背景技術(shù)：

可以使用包括雪崩光敏二極管(apd)的微單元陣列來實(shí)施光子傳感器。apd可以制造于硅晶圓上，作為硅光電倍增管(siliconphotomultipliers，sipm)。在常規(guī)的硅光電倍增管裝置中，每個apd可以通過抑制電阻器連接到讀出網(wǎng)絡(luò)，所述抑制電阻具有介于100kω到1mω的典型值。當(dāng)施加到sipm的偏壓高于擊穿電壓時，所檢測的光子將產(chǎn)生雪崩，apd電容將放電到擊穿電壓，并且重新充電電流將產(chǎn)生信號。

sipm技術(shù)可以具有本征暗計(jì)數(shù)(intrinsicdarkcount)(即，在缺少光的時候響應(yīng)，通常由熱離子排放引起)，這可以是由于晶體缺陷、雜質(zhì)和其他異常。缺陷在陣列中的各個微單元之間的分布可能不均勻，導(dǎo)致每個裝置有少量微單元具有極高的暗計(jì)數(shù)發(fā)生率(darkcountgenerationrate)的可能性。

可以通過在施加的電壓下測量sipm的光致發(fā)光(photoluminescence)來定位所述陣列中的噪聲微單元。所識別出的噪聲微單元可以通過使用激光脈沖從所述陣列斷開連接。這種方法的實(shí)際實(shí)施非常復(fù)雜并且昂貴。出于這些原因，該方法對于在大量sipm生產(chǎn)中實(shí)施不具有吸引力。

識別噪聲微單元的另一個方法是測量每個微單元的暗計(jì)數(shù)，并且以編程方式抑制噪聲微單元。為實(shí)施此方法，每個微單元都需要配備具有唯一地址的地址行。此外，單個微單元均制造成包括可用于禁用或啟用微單元的靜態(tài)存儲單元。需要使用外部控制器來實(shí)施校準(zhǔn)過程。

附圖說明

圖1示出了具有微單元陣列的常規(guī)硅光電倍增管像素的簡化電氣模型；

圖2a-2b示出了根據(jù)一些實(shí)施例的微單元的示意圖；

圖3示出了根據(jù)一些實(shí)施例的微單元陣列的方框圖；以及

圖4示出了根據(jù)一些實(shí)施例的過程。

具體實(shí)施方式

根據(jù)各實(shí)施例，微單元制造成包括對所述微單元進(jìn)行自測試以識別具有高暗計(jì)數(shù)率的微單元。如果暗計(jì)數(shù)率高于預(yù)定閾值，則所述電路可以禁用所述微單元。根據(jù)實(shí)施方案，此自測試程序可以在裝置通電時執(zhí)行并且/或者通過作為微單元的重置信號而接收的命令來執(zhí)行。根據(jù)實(shí)施例，配備了監(jiān)控器，以對在自測試期間禁用的微單元的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。所述監(jiān)控器跟蹤所述陣列內(nèi)的禁用微單元的計(jì)數(shù)。如果所述陣列內(nèi)的禁用微單元的數(shù)量達(dá)到預(yù)定數(shù)量，則所述監(jiān)控器可以阻止所述電路禁用更多微單元。根據(jù)實(shí)施例，所述陣列內(nèi)的活動微單元的數(shù)量保持高于預(yù)定閾值。

以sipm技術(shù)制造的apd的典型暗計(jì)數(shù)率是每平方毫米約100千條計(jì)數(shù)每秒(kcps)。對于50微米×50微米規(guī)格的sipm微單元，此速率對應(yīng)于每微單元約250cps。根據(jù)實(shí)施例，一體式自測試電路可以在自測試期間檢測暗計(jì)數(shù)脈沖。此自測試程序可以在通電時執(zhí)行，或者通過重置命令執(zhí)行。所述自測試的持續(xù)時間可以是約0.1到1.0秒，具體取決于平均噪聲電平。如果暗計(jì)數(shù)超過閾值，則所述微單元內(nèi)的電路將禁用微單元，直到下一個自測試程序啟動。根據(jù)實(shí)施方式，向裝置求和塊提供特殊脈沖，以限制每個裝置要關(guān)閉的微單元數(shù)。

