CN104916708B - 一种hpd器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种HPD器件。包括光电阴极组件、管壳结构组件、阳极组件、挡板和雪崩放大器件芯片；采用雪崩放大器件芯片作为光电倍增管的接收阳极；管壳结构组件中采用“凸”型结构陶瓷和“Z”型封接环对挡板进行限位；对雪崩放大器件芯片的下电极进行单独引出；阳极组件中的阳极金属盘和挡板电位悬空。本发明在信号放大的同时保持极低的噪声水平。
Description
技术领域
本发明属于光电信号探测器件技术领域，特别涉及一种HPD器件。
背景技术
在超高速和极微弱光探测应用中，传统的微通道板（MCP）光电倍增管由于需要工作在非常高的电子增益下，一般需要2～3块MCP用于电子信号放大，但在信号被放大的同时，器件的暗噪声同时也一起被放大，因此MCP光电倍增管用于极微弱光探测的下限受到了较大的限制。为了提高改进光电倍增管的探测性能，从1980年代开始，有人尝试用固体器件作为光电倍增管的收集极，期望能够改善器件的光探测下限。
当高能电子轰击半导体表面时，高能电子每损失3.6eV的能量便激发出一对电子空穴对，在高达几千eV的初始能量下，一个高能电子便能激发出1000～2000个电子空穴对，即电子的增益达到了1000～2000，这种电子增益称之为电子轰击半导体（electronbombarded semiconductor，EBS）增益。EBS增益的最大优点是在电子信号被放大的同时，噪声几乎是0放大，因此在某种程度上极大的降低了器件的整体噪声水平。
利用雪崩放大器件作为阳极收集电子，首先在高能电子的轰击下通过EBS增益能够获得几乎无噪声的1000～2000倍增益，放大的电子信号在雪崩放大器件的工作电压作用下，达到雪崩放大器件的雪崩放大区，可以得到进一步信号放大，最终器件的电子增益能够达到104～105。由于EBS增益的存在，雪崩放大器件的雪崩增益可以在100以下，因此可以降低雪崩放大器件的工作电压，使雪崩放大器件本身的噪声保持在一个比较低的水平。
结合EBS增益和雪崩增益，HPD器件的噪声可以做到明显低于传统的MCP光电倍增管，同时HPD器件的时间响应可以做到几百Ps量级，与MCP光电倍增管相当，因此HPD器件是单光子探测、极微弱光探测的最好手段。
发明内容
本发明目：本发明提出一种HPD器件，在信号放大的同时保持极低的噪声水平。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明提出一种HPD器件，包括光电阴极组件、管壳结构组件、阳极组件，还包括挡板和雪崩放大器件芯片；
所述管壳结构组件包括上封接环、横截面为“凸”形的陶瓷环、横截面为“Z”形的下封接环，其中，陶瓷环的凸台阶径向向内；
所述挡板包括金属挡板实体，在金属挡板实体的中心区域布置有以N×N阵列形式排列的N×N个圆孔，N≥2；
所述阳极组件包括阳极金属盘、在阳极金属盘中心位置设置的导电层、与导电层连接的下电极金属引针、在导电层周围以N×N阵列形式排列的N×N个上电极金属引针；其中，下电极金属引针和N×N个上电极金属引针均用绝缘材料与阳极金属盘绝缘封接，且下电极金属引针的上端与阳极金属盘的上表面在同一平面内，每个上电极金属引针的上端高出阳极金属盘的上表面，用于封接下电极金属引针的绝缘材料的面积大于导电层的面积；
所述金属挡板实体固定在下封接环的上面，并套嵌在由陶瓷环的凸台阶所形成的圆环内；
所述N×N个雪崩放大器件芯片以N×N阵列形式固定在导电层上，且每个雪崩放大器件芯片的有效区分别与金属挡板实体上的每个圆孔对中；
所述N×N个雪崩放大器件芯片的上电极均通过金属丝分别与N×N个上电极金属引针连接。
有益效果：本发明采用雪崩放大器件作为光电倍增管的接收阳极，结合了EBS增益和雪崩增益，在实现与传统光电倍增管同等电子增益的同时，还能够保持器件极低的噪声水平，使HPD器件能够实现单光子探测；本发明采用阵列的雪崩放大器件作为阳极接收极，在对信号进行放大的同时还具有位敏探测特性，有更广泛的应用。本发明采用“凸”型结构陶瓷和“Z”型封接环，能够很好地对挡板进行限位，保证挡板的圆孔与雪崩放大器件的有效区对中。同时，对雪崩放大器件的下电极进行单独引出，阳极金属盘和挡板电位悬空，避免了挡板对电子信号的吸收，有利于提高器件的信号探测能力。
