CN104022130B - 硅光电倍增探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及硅光电倍增探测器，特征是：利用新结构硅光电倍增探测器表面电阻层的分流效应来确定光信号的位置，探测器表面有2个或4个独立的电极。当光子入射到探测器中工作于击穿电压之上的APD单元时，雪崩倍增电流经表面均匀连续的电阻层流向表面引出电极，光电流被分为二份(对应表面2个独立引出电极)或四份(对应表面4个独立引出电极)，引出电极电流的大小与入射光子位置到引出电极之间的电阻大小有关，该电阻又与入射光子位置到引出电极之间的距离有关。通过同时测量各引出电极电流的大小，结合理论计算，便可以得到光子的入射位置信息。本发明具有灵敏度高、分辨率高、电路配置简单、响应速度快的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高增益的半导体光探测器，尤其是具有位置探测灵敏度的硅光电倍增探测器的结构及使用方法。
技术背景
光电位置探测器是现代工业检测、航空对接、三维形貌测量、机器人视觉和生物医学中很重要的一类图像传感器件。目前主要的图像传感器有电荷耦合器件(CCD-chargecoupled devices)、光电二极管列阵检测器、基于PIN和APD的位置灵敏探测器。CCD是由分立的氧化物半导体(MOS)电容阵列组成的阵列型器件，具有存储和转移信息电荷的能力，经由外部电路控制，依次读取每一个像素的信号，得到图像信息。但由于CCD是阵列型(分割型)器件，像素的大小限制了CCD的分辨率，此外CCD响应速度慢、生产过程复杂、价格昂贵(参见G.Lutz，Semiconductor radiation detectors vol.10：Springer，1999)。光电二极管阵列是由许多光电二极管以线阵或面阵的形式在一块芯片上的集成，通过记录二极管所在位置光强转变成的电信号来确定位置信息，引出电极多，读出电子学复杂。基于PIN和APD的位置灵敏探测器，他们的结构特点是大面积的P-i-N和P-N结构，利用表层电阻层的分流效应，结合正面或背面的四条边上或四个角落的电极，得到连续的位置信息，具有较高的位置分辨率(参见http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/psd_techinfo_e.pdf)，且价格低廉。但基于PIN的位置灵敏探测器，内部无增益，信噪比较差；基于APD的位置灵敏探测器，有几十-几百的增益，信噪比有所改善，但大面积的P-N结构，使其不能进行单光子计数，在弱光探测领域的应用受到了限制(参见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)。而一般硅光电倍增探测器(SiPM)，虽然具有高增益的优点，但由于其表面重掺杂区是非连续的，不能利用表层电阻层的分流效应，不具备位置分辨能力(参见Serra，N.，et al.″Characterization of new FBK SiPM technology for visible light detection.″Journal of Instrumentation8.03，2013：P03019)。
发明内容
针对目前CCD阵列型器件分辨率受像元尺寸限制、响应速度慢的问题；光电二极管阵列只能检测有紫外吸收的物质；PIN型和APD型位置灵敏探测器增益低；一般硅光电倍增探测器(SiPM)不具备位置灵敏的限制。本发明提出了一种新型的硅光电倍增探测器，兼有一般PIN或APD位置灵敏探测器具有的对位置探测灵敏、位置探测分辨率高、电路配置简单的优点以及一般SiPM具有的探测灵敏度高、响应速度快的优点。本发明新型的硅光电倍增探测器，由10至10万个雪崩光电二极管(APD)单元集成在同一个硅外延片上组成，正面电极位于器件的表面，背面电极在硅衬底一侧，在横向方向，APD单元之间由所围绕的PN结的较深耗尽区所隔离，在纵向方向，每个APD单元都串联一个雪崩淬灭电阻，雪崩淬灭电阻由所述硅外延片外延层制备，所有APD单元在器件表面由均匀连续的重掺杂硅电阻层连接，所述重掺杂硅电阻层用作位置灵敏探测时的分流电阻，其特征是：
所述正面电极有4个，分别位于探测器的四条边上，即呈四边形布局，每个正面电极独立输出信号，
所述正面电极有4个，分别位于探测器的四个角上，即呈钉扎型布局，每个正面电极独立输出信号，
所述正面电极有2个，由二个相互平行并与探测器边沿平行的金属电极条构成，每个正面电极独立输出信号，
所述硅外延片导电类型为P型或N型，
所述重掺杂硅电阻层的导电类型为N型或P型。
附图说明
图1、本发明硅光电倍增探测器的剖面结构示意图。
图2、本发明硅光电倍增探测器四边形正面电极引出结构示意图。
图3、本发明硅光电倍增探测器钉扎包型正面电极引出结构示意图。
图4、本发明硅光电倍增探测器2条平行金属电极条正面电极引出结构示意图。
具体实施方式
本发明采取以下技术方案：