圖l示出了常規(guī)硅光電倍增管像素的簡化電氣模型，其中微單元是所述單元的sipm陣列內(nèi)的多個微單元中的一個微單元。在一個實(shí)例中，圖示的微單元可以是以蓋革模式在模擬sipm內(nèi)操作的單光子雪崩二極管(spad)的陣列的一部分。在圖示的實(shí)例中，所述模型具有相關(guān)聯(lián)的陰極52和陽極54。所述模型的微單元部分包括二極管電容器58和電流脈沖66，例如可以與光電二極管相關(guān)聯(lián)。圖示實(shí)例中的抑制電路(quenchcircuitry)包括抑制電阻(quenchresistor)72和寄生抑制電容器60。在此實(shí)例中，抑制電路的下游建模了寄生電阻62和寄生電感器64。

在此模型中，微單元的每個apd，例如圖示的微單元，通過抑制電路連接到讀出網(wǎng)絡(luò)，包括抑制電阻器(rq)72，所述抑制電阻器具有介于約100kω到約1mω之間的典型值。當(dāng)所檢測的光子產(chǎn)生雪崩事件時，產(chǎn)生電流脈沖66，并且微單元二極管電容cd58放電到擊穿電壓，并且重新充電電流將產(chǎn)生可測量的輸出信號。單光電子(spe)信號的典型脈沖形狀74具有快速上升時間(即，尖銳上升沿)，然后是長下降時間(即，緩慢下降尾部)。

圖2a到圖2b示出了根據(jù)一些實(shí)施例的包括自測試電路210的微單元200。圖2a示出了常規(guī)操作模式下的微單元200。圖2b示出了自測試模式下的微單元。微單元200包括與抑制電路206串聯(lián)的apd204。根據(jù)實(shí)施例，自測試電路210連接在apd和抑制電路的連接處。根據(jù)實(shí)施方案，自測試電路210制造于采用sipm的硅晶圓上，并且一體化成微單元的一部分。

自測試電路210包括具有反饋電阻rf、電容器cint和相關(guān)電路部件的運(yùn)算放大器(opamp)212，受控于來自微單元控制邏輯218的configcell信號。在一個實(shí)施方案中，opamp可以配置成電流感測放大器。電流感測放大器的一個輸入連接到apd和抑制電路的結(jié)點(diǎn)，以接收信號208。根據(jù)實(shí)施例，電流感測放大器212的另一端子連接到參考電壓電平(例如，在一個實(shí)施例中的公共地)。電流感測放大器提供電流感測放大器輸出信號213，所述電流感測放大器輸出信號具有與信號208的電流強(qiáng)度成比例的電壓。

圖2a示出了微單元200的正常操作模式配置。在此模式中，testenable信號230設(shè)置成false、開關(guān)240閉合并且開關(guān)219在默認(rèn)打開，但是可以基于上一個自測試程序循環(huán)中的微單元控制邏輯218狀態(tài)而閉合。電流感測放大器212的輸出作為輸入提供給運(yùn)算放大器(或者比較器)214，運(yùn)算放大器在運(yùn)算放大器214的第二輸入端子處，將信號213的電壓與預(yù)定閾值電壓vth進(jìn)行比較。當(dāng)信號213的電壓超出(在絕對電壓電平下)閾值電壓時，運(yùn)算放大器214在其輸出處產(chǎn)生邏輯信號。運(yùn)算放大器214的輸出連接到單觸發(fā)脈沖電路(one-shotpulsecircuit)215。在正常操作模式(圖2a)下，單觸發(fā)脈沖電路向像素求和器提供脈沖。在此模式下，通過微單元控制邏輯218禁用閂鎖電路216。

圖2b示出了微單元200的自測試模式配置。通過像素控制器從輸入線230發(fā)出的testenable信號的上升沿可重置微單元控制邏輯218，所述微單元控制邏輯使開關(guān)219斷開并且開關(guān)240閉合。在自測試模式下，如果微單元的暗計(jì)數(shù)高，則微單元控制邏輯電路218提供設(shè)置成true的celldisable信號，所述信號將閉合開關(guān)219并且斷開開關(guān)240。在自測試模式下，微單元控制邏輯電路通過configcell信號禁用單觸發(fā)215，并且啟用閂鎖216。集成電容器cint切換到opamp212的反饋回路，所述opamp配置成電荷靈敏放大器(chargesensitiveamplifier)。時鐘信號intg設(shè)置并且重置電容器cint的積分持續(xù)時間(integrationduration)。時鐘信號由像素控制器或微單元控制邏輯電路提供。

