
37.见附图1，本实施例的耐击穿平面型雪崩单光子探测器结构。
38.探测器包括砷化镓衬底1、缓冲层2、p型层3、n型层4、i型层5、钝化层6、阴极引出端7和阳极引出端8。
39.上述耐击穿平面型雪崩单光子探测器结构的制作方法，包括以下步骤：
40.①
在砷化镓衬底(1)上，通过分子束外延技术生长一层厚度为1mm的cdte缓冲层(2)。
41.②
通过分子束外延生长技术生长as掺杂掺杂的碲镉汞，形成厚度为15μm、掺杂浓度为的5
×
10
16
cm-3
的p型层(3)；
42.③
通过硼离子注入技术在p型层(2)上形成厚度为2μm、掺杂浓度为6
×
10
16
cm-3
的n型层(4)；
43.④
通过热处理技术成结，形成厚度为2μm、掺杂浓度为1.95
×
10
15
cm-3
的i型层(5)；
44.⑤
通过化学沉积技术生长钝化层(6)，形成0.2μm的sio2钝化层；
45.⑥
使用反应离子刻蚀刻蚀去除电极孔位置的钝化层材料；
46.⑦
通过电子束蒸发生长阴极引出端(7)和阳极引出端(8)，形成sn au双层电极，sn在下au在上，厚度为20nm 200nm；
47.⑧
将器件与电路连接测试。
48.附图2是本发明中实施例1耐击穿平面型雪崩单光子探测器结构的击穿暗电流、数值计算暗电流和增益随电压关系。它在-9.25v时发生击穿且增益为789。
49.实施例2
50.见附图1，本实施例的耐击穿平面型雪崩单光子探测器结构。
51.探测器包括硅衬底1、缓冲层2、p型层3、n型层4、i型层5、钝化层6、阴极引出端7和阳极引出端8。
52.上述耐击穿平面型雪崩单光子探测器结构的制作方法，包括以下步骤：
53.①
在硅衬底(1)上，通过分子束外延技术生长一层厚度为0.8mm的cdte缓冲层(2)。
54.②
通过分子束外延生长技术生长as掺杂掺杂的碲镉汞，形成厚度为13μm、掺杂浓度为的8
×
10
15
cm-3
的p型层(3)；
55.③
通过硼离子注入技术在p型层(2)上形成厚度为2μm、掺杂浓度为6
×
10
16
cm-3
的n型层(4)；
56.④
通过热处理技术成结，形成厚度为2μm、掺杂浓度为2.5
×
10
15
cm-3
的i型层(5)；
57.⑤
通过化学沉积技术生长钝化层(6)，形成0.2μm的si3n4钝化层；
58.⑥
使用反应离子刻蚀刻蚀去除电极孔位置的钝化层材料；
59.⑦
通过电子束蒸发生长阴极引出端(7)和阳极引出端(8)，形成sn au双层电极，sn在下au在上，厚度为20nm 100nm；
60.⑧
将器件与电路连接测试。
61.附图3是本发明中实施例2耐击穿平面型雪崩单光子探测器结构的击穿暗电流、数值计算暗电流和增益随电压关系。它在-11.3v时发生击穿且增益为1700。
62.实施例3
63.见附图1，本实施例的耐击穿平面型雪崩单光子探测器结构。
64.探测器包括碲锌镉衬底1、p型层3、n型层4、i型层5、钝化层6、阴极引出端7和阳极引出端8。
65.上述耐击穿平面型雪崩单光子探测器结构的制作方法，包括以下步骤：
66.①
在衬底碲锌镉上，通过垂直液相外延生长技术生长hg空位掺杂的碲镉汞，形成厚度为8μm、掺杂浓度为8
×
10
15
cm-3
的p型层(2)；
67.②
通过硼离子注入技术在p型层(3)上形成厚度为2μm、掺杂浓度为6
×
10
16
cm-3
的n型层(4)；
68.③
通过热处理技术成结，形成厚度为2μm、掺杂浓度为1.95
×
10
15
cm-3
的i型层(5)；
69.④
通过磁控溅射技术生长cdte zns钝化层(6)，形成0.2μm的双层钝化层，cdte在下zns在上，zns和cdte的厚度分别为50nm和150nm；
70.⑤
使用盐酸及重铬酸溶液去除电极孔位置的双层钝化层材料；
71.⑥
通过磁控溅射技术生长阴极引出端(7)和阳极引出端(8)，形成cr au双层电极，cr在下au在上，厚度为30nm 220nm；
72.⑦
将器件与电路连接测试。
73.附图4是本发明中实施例3耐击穿平面型雪崩单光子探测器结构的击穿暗电流、数值计算暗电流和增益随电压关系。它在-11.2v时发生击穿且增益为1300。
74.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。