一種數(shù)字光電倍增器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于光子探測的光電探測器件,尤其是一種數(shù)字化的半導(dǎo)體光電影像傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]低通量光子探測被應(yīng)用于許多領(lǐng)域,例如醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng),特別是正電子發(fā)射斷層成像設(shè)備(PET)、國土安全,高能物理實驗和其他成像的關(guān)鍵領(lǐng)域。對于低通量光子探測,一般使用的是傳統(tǒng)的光電倍增管(PMT)和與之相關(guān)的混合光子探測器(HPD)。這些技術(shù)具有許多優(yōu)勢,例如高增益(16或更高),較好的線性特性和較低的暗電流,但是這些傳統(tǒng)的光電探測器也存在一些明顯的缺點,比如較龐大的尺寸,較高的工作電壓,對磁場敏感,復(fù)雜的制造技術(shù)以及高昂的成本。雪崩光電二極管可以在較寬的動態(tài)范圍內(nèi)實現(xiàn)線性放大,但是增益較低(一般為100),因此室溫下的信噪比很差。單光子雪崩二極管(SAPD)通過提高工作電壓使器件工作在高增益工作模式,以進行單光子探測,但是,單光子雪崩二極管的高增益工作模式不能對入射光進行線性模式的探測,因為在這種模式下雪崩倍增產(chǎn)生的電流與入射光子數(shù)目無關(guān)。
[0003]V.Golovin 和 V.Saveliev 于 2OO4 年在 Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research上發(fā)表的文章“Novel type of avalanche photodetector with Geigermode operat1n”提出了一種運用淬滅機制和共同電極輸出的雪崩擊穿光電探測器,稱之為硅光電倍增器件。硅光電倍增器件是一種在半導(dǎo)體材料的襯底上形成的包含有若干雪崩擊穿光電二極管并串聯(lián)相同數(shù)量的淬滅電阻(電阻單元)的光電探測器件(也稱之為光敏像素單元)。每一個光敏像素單元有共同的電極作為信號輸出。一個光子入射到光敏像素單元中被吸收后會在像素的光敏區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對。由于每一個光敏像素單元的光敏區(qū)內(nèi)存在一個較高的電場,漂移的電子會通過雪崩的方式在這個大電場中產(chǎn)生大量電子-空穴對,最終導(dǎo)致?lián)舸?。電阻單元位于雪崩擊穿結(jié)構(gòu)單元附近,它會抑制雪崩倍增過程并使它逐漸減弱停止。硅光電倍增器件具有約16的內(nèi)部增益和達到單光子探測的靈敏度。由于器件中所有光敏像素具有共同的電極,作為各像素信號總和輸出,因而探測到的光子數(shù)與輸出信號大小線性相關(guān)。這種輸出的信號實際上是一種模擬量,它較容易受到偏置電壓、工作溫度、電路參數(shù)(如淬滅電阻的阻值)等的影響,而這種影響會限制硅光電倍增器件的能量分辨率。
[0004]T.Frach, K.Fiedler 的專利 “Digital Si I icon Photomultiplier forTOF-Pet" (US patent US7723694B2,2010)提及了硅光電倍增器件的數(shù)字化工作模式。上述參考專利描述的光電倍增器件是由一個個像素陣列組成的,每個像素單元都有一個工作在擊穿狀態(tài)的光電二極管,它作為數(shù)字化電路的輸入端口。這個數(shù)字電路的輸出端首先給出第一個數(shù)值,它對應(yīng)光電二極管的靜默狀態(tài)(未探測到光子),當光電二極管探測到一個光子時電路輸出端會轉(zhuǎn)變成第二個數(shù)值。當來自于閃爍體的的第一個光子被探測到時,電路輸出端將由第一數(shù)值轉(zhuǎn)變到第二數(shù)值,并會觸發(fā)集電極觸發(fā)驅(qū)動器,從而產(chǎn)生一個可以被應(yīng)用于共同觸發(fā)總線的觸發(fā)信號。這個觸發(fā)信號會開啟一個光子計數(shù)器或FIFO緩沖器(“First In First Out”),記錄在一定的積分時間內(nèi)來自數(shù)字電路輸出端的數(shù)值轉(zhuǎn)變次數(shù)。特別需要指出的是,該光子計數(shù)器或FIFO緩沖器由像素陣列中的一行像素單元所共用。在一些其他的具體實現(xiàn)中,是由獲得的使能信號觸發(fā)啟動光子計數(shù)器。淬滅電路的淬滅機制可以是被動或主動的形式,它通過限制流經(jīng)光電二極管的電流,使其回到靜默狀態(tài),從而使電路輸出端由第二數(shù)值轉(zhuǎn)變到第一數(shù)值。如果在設(shè)定的積分時間結(jié)束前,淬滅電路就使探測單元回到了靜默狀態(tài),那么探測器單元可能會記錄不止一個光子數(shù)。記錄結(jié)果會儲存到光子計數(shù)器或FIFO緩沖器中,通過數(shù)據(jù)總線讀取。