附图说明
图1为本发明HPD器件的整体结构示意图。
图2为本发明HPD器件中挡板的俯视图。
图3为本发明HPD器件阳极组件的俯视图。
图4为本发明HPD器件中以2×2阵列形式排列的雪崩放大器件芯片的俯视图。
具体实施方式
如图1所示，本发明HPD器件，包括光电阴极组件10、管壳结构组件20、挡板30极组件40和雪崩放大器件芯片50。
光电阴极组件包括具有台阶结构的输入光窗11和光电阴极12，该光电阴极12制作在输入光窗11的有效面上。
管壳结构组件20包括上封接环21、横截面为“凸”形的陶瓷环22、横截面为“Z”形的下封接环23，其中，陶瓷环22的凸台阶径向向内，凸台阶用于对挡板30进行限位。
如图2所示，挡板30包括金属挡板实体31，在金属挡板实体31的中心区域布置有以N×N阵列形式排列的N×N个圆孔32，N≥2；制作圆孔32的目的是为了高能电子能够通过圆孔32无阻挡的进入到对应的阵列雪崩放大器件芯片50的有效区53，同时阻挡高能电子轰击其它无效的区域，以减少信号的干扰。
如图1和图3所示，阳极组件40包括阳极金属盘41、在阳极金属盘41中心位置设置的导电层45、与导电层45连接的下电极金属引针44、在导电层45周围以N×N阵列形式排列的N×N个上电极金属引针43；其中，下电极金属引针44和N×N个上电极金属引针43均用绝缘材料与阳极金属盘41绝缘封接，且下电极金属引针44的上端与阳极金属盘41的上表面在同一平面内，每个上电极金属引针43的上端高出阳极金属盘41的上表面，用于封接下电极金属引针44的绝缘材料的面积大于导电层45的面积；可以采用电子束蒸发或磁控溅射的方法在阳极金属盘41的中心区域蒸发导电层45，设置导电层45目的是与阵列雪崩放大器件芯片50的下电极进行接触导通，实现下电极金属引针44与阵列雪崩放大器件芯片50的下电极连通，导电层45的面积要略小于阳极金属盘中心区域用于封接下电极金属引针44的绝缘材料的面积，防止雪崩放大器件芯片50的下电极与阳极金属盘41导通。
光电阴极组件10、上封接环21、陶瓷环22、下封接环23和阳极金属盘41依此气密封接。
如图1所示，金属挡板实体31固定在下封接环23的上面，并套嵌在由陶瓷环22的凸台阶所形成的圆环内；下封接环23采用“Z”形的目的是为了支撑挡板30，并与挡板30通过焊接的方式固定在一起。
N×N个雪崩放大器件芯片50以N×N阵列形式固定在导电层45上，且每个雪崩放大器件芯片50的有效区53分别与金属挡板实体31上的每个圆孔32对中；导电层45用于固定阵列雪崩放大器件芯片50和实现阵列雪崩放大器件芯片50的下电极与阳极金属盘中心位置的下电极金属引针44的连通，下电极金属引针44用于雪崩放大器件芯片50的下电极引出。
N×N个雪崩放大器件芯片50的上电极均通过金属丝46分别与N×N个上电极金属引针43连接，用于雪崩放大器件芯片50的上电极引出。
如图4所示，雪崩放大器件芯片50包括：芯片无效区51；芯片上电极52，该芯片上电极52用于实现信号引出；芯片有效区53，该芯片有效区53为电子入射区域；芯片隔离区54，该芯片隔离区54用于阵列芯片的隔离。
优选地，所述雪崩放大器件芯片50为雪崩光电二极管APD或者雪崩二极管AD。
优选地，所述圆孔32的孔口面积小于雪崩放大器件芯片50的有效区53的面积，保证电子信号都打到有效区53内，以避免雪崩放大器件芯片50上电极52对电子信号的吸收干扰。
优选地，如图1所示，在光电阴极组件10施加负高压，下电极金属引针44接地，N×N个上电极金属引针43均接负电压，信号从N×N个上电极金属引针43读出。例如：在光电阴极组件10或上封接环21上施加-5KV～-12KV负高压，在上电极金属引针43上施加-50V～-400V的负电压，下电极金属引针44接地，当光照射到光电阴极12上时，光电子从光电阴极12的表面逸出进入真空中，在负高压的作用下，光电子获得高能量，通过圆孔32轰击芯片的有效区53，通过EBS增益进行电子信号放大，放大后的电子进入到雪崩放大器件的雪崩区，得到进一步放大，最后通过上电极金属引针43将放大后的电子信号读出。
优选地，所述用于绝缘封接下电极金属引针44和上电极金属引针43的绝缘材料为玻璃或者陶瓷。
