[發明專利]靜電放電保護的半導體光電倍增器

有效

• 申請號: 201880080995.3
• 申請日: 2018-07-25
• 公開（公告）號: CN111480096B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發明（設計）人: P·M·戴利;J·C·杰克遜;B·P·麥加維;S·J·貝里斯
• 申請（專利權）人: 森斯爾科技有限公司
• 主分類號: G01T1/24
• 分類號: G01T1/24
• 代理公司: 北京市中倫律師事務所 11410
• 代理人: 楊黎峰;魏奇

本公開涉及一種半導體光電倍增器，該半導體光電倍增器包括位于襯底上并具有至少一個端子的一個或多個微單元。至少一個ESD保護元件可操作地耦接到至少一個端子。

技術領域

本公開涉及光子檢測器。特別地，本公開涉及諸如半導體光電倍增器的高靈敏度光子檢測器。特別但非排他地，本公開涉及諸如正電子發射斷層掃描[PET](包括飛行時間PET[TOF-PET]、激光測距[LIDAR]應用、生物發光和高能物理[HEP]探測器)等領域中的半導體光電倍增器(SiPM或SPM)。

背景技術

SiPM是半導體光子敏感器件，其由諸如硅的半導體襯底上的非常小的蓋革模式雪崩光電二極管(APD)單元的陣列組成。在附圖的圖1中示出了示例10×10微單元陣列。每個單元相互連接以形成具有一個信號輸出的一個更大的器件。整個器件的尺寸可以小至1×1mm或更大。

APD單元的尺寸取決于所使用的掩模而從10微米變化到100微米，并且密度可以高達3000個微單元/平方毫米。雪崩二極管也可以取決于期望的特性由除硅以外的其他半導體制成。硅在可見光和近紅外范圍內進行檢測，且倍增噪聲(過量噪聲)低。鍺(Ge)檢測到波長1.7μm的紅外線，但是具有高的倍增噪聲。InGaAs(砷化銦鎵)檢測最大波長1.6μm，并且倍增噪聲比Ge少。InGaAs通常用于異質結構二極管的倍增區域，與使用光纖的高速電信兼容，并且可以達到大于Gbit/s的速度。氮化鎵在紫外線下操作。HgCdTe(碲化汞鎘)在紅外線、約14μm的最大波長下操作，需要冷卻以減少暗電流，并且可以實現非常低水平的過量噪聲。

硅雪崩二極管通常可以在20至500V的擊穿電壓下起作用。當施加高的反向偏置電壓(硅中大約20-200V，取決于結中的摻雜分布)時，由于碰撞電離或雪崩效應，APD表現出約100-1000的內部電流增益效應。通過使用在大于擊穿電壓的反向電壓下操作的蓋革模式APD，并且通過將暗計數事件率保持在足夠低的水平，硅光電倍增器或SiPM可以實現105至106的增益。雪崩事件生成的電流必須通過適當的限流方案來淬滅，以使器件在雪崩事件后可以恢復并復位。

許多SPM[硅光電倍增器]應用要求快速的光電流響應，其量級為1ns或甚至更短的時間常數。改進的時間響應將有益于諸如時間分辨光譜、LIDAR、TOF[飛行時間]、PET[正電子發射斷層掃描]等應用。在美國專利號9,029,772中描述了一種此類SPM，該專利轉讓給本申請人并且其內容通過引用并入本文。美國專利號9,029,772包括快速輸出端子布置，其如本申請圖3所示。

IC對靜電放電(ESD)的穩健性是重要的考慮因素，這由其對ESD事件期間生成的高電流脈沖進行安全放電，而不會產生可以損壞IC上的器件的過量電壓電平或發熱的能力決定。

因此，需要提供一種解決現有技術的至少一些缺點的半導體光電倍增器。

發明內容

因此，提供了一種半導體光電倍增器，該半導體光電倍增器包括：

一個或多個微單元，該一個或多個微單元位于襯底上并具有至少一個端子；和

至少一個ESD保護元件，該至少一個ESD保護元件可操作地耦接到至少一個端子。

在一方面，至少一個ESD保護元件不是光敏的。

在另一方面，微單元中的至少一個是光敏的。

在進一步的方面，微單元中的大部分是光敏的。

在一個示例性方面，微單元中的至少一些是偽微單元。

在進一步的示例性方面，微單元中的大部分是偽微單元。

在另一方面，微單元中的小部分是光敏的。

在一方面，微單元被布置為兩個或更多個離散陣列，每個陣列具有獨立的端子。