[發明專利]電荷雪崩光電探測器系統

有效

• 申請號: 201780065010.5
• 申請日: 2017-10-13
• 公開（公告）號: CN110100315B
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 伊內斯·弗雷塞
• 申請（專利權）人: 弗勞恩霍夫應用研究促進協會
• 主分類號: H01L31/02
• 分類號: H01L31/02;H01L27/144;H01L31/024
• 代理公司: 北京同達信恒知識產權代理有限公司 11291
• 代理人: 黃志華;何月華

公開了一種電荷雪崩光電探測器系統，包括基于電荷雪崩原理的電荷雪崩光電探測器以及電連接在所述電荷雪崩光電探測器下游的放大器電子器件(2)，所述電荷雪崩光電探測器例如為硅光電倍增器(1)，所述電荷雪崩光電探測器能夠選擇性的利用偏置電壓或不利用這種偏置電壓操作。根據該偏置電壓，所述電荷雪崩光電探測器能夠在蓋格模式、電荷積分模式和PIN光電二極管模式下操作。這使得探測器系統的動態范圍被擴展，由此既能夠探測低強度光信號又能夠探測高強度光信號。

技術領域

本發明涉及一種電荷雪崩光電探測器系統(以下簡稱：CAPDS)，該電荷雪崩光電探測器系統具有基于電荷雪崩原理的電荷雪崩光電探測器(優選為半導體光電倍增器或雪崩光電二極管和/或優選地具有固有增益)，以及具有電連接在電荷雪崩光電探測器下游的放大器電子器件。

在下文中，將主要使用半導體光電倍增器作為電荷雪崩光電探測器的示例來描述本發明。然而，這并不是限制性的，即根據本發明，也總是可以使用(在沒有另外說明的情況下)雪崩光電二極管而不是這種半導體倍增器作為電荷雪崩光電探測器。

背景技術

光探測器的選擇取決于系統中預期的光信號的強度。對于更強的信號(例如，當用毫瓦范圍內的光學功率照射LED時——例如用于透射測量)，PIN光電二極管(positiveintrinsic negative diode)的靈敏度是足夠的，在所述PIN光電二極管中，單個光子在與探測器表面撞擊時僅產生一個單電子。對于相當弱的信號(例如在10納瓦(nW)到50皮瓦(pW)的范圍內)，需要通過探測器中的固有增益或通過借助連接在下游的放大器電子器件在探測器之后對信號進行后放大來對信號進行額外的放大。例如，這可以通過觸發具有高達10⁵的放大系數的雪崩光電二極管(以下簡稱：APD)或光電倍增器(以下簡稱：PMT)中的電子雪崩來實現，或者借助連接在下游的電子器件來實現。

然而，電子放大也帶來缺點：暗噪聲也被放大并且探測極限受損。在低于50pW的測量范圍內，光子探測可以在所謂的數字模式(蓋格模式(Geiger-Modus))下發生，并且需要大于10⁶的總增益，然而，這只能用高質量的PMT或用硅光電倍增器(以下簡稱SiPM)實現，并且在某些情況下可能需要對探測器進行額外的冷卻。例如，來自生物功能化表面的化學發光信號也落在該信號范圍內。這意味著需要多個探測器用一個設備來探測強信號和弱信號，即必須組合多個探測器。

對于具有高吞吐量的自動化設備，這意味著對于多個單一探測器之間的樣本傳輸以及對于光電倍增器的光保護措施需要額外的努力。

總之，在現有技術中，不同的探測器用于不同的強度。硅(Si)光電探測器或砷化鎵(GaAs)光電探測器(PIN二極管)用于較高的光信號水平，以及基于雪崩技術的硅光電倍增器用于較低的信號水平。

發明內容

從現有技術出發，本發明的目的是提供能夠使用具有可變(入射)光強度的多種測量方法的電荷雪崩光電探測器系統。該系統旨在為探測提供盡可能寬的動態范圍。此外，該系統不應該太貴。

該目的通過根據本發明的電荷雪崩光電探測器系統得以實現。