1、一种硅光电倍增探测器，由10至10万个雪崩光电二极管(APD)单元集成在同一个硅外延片上组成，正面电极位于器件的表面，背面电极在硅衬底一侧，在横向方向，APD单元之间由所围绕的PN结的较深耗尽区所隔离，在纵向方向，每个APD单元都串联一个雪崩淬灭电阻，雪崩淬灭电阻由所述硅外延片外延层制备，所有APD单元在器件表面由均匀连续的重掺杂硅电阻层连接，所述重掺杂硅电阻层用作位置灵敏探测器的分流电阻，其特征是：
所述正面电极由四个独立的电极构成，分别位于探测器的四条边上，呈四边形布局。
所述正面电极由四个独立的电极构成，分别位于探测器的四个角上，呈钉扎包型布局。
所述正面电极由二条与探测器边沿平行的金属电极条构成，且相互平行。
所述硅外延片导电类型为P型或N型。
所述重掺杂硅电阻层的导电类型为N型或P型。
以下结合实例具体说明本发明。
图1所示为硅光电倍增探测器的剖面结构示意图。其中1.正面电极，2.减反射膜，3.二氧化硅，4.N型重掺杂区，5.P型重掺杂区(高电场区)，6.P型外延层，7.P型低阻衬底材料(单面抛光、<111>晶向)，8.背面电极。其中外延层的电阻率与其厚度的乘积为1.2Ω·cm2，APD单元的面积(由高电场区限定)为225μm2，探测器面积3mm×3mm。
在其它实施例中所述硅外延片还可以是：P型低阻衬底上的N型外延层，N型低阻衬底上的N型外延层，N型低阻衬底上的P型外延层。APD单元的形状可以为矩形、方形、圆饼形或六边形。
图2所示为硅光电倍增探测器四边形正面电极引出结构示意图。其中1.正面电极，2.减反射膜，3.二氧化硅。
图3所示为硅光电倍增探测器钉扎包型正面电极引出结构示意图。其中1.正面电极，2.减反射膜，3.二氧化硅。
图4所示为硅光电倍增探测器正面电极由二条与探测器边沿平行金属电极条引出结构示意图。其中1.正面电极，2.减反射膜，3.二氧化硅。
本发明主要原理为：探测器表面有2个或4个独立的电极，当光子入射到探测器中工作于击穿电压之上的APD单元时，雪崩倍增电流经表面均匀连续的电阻层流向表面引出电极，光电流被分为二份(对应表面2个独立引出电极)或四份(对应表面4个独立引出电极)，引出电极电流的大小与入射光子位置到引出电极之间的电阻大小有关，该电阻又与入射光子位置到引出电极之间的距离有关。通过同时测量各引出电极电流的大小，结合理论计算，便可以得到光子的入射位置信息。这样的位置灵敏硅光电倍增探测器有很多优点，包括灵敏度高，响应速度快，制作简单等。
需要说明的是，上述实施例仅为说明本发明而非限制本发明的专利范围，任何基于本发明等同变换技术，均应在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种硅光电倍增探测器，由10至10万个雪崩光电二极管APD单元集成在同一个硅外延片上组成，正面电极位于器件的表面，背面电极在硅衬底一侧，在横向方向，APD单元之间由所围绕的PN结的较深耗尽区所隔离，在纵向方向，每个APD单元都串联一个雪崩淬灭电阻，其特征是：雪崩淬灭电阻由所述硅外延片外延层制备，所有APD单元在器件表面由均匀连续的重掺杂硅电阻层连接，所述重掺杂硅电阻层用作位置灵敏探测时的分流电阻，所述正面电极有4个，分别位于探测器的四条边上，即呈四边形布局，每个正面电极独立输出信号。
2.如权利要求1所述的硅光电倍增探测器，其特征在于：所述硅外延片导电类型为P型或N型。
3.如权利要求1所述的硅光电倍增探测器，其特征在于：所述重掺杂硅电阻层的导电类型为N型或P型。
4.一种硅光电倍增探测器，由10至10万个雪崩光电二极管APD单元集成在同一个硅外延片上组成，正面电极位于器件的表面，背面电极在硅衬底一侧，在横向方向，APD单元之间由所围绕的PN结的较深耗尽区所隔离，在纵向方向，每个APD单元都串联一个雪崩淬灭电阻，其特征是：雪崩淬灭电阻由所述硅外延片外延层制备，所有APD单元在器件表面由均匀连续的重掺杂硅电阻层连接，所述重掺杂硅电阻层用作位置灵敏探测时的分流电阻，所述正面电极有4个，分别位于探测器的四个角上，即呈钉扎型布局，每个正面电极独立输出信号。
5.如权利要求4所述的硅光电倍增探测器，其特征在于：所述硅外延片导电类型为P型或N型。
6.如权利要求4所述的硅光电倍增探测器，其特征在于：所述重掺杂硅电阻层的导电类型为N型或P型。
7.一种硅光电倍增探测器，由10至10万个雪崩光电二极管APD单元集成在同一个硅外延片上组成，正面电极位于器件的表面，背面电极在硅衬底一侧，在横向方向，APD单元之间由所围绕的PN结的较深耗尽区所隔离，在纵向方向，每个APD单元都串联一个雪崩淬灭电阻，其特征是：雪崩淬灭电阻由所述硅外延片外延层制备，所有APD单元在器件表面由均匀连续的重掺杂硅电阻层连接，所述重掺杂硅电阻层用作位置灵敏探测时的分流电阻，所述正面电极有2个，由二个相互平行并与探测器边沿平行的金属电极条构成，每个正面电极独立输出信号。
8.如权利要求7所述的硅光电倍增探测器，其特征在于：所述硅外延片导电类型为P型或N型。
9.如权利要求7所述的硅光电倍增探测器，其特征在于：所述重掺杂硅电阻层的导电类型为N型或P型。
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