由運(yùn)算放大器214確定的比較確定apd的暗計(jì)數(shù)率是否超出預(yù)定閾值。如果暗計(jì)數(shù)率過高，則比較器214跳閘，celldisable將升高以閉合與電壓源vs相連的開關(guān)，從而減小因此而被禁用的apd的偏壓，并且抑制電路206禁用并且將微單元與陽極斷開。如果暗計(jì)數(shù)率過高，則微單元200向像素控制器提供暗計(jì)數(shù)高(darkcounthigh，dch)信號。

像素控制器將通過對dch行計(jì)數(shù)器求和來統(tǒng)計(jì)禁用微單元的數(shù)量。如果禁用微單元的數(shù)量高于預(yù)定值，則像素控制器可以發(fā)出重新執(zhí)行或停止測試的命令，同時執(zhí)行一個或多個后續(xù)步驟，直到禁用微單元的總數(shù)低于預(yù)定值。首先，可以在像素控制器的控制下提高比較器閾值電壓vth。其次，可以通過改變時鐘信號的脈沖寬度來縮短由時鐘信號intg設(shè)置的積分持續(xù)時間。根據(jù)實(shí)施例，不需要對微單元進(jìn)行單獨(dú)尋址。在一些實(shí)施方案中，實(shí)施方法可以延伸到按行和/或列對微單元進(jìn)行尋址。

輸入線230上的testenable信號是微單元控制邏輯電路218的一個輸入。所述邏輯電路將testenable230信號與來自閂鎖216的信號224相組合。如果兩個信號均存在，則開關(guān)219啟動，并且開關(guān)240斷開以將微單元從陽極54斷開。在開關(guān)219啟動的情況下，向opamp212的輸入提供電源電壓vs。

圖3示出了根據(jù)一些實(shí)施例的具有像素控制器的硅光電倍增管微單元陣列300。微單元陣列300包括多個微單元302，304，30n。這些微單元是根據(jù)各個實(shí)施例的上文參見圖2a到圖2b所公開的微單元200的實(shí)施方案。圖3示出了圖2b中的自測試模式下的微單元200。每個微單元通過輸出線從微單元閂鎖連接到dch行計(jì)數(shù)器310，所述dch行計(jì)數(shù)器向像素控制器320提供輸入。微單元的單觸發(fā)輸出提供到像素求和器。此外，所述微單元從像素控制器連接到testenable線。

圖4示出了根據(jù)實(shí)施例的用于在微單元apdsipm上執(zhí)行自測試校準(zhǔn)的過程400。步驟410中將apd設(shè)置為自測試/校準(zhǔn)模式。要進(jìn)入自測試模式，微單元根據(jù)上文參照圖2b中所公開的內(nèi)容進(jìn)行配置。在步驟420中，在由時鐘信號intg設(shè)置的預(yù)定時間段內(nèi)，集成apd產(chǎn)生的任何暗電流。所述集成可通過放大器212執(zhí)行，所述放大器配置成根據(jù)一些實(shí)施方案的電荷靈敏放大器。在步驟430中，監(jiān)控所述集成暗電流，并且在步驟432中，將其與預(yù)定閾值水平進(jìn)行比較。所述監(jiān)控可以由將電荷靈敏放大器212的輸出電壓與閾值電壓電平進(jìn)行比較的運(yùn)算放大器214執(zhí)行。如果暗計(jì)數(shù)率高于閾值水平，則在步驟440中，過程400向像素控制器提供指示暗計(jì)數(shù)率高的信號(步驟470)。如果暗計(jì)數(shù)率高于閾值，則由步驟450的微單元控制邏輯禁用微單元，即步驟460。響應(yīng)于來自所有微單元的dch信號，，像素控制器向微單元控制邏輯450更新并且發(fā)送testenable信號，即步驟470，以停止測試或者重置并且以不同參數(shù)開始新測試。

根據(jù)各個實(shí)施例的系統(tǒng)和方法可以通過管理提供暗計(jì)數(shù)的微單元陣列的各個微單元，改進(jìn)總體光子檢測器性能。實(shí)施例的實(shí)施可以提高可接受晶圓制造的合格率，從而減小制造檢測器的總體成本。

盡管本說明書中描述了特定硬件和方法，但是請注意，可以根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例提供任意數(shù)量的其他配置。因此，盡管本說明書中已圖示、描述并指出本發(fā)明的基本新穎特征，但是應(yīng)了解，所屬領(lǐng)域中的技術(shù)人員能夠在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下對圖示實(shí)施例的形式和細(xì)節(jié)以及這些實(shí)施例的操作做出各種省略、替代和改變。此外還充分計(jì)劃和考慮到了不同實(shí)施例之間的元素更替。