[發明專利]雪崩光電二極管陣列探測器

在審

• 申請號: 201910072343.1
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109727970A
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發明（設計）人: 韓德俊;劉健
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: H01L25/18
• 分類號: H01L25/18;H01L27/144
• 代理公司: 北京金咨知識產權代理有限公司 11612
• 代理人: 宋教花

本發明提供了一種雪崩光電二極管陣列探測器，包括：傳感器芯片，其包括至少一個雪崩光電二極管和與所述至少一個雪崩光電二極管串聯的至少一個淬滅電阻，所述至少一個雪崩光電二極管形成在硅基底上；信號讀出芯片，其包括至少一個信號數字讀出電路；其中，所述傳感器芯片和所述信號讀出芯片通過倒裝方式集成在一起，以使得所述傳感器芯片的雪崩光電二極管和對應的淬滅電阻與所述信號讀出芯片的信號數字讀出電路電氣連接，以通過信號數字讀出電路讀出從淬滅電阻取樣的電信號。通過上述方案能夠提高探測器的填充因子并降低制作成本。

技術領域

本發明涉及光電技術領域，尤其涉及一種雪崩光電二極管陣列探測器。

背景技術

光電探測器廣泛用于高能物理研究、生物醫學成像及工業生產等領域，其中，單光子探測器在單光子成像、激光雷達、化學發光、生物熒光和基因測序等弱光檢測領域得到大量應用。

單光子探測器包括光電倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)、模擬或數字型硅光電倍增器(Silicon Photomultiplier，SiPM)、單光子雪崩光電二極管(Single PhotonAvalanche Diode，SPAD)等多種類型，其中，由于PMT具有體積大、工作電壓高、功耗高、易損壞、受光陰極限制而導致探測效率較低、對磁場敏感以及不適合制作大規模陣列等缺點，其導致單光子探測器的應用受到限制。為此，模擬型的硅基光電倍增器已被提出，但其基于雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode，APD)陣列串聯被動淬滅電阻后并聯輸出的硅基探測器輸出模擬信號需要經過放大和模數轉換后才可以讀出，使用起來比較復雜，且由于輸出電容的問題無法制作大面積的探測器，大大增加了讀出難度和讀出成本。數字型的硅光電倍增器進一步被提出，其直接輸出探測信號的時間信息和能量信息，極大簡化了讀出電子學，具有極佳的信噪比，但由于將APD陣列和數字讀出電路集成于一片芯片上，導致其填充因子較小，探測效率較低，并且制作成本高，開發周期長，而且沒有響應單元的位置信息。普通的SPAD陣列功能及結構與硅基的數字型光電倍增器基本一致，且每一個APD單元響應的位置信息也可以被記錄，所以能夠被用于單光子成像和單光子探測，具有極好的位置分辨和時間分辨特性，但這種單光子探測器陣列和數字硅光電倍增器一樣將APD陣列和數字讀出電路集成于同一片芯片上，同樣導致填充因子較小，限制了其效率和制作。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種雪崩光電二極管陣列探測器，以提高填充因子并降低制作成本。

為了實現上述目的，本發明采用以下方案：

在本發明一實施例中，一種雪崩光電二極管陣列探測器，包括：

傳感器芯片，其包括至少一個雪崩光電二極管和與所述至少一個雪崩光電二極管串聯的至少一個淬滅電阻，所述至少一個雪崩光電二極管形成在硅基底上；

信號讀出芯片，其包括至少一個信號數字讀出電路；

其中，所述傳感器芯片和所述信號讀出芯片通過倒裝方式集成在一起，以使得所述傳感器芯片的雪崩光電二極管和對應的淬滅電阻與所述信號讀出芯片的信號數字讀出電路電氣連接，以通過信號數字讀出電路讀出從淬滅電阻取樣的電信號。

在本發明一實施例中，雪崩光電二極管和對應的淬滅電阻通過第一電極相連接；所述信號數字讀出電路包括引出電極；所述第一電極和所述引出電極電氣連接。

在本發明一實施例中，所述倒裝方式包括倒裝焊和/或直接鍵合方式。

在本發明一實施例中，所述至少一個雪崩光電二極管和所述至少一個淬滅電阻形成在硅基底上，所述硅基底為重摻雜襯底硅外延片或絕緣體上的硅SOI。