[發(fā)明專利]硅光電倍增探測器結(jié)構(gòu)、制作及使用

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110087811.6
• 申請日: 2011-04-08
• 公開（公告）號: CN102735350A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韓德俊;胡小波;胡春周;殷登平
• 申請（專利權(quán)）人: 北京師范大學(xué)
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00;H01L27/14;H01L31/107
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1.技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高增益的半導(dǎo)體光探測器，尤其是具有單光子分辨探測靈敏度的硅光電倍增探測器的結(jié)構(gòu)、制作及使用方法，屬于H01L?27/00類半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。

2.技術(shù)背景

弱光探測器技術(shù)在高能物理、天體物理及核醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用。目前應(yīng)用最廣泛的弱光探測器主要是光電倍增管(PMT)。但PMT存在體積大、工作電壓和功耗高、容易損壞、受光陰極限制探測效率較低、對磁場敏感以及不適合制作大規(guī)模陣列等缺點，限制了它在許多場合的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體光探測器的發(fā)展，一種被稱為硅光電倍增探測器(Silicon?photo-multiplier，SiPM)或者被稱為多單元光子計數(shù)器(Multi-Pixel?PhotonCounters，MPPC)等的高靈敏半導(dǎo)體光探測器在弱光探測領(lǐng)域越來越受到重視，其工作原理和發(fā)展歷史參閱文獻(D.Renker，Nuclear?Instruments?and?Methods?in?Physics?ResearchA，Vol.567，pp.48-56，2006)。這種光探測器一般由幾百至幾千個尺寸為幾至上百微米的雪崩光電二極管(Avalanche?Photo?Diode，APD)單元單片集成在同一個硅片上構(gòu)成，每一個APD單元都串聯(lián)一個約幾百千歐姆的電阻(即雪崩淬滅電阻)用以控制APD單元的雪崩淬滅和電壓恢復(fù)。所有APD單元并聯(lián)輸出，共用1個負(fù)載，每一個APD單元工作在蓋革模式(Geigermode)下，即偏置電壓比其擊穿電壓高。當(dāng)某一個APD單元接收到一個光子時，所產(chǎn)生的光生載流子將觸發(fā)雪崩擊穿，光電轉(zhuǎn)換增益可達(dá)10⁵-10⁶。一個光子在50歐姆負(fù)載上可產(chǎn)生毫伏量級的電壓脈沖，其后續(xù)放大電路變得非常簡單。在動態(tài)范圍的線性區(qū)內(nèi)，總的輸出信號正比于單位時間發(fā)生雪崩擊穿的APD單元的數(shù)目。由于這種器件可以像光電倍增管一樣進行單光子探測，因此被稱作硅光電倍增探測器。SiPM的增益高(10⁵-10⁶)、工作電壓低(＜100V)、功耗低、響應(yīng)速度快(ns量級)、體積小、易集成、不受磁場干擾、可靠性好、成本低廉。每一個APD單元工作在計數(shù)模式下，沒有像線性模式APD那樣的增益起伏或過剩噪聲，具有比PMT更好的單光子分辨本領(lǐng)(參閱D.Renker，Nuclear?Instruments?and?Methods?inPhysics?Research?A，Vol.567，pp.48-56，2006)。在高能物理(參閱P.Buzhan，et?al.，Nuclear?Instruments?and?Methods?in?Physics?Research?A，Vol.567，pp.78-82，2006)、天體物理(參閱N.Otte，Proceedings?of?the?IX?International?Symposium?on?Detectorsfor?Particle，Astroparticle?and?Synchrotron?Radiation?Experiments，SNIC?Symposium，Stanford，California，1，2006)、核醫(yī)學(xué)成像(參閱A.N.Otte，Nuclear?Instruments?andMethods?in?Physics?Research?A，Vol.545，pp.705-715，2005)、DNA測序(參閱GeorgiyGudkov，et?al.，Proc.SPIE，6372，63720C-1，2006)等微弱光信號的檢測領(lǐng)域有替代傳統(tǒng)光電倍增管的潛力，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

目前SiPM尚處在快速發(fā)展階段，存在的主要問題包括：

(1)探測效率與動態(tài)范圍之間存在矛盾關(guān)系。SiPM的雪崩淬滅電阻普遍采用位于器件表面的摻雜多晶硅電阻條，多晶硅一般采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備。若要提高探測效率，需要采取APD單元數(shù)量較少，每一個單元面積較大的探測器結(jié)構(gòu)，但這樣容易導(dǎo)致2個或2個以上光子同時被同一個APD單元接收的概率，導(dǎo)致在較低的光子計數(shù)率下探測器輸出飽和，動態(tài)范圍受到限制。若要避免光子計數(shù)率飽和，就需要采取APD單元面積小、數(shù)目多的探測器結(jié)構(gòu)。這樣一來探測器表面的多晶硅電阻條、金屬Al互聯(lián)線、保護環(huán)占據(jù)的“死區(qū)”面積比例隨APD單元面積縮小而增加，至使光敏面積與探測器總面積之比(幾何填充因子)降低，必然犧牲探測效率。