[0005]該硅光電倍增器件的每一個像素單元包含一個在擊穿狀態(tài)下偏壓的光電二極管和與光電二極管耦合的數(shù)字電路。每個探測單元的數(shù)字電路上對應(yīng)一個基于閾值的二進制數(shù)字輸出端口,這個輸出表示對應(yīng)的探測單元是否進入到雪崩狀態(tài)。當光電二極管處于靜默狀態(tài),數(shù)字電路會輸出第一個二進制數(shù)值。當光電二極管探測到光子時產(chǎn)生的電流超過設(shè)定的閾值,這時數(shù)字電路輸出值轉(zhuǎn)變到第二個二進制數(shù)值。在這種情況下,每一個的光電二極管的信號在像素單元級別被數(shù)字化。光子計數(shù)器會記錄所有探測單元輸出數(shù)值的變化,這樣就得到了被探測到的光子數(shù)目。與模擬硅光電倍增器件將所有像素的輸出電流之和為輸出信號相比,這種數(shù)字化的計數(shù)的方法不易受到工作電壓波動,環(huán)境溫度改變和淬滅電阻精度等因素的影響。只要這些因素不影響到上述二進制數(shù)值間的轉(zhuǎn)變過程,一般它們對探測器的能量分辨率就沒有影響。
[0006]雖然上述的硅光電倍增器件可以獲得探測面積上被探測到的光子數(shù)目以及光子抵達的時間,但它還不能被稱為影像傳感器,因為它沒有給出最重要的信息,即被探測到光子的分布。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的之一在于提供一種雪崩擊穿光敏像素單元,優(yōu)選采用CMOS工藝實現(xiàn),由于像素單元中的雪崩光電二極管工作在擊穿狀態(tài)下,其具有較高的內(nèi)部放大增益,所以能夠進行單光子檢測,故該雪崩擊穿光敏像素單元非常適合進行低通量光子的探測。
[0008]為達到上述目的,本發(fā)明的解決方案是:
[0009]—種雪崩擊穿光敏像素單元,包括:
[0010]一半導(dǎo)體襯底;
[0011]于所述半導(dǎo)體襯底上所生成的一外延層;
[0012]于所述外延層內(nèi)形成一用于光子探測的雪崩光電二極管,所述雪崩光電二極管包括漂移區(qū)域和放大區(qū)域;
[0013]以及一淬滅單元,所述淬滅單元與所述雪崩光電二極管串聯(lián)連接。
[0014]優(yōu)選的,所述雪崩擊穿光敏像素單元采用CMOS工藝實現(xiàn),所述半導(dǎo)體襯底與所述外延層為娃材料。
[0015]進一步的,所述雪崩擊穿光敏像素單元還包括一保護環(huán)結(jié)構(gòu),所述保護環(huán)結(jié)構(gòu)圍繞所述雪崩光電二極管所在區(qū)域設(shè)置以使得雪崩擊穿效應(yīng)在所述雪崩光電二極管區(qū)域內(nèi)均勻分布。
[0016]優(yōu)選的,還包括一隔離溝道,所述隔離溝道設(shè)置于所述保護環(huán)結(jié)構(gòu)外圍以抑制光學(xué)串擾,隔離溝道內(nèi)填充有光阻隔材料;
[0017]進一步的,所述隔離溝道采用CMOS工藝中的淺槽隔離結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。
[0018]優(yōu)選的,所述淬滅單元設(shè)置在所述外延層上;
[0019]優(yōu)選的,所述淬滅單元設(shè)置于所述雪崩光電二極管區(qū)域的外圍;
[0020]優(yōu)選的,所述淬滅單元為淬滅電阻。
[0021]本發(fā)明的目的之二在于提供一種數(shù)字半導(dǎo)體光敏像素單元,優(yōu)選采用CMOS工藝實現(xiàn),其包括雪崩擊穿光敏像素單元以及對應(yīng)雪崩擊穿光敏像素單元設(shè)置的一甄別單元及存儲單元,可將雪崩擊穿光敏像素單元中的信息轉(zhuǎn)化為二進制或數(shù)字形式并進行存儲,同時,由于存儲單元與光敏像素單元為一一對應(yīng)設(shè)置,故還可通過確認存儲單元的物理位置從而提供被探測到的光子坐標信息。
[0022]為達到上述目的,本發(fā)明的解決方案是:
[0023]—種數(shù)字半導(dǎo)體光敏像素單元,包括如前所述的雪崩擊穿光敏像素單元以及對應(yīng)所述雪崩光電二極管設(shè)置的一甄別單元以及一存儲單元,所述雪崩擊穿光敏像素單元的電源輸入端(即雪崩光電二極管的陰極端)與電源使能控制信號端相連,以接受電源使能控制信號的控制使其在靜默狀態(tài)與響應(yīng)狀態(tài)之間切換,所述雪崩擊穿光敏像素單元的信號輸出(即雪崩光電二極管的陽極端)作為所述甄別單元的輸入以使得與所述甄別單元對應(yīng)所述雪崩擊穿光敏像素單元的響應(yīng)狀態(tài)分別輸出判斷未檢測到光子的第一數(shù)值或判斷檢測到光子的第二數(shù)值;所述甄別單元的輸出作為所述存儲單元的輸