[發明專利]硅光電倍增探測器

有效

• 申請號: 201410276066.3
• 申請日: 2014-06-20
• 公開（公告）號: CN104022130B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 韓德俊;李晨暉;趙天琦;何燃
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: H01L27/144
• 分類號: H01L27/144;H01L31/0224
• 代理公司: 北京力量專利代理事務所(特殊普通合伙)11504
• 代理人: 宋林清

技術領域

本發明涉及一種高增益的半導體光探測器，尤其是具有位置探測靈敏度的硅光電倍增探測器的結構及使用方法。

技術背景

光電位置探測器是現代工業檢測、航空對接、三維形貌測量、機器人視覺和生物醫學中很重要的一類圖像傳感器件。目前主要的圖像傳感器有電荷耦合器件(CCD-charge?coupled?devices)、光電二極管列陣檢測器、基于PIN和APD的位置靈敏探測器。CCD是由分立的氧化物半導體(MOS)電容陣列組成的陣列型器件，具有存儲和轉移信息電荷的能力，經由外部電路控制，依次讀取每一個像素的信號，得到圖像信息。但由于CCD是陣列型(分割型)器件，像素的大小限制了CCD的分辨率，此外CCD響應速度慢、生產過程復雜、價格昂貴(參見G.Lutz，Semiconductor?radiation?detectors?vol.10：Springer，1999)。光電二極管陣列是由許多光電二極管以線陣或面陣的形式在一塊芯片上的集成，通過記錄二極管所在位置光強轉變成的電信號來確定位置信息，引出電極多，讀出電子學復雜?；赑IN和APD的位置靈敏探測器，他們的結構特點是大面積的P-i-N和P-N結構，利用表層電阻層的分流效應，結合正面或背面的四條邊上或四個角落的電極，得到連續的位置信息，具有較高的位置分辨率(參見http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/psd_techinfo_e.pdf)，且價格低廉。但基于PIN的位置靈敏探測器，內部無增益，信噪比較差；基于APD的位置靈敏探測器，有幾十-幾百的增益，信噪比有所改善，但大面積的P-N結構，使其不能進行單光子計數，在弱光探測領域的應用受到了限制(參見K.S.Shah，R.Farrell，R.Grazioso，E.S.Harmon，and?E.Karplus，″Position-sensitive?avalanche?photodiodes?for?gamma-ray?imaging，″Nuclear?Science，IEEE?Transactions?on，vol.49，pp.1687-1692，2002)。而一般硅光電倍增探測器(SiPM)，雖然具有高增益的優點，但由于其表面重摻雜區是非連續的，不能利用表層電阻層的分流效應，不具備位置分辨能力(參見Serra，N.，et?al.″Characterization?of?new?FBK?SiPM?technology?for?visible?light?detection.″Journal?of?Instrumentation8.03，2013：P03019)。

發明內容

針對目前CCD陣列型器件分辨率受像元尺寸限制、響應速度慢的問題；光電二極管陣列只能檢測有紫外吸收的物質；PIN型和APD型位置靈敏探測器增益低；一般硅光電倍增探測器(SiPM)不具備位置靈敏的限制。本發明提出了一種新型的硅光電倍增探測器，兼有一般PIN或APD位置靈敏探測器具有的對位置探測靈敏、位置探測分辨率高、電路配置簡單的優點以及一般SiPM具有的探測靈敏度高、響應速度快的優點。本發明新型的硅光電倍增探測器，由10至10萬個雪崩光電二極管(APD)單元集成在同一個硅外延片上組成，正面電極位于器件的表面，背面電極在硅襯底一側，在橫向方向，APD單元之間由所圍繞的PN結的較深耗盡區所隔離，在縱向方向，每個APD單元都串聯一個雪崩淬滅電阻，雪崩淬滅電阻由所述硅外延片外延層制備，所有APD單元在器件表面由均勻連續的重摻雜硅電阻層連接，所述重摻雜硅電阻層用作位置靈敏探測時的分流電阻，其特征是：

所述正面電極有4個，分別位于探測器的四條邊上，即呈四邊形布局，每個正面電極獨立輸出信號，

所述正面電極有4個，分別位于探測器的四個角上，即呈釘扎型布局，每個正面電極獨立輸出信號，

所述正面電極有2個，由二個相互平行并與探測器邊沿平行的金屬電極條構成，每個正面電極獨立輸出信號，

所述硅外延片導電類型為P型或N型，

所述重摻雜硅電阻層的導電類型為N型或P型。

附圖說明

圖1、本發明硅光電倍增探測器的剖面結構示意圖。

圖2、本發明硅光電倍增探測器四邊形正面電極引出結構示意圖。

圖3、本發明硅光電倍增探測器釘扎包型正面電極引出結構示意圖。

圖4、本發明硅光電倍增探測器2條平行金屬電極條正面電極引出結構示意圖。

具體實施方式

本發明采取以下技術方案：