优选地，所述光电阴极12为双碱阴极、多碱阴极、GaAs阴极、InGaAs阴极或GaASP阴极。
优选地，所述上封接环21和下封接环23的材料为可伐，所述挡板30的材料为不锈钢或可伐，所述阳极金属盘41的材料为可伐，所述金属丝46为金丝或硅铝丝。
优选地，所述输入光窗11的材料为石英玻璃或者康宁玻璃。
优选地，所述上电极金属引针43和下电极金属引针44的直径均为1～3mm。
优选地，雪崩放大器件芯片50可采用2×2或4×4的阵列结构形式。
本发明HPD器件的制作方法是：
（1）将挡板金属挡板实体31固定在“Z”形下封接环23的上面；
（2）利用导电层45将阵列雪崩放大器件芯片50粘合固定在阳极金属盘上面；
（3）用金属丝46将阵列雪崩放大器件芯片50的上电极与具有阵列形式的上电极金属引针43连通；
（4）将阳极组件40与管壳结构组件20通过气密焊接的方式封接在一起；
（5）阴极组件10制作完成后，通过铟封的方式将阴极组件10与管壳结构组件20封接在一起。
Claims (10)
1.一种HPD器件，包括光电阴极组件(10)、管壳结构组件(20)、阳极组件(40)，其特征在于，还包括挡板(30)和雪崩放大器件芯片(50)；
所述管壳结构组件(20)包括上封接环(21)、横截面为“凸”形的陶瓷环(22)、横截面为“Z”形的下封接环(23)，其中，陶瓷环(22)的凸台阶径向向内；
所述挡板(30)包括金属挡板实体(31)，在金属挡板实体(31)的中心区域布置有以N×N阵列形式排列的N×N个圆孔(32)，N≥2；
所述阳极组件(40)包括阳极金属盘(41)、在阳极金属盘(41)中心位置设置的导电层(45)、与导电层(45)连接的下电极金属引针(44)、在导电层(45)周围以N×N阵列形式排列的N×N个上电极金属引针(43)；其中，下电极金属引针(44)和N×N个上电极金属引针(43)均用绝缘材料与阳极金属盘(41)绝缘封接，且下电极金属引针(44)的上端与阳极金属盘(41)的上表面在同一平面内，每个上电极金属引针(43)的上端高出阳极金属盘(41)的上表面，用于封接下电极金属引针(44)的绝缘材料的面积大于导电层(45)的面积；
所述金属挡板实体(31)固定在下封接环(23)的上面，并套嵌在由陶瓷环(22)的凸台阶所形成的圆环内；
所述N×N个雪崩放大器件芯片(50)以N×N阵列形式固定在导电层(45)上，且每个雪崩放大器件芯片(50)的有效区(53)分别与金属挡板实体(31)上的每个圆孔(32)对中；
所述N×N个雪崩放大器件芯片(50)的上电极均通过金属丝(46)分别与N×N个上电极金属引针(43)连接。
2.如权利要求1所述的HPD器件，其特征在于，所述雪崩放大器件芯片(50)为雪崩光电二极管或者雪崩二极管。
3.如权利要求1所述的HPD器件，其特征在于，所述圆孔(32)的孔口面积小于雪崩放大器件芯片(50)的有效区(53)的面积。
4.如权利要求1所述的HPD器件，其特征在于，在光电阴极组件(10)施加负高压，下电极金属引针(44)接地，N×N个上电极金属引针(43)均接负电压，信号从N×N个上电极金属引针(43)读出。
5.如权利要求4所述的HPD器件，其特征在于，所述施加在光电阴极组件(10)上的负高压为-5KV～-12KV，所述施加在上电极金属引针(43)上的负压为-50V～-400V。
6.如权利要求1所述的HPD器件，其特征在于，所述用于绝缘封接下电极金属引针(44)和上电极金属引针(43)的绝缘材料为玻璃或者陶瓷。
7.如权利要求1所述的HPD器件，其特征在于，所述光电阴极(12)为双碱阴极、多碱阴极、GaAs阴极、InGaAs阴极或GaASP阴极。
8.如权利要求1所述的HPD器件，其特征在于，所述上封接环(21)和下封接环(23)的材料为可伐，所述挡板(30)的材料为不锈钢或可伐，所述阳极金属盘(41)的材料为可伐，所述金属丝(46)为金丝或硅铝丝。
9.如权利要求1所述的HPD器件，其特征在于，所述光电阴极组件(10)的输入光窗(11)的材料为石英玻璃或者康宁玻璃。
10.如权利要求1所述的HPD器件，其特征在于，所述上电极金属引针(43)和下电极金属引针(44)的直径均为1～3mm。
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