CN107003419B - 固态光电倍增管 - Google Patents
固态光电倍增管 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107003419B CN107003419B CN201580052301.1A CN201580052301A CN107003419B CN 107003419 B CN107003419 B CN 107003419B CN 201580052301 A CN201580052301 A CN 201580052301A CN 107003419 B CN107003419 B CN 107003419B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- trap
- pressure trap
- solid state
- low pressure
- micro unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 25
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 6
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims 10
- 238000002600 positron emission tomography Methods 0.000 description 19
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 12
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 12
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 12
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 238000002603 single-photon emission computed tomography Methods 0.000 description 7
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000012879 PET imaging Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000013170 computed tomography imaging Methods 0.000 description 2
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000012633 nuclear imaging Methods 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000002583 angiography Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007850 degeneration Effects 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002594 fluoroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000009607 mammography Methods 0.000 description 1
- 238000009206 nuclear medicine Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 230000031264 response to gamma radiation Effects 0.000 description 1
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
- G01T1/248—Silicon photomultipliers [SiPM], e.g. an avalanche photodiode [APD] array on a common Si substrate
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
- G01T1/247—Detector read-out circuitry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
- G01T1/249—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors specially adapted for use in SPECT or PET
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14603—Special geometry or disposition of pixel-elements, address-lines or gate-electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14609—Pixel-elements with integrated switching, control, storage or amplification elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
- H01L27/14658—X-ray, gamma-ray or corpuscular radiation imagers
- H01L27/14663—Indirect radiation imagers, e.g. using luminescent members
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N5/00—Details of television systems
- H04N5/30—Transforming light or analogous information into electric information
- H04N5/32—Transforming X-rays
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Nuclear Medicine (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
在本文中提供固态光电倍增管的实施例。在一些实施例中，光电传感器可以包括：感测元件；和读出电子设备，其中，感测元件与读出电子设备AC耦合。在一些实施例中，固态光电倍增管可以包括微单元，该微单元具有：感测元件；和读出电子设备，其中，感测元件与读出电子设备AC耦合。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请在35U.S.C.§119下要求标题为“SOLID STATE PHOTOMULTIPLIER”的提交于2014年9月22日的美国临时专利申请序号62/053487的优先权的益处，将其整个公开通过引用而合并于本文中。
背景技术
本文中所公开的主题一般涉及供在诸如X射线、核医学成像系统、其组合等的成像系统中使用的检测器。
常规的成像技术通常包括配置成将入射辐射转换成能够在图像形成中使用的有用的电信号的一个或更多个检测器。这类检测器可以采用可以对响应于入射辐射而检测在闪烁体中所生成的光学信号有用的固态光电倍增管(例如，硅光电倍增管(SiPM))。用来读出模拟SSPM像素的典型的机构可以包括SSPM信号与外部电子设备的AC或DC耦合。然而，由于沿着信号路径的杂散或寄生电容，信号可被退化，由此使检测器遭受串扰、信号完整性的退化和附加噪声。
发明人观察到，读出电子设备与相同管芯(die)上的SSPM的集成可以是减少这种串扰或信号噪声且保存信号完整性的一个机构。这类机构通常包括在与读出电子设备(在低压阱中制备)相同的管芯上的光电二极管(例如，单光子雪崩二极管(SPAD)(在高压阱中制备)，并且，将SPAD与读出电子设备接口连接以便将由SPAD所生成的信号与读出电子设备DC耦合。然而，这些配置要求专门制备管芯，以促进SPAD与电子设备之间的隔离。此外，这类配置可仍然遭受高压组件(SPAD)与低压组件(读出电子设备)之间的串扰。
因而，发明者提供了改进的固态光电倍增管。
发明内容
在本文中提供固态光电倍增管的实施例。在一些实施例中，光电传感器可以包括：感测元件；和读出电子设备，其中，感测元件与读出电子设备AC耦合。
在一些实施例中，固态光电倍增管可以包括微单元，该微单元具有；感测元件；和读出电子设备，其中，感测元件与读出电子设备AC耦合。
附图说明
图1是根据本发明的一些方面的示范性的PET成像系统的图解表示。
图2是用于PET数据采集系统的示范性的常规的前端读出电子设备的框图。
图3描绘根据本发明的一些方面的检测器元件的透视图。
图4是根据本发明的一些方面的用于PET数据采集系统的示范性的前端读出电子设备的示意图。
图5是根据本发明的一些方面的示范性的微单元的框图。
图5A是根据本发明的一些方面的图5中所示出的框图的一部分。
图6描绘根据本发明的一些实施例的固态光电倍增管的一部分的横截面图。
图7描绘根据本发明的一些实施例的图6中所示出的固态光电倍增管的该部分的自上而下视图。
图8描绘根据本发明的一些实施例的固态光电倍增管的一部分的横截面图。
图9描绘根据本发明的一些实施例的图8中所示出的固态光电倍增管的该部分的自上而下视图。
图10描绘根据本发明的一些实施例的固态光电倍增管的一部分的横截面图。
图11描绘根据本发明的一些实施例的固态光电倍增管的一部分的横截面图。
图12描绘根据本发明的一些实施例的固态光电倍增管的一部分的自上而下视图。
图13描绘根据本发明的一些实施例的固态光电倍增管的一部分的自上而下视图。
具体实施方式
在本文中公开了固态光电倍增管的实施例。在至少一些实施例中，本发明的固态光电倍增管有利地利用低压阱，低压阱使低压读出电子设备(例如，缓冲器、比较器等)与高压组件(例如，光电二极管，例如单光子雪崩二极管(SPAD)等)隔离，以形成促进将由高压组件所生成的信号与读出电子设备AC耦合的电容器。此外，该机构可以进一步有利地扩展成允许制备用于将高压信号与芯片外的读出电子设备AC耦合的芯片上的电容器。
本文中所讨论的实施例涉及诸如正电子发射断层摄影(PET)或单光子发射计算机断层摄影(SPECT)成像系统或者包括这种PET或SPECT成像功能性的组合的或混合的成像系统(例如，PET/MR、PET/CT或SPECT/CT成像系统)的核成像系统中的检测器。应当领会，然而，还可以在用来检测辐射或核粒子的其他类型的成像模态或检测器，例如用于基于X射线的成像模态(例如，荧光检查、乳腺摄影、计算机断层摄影(CT)、断层融合、血管造影等)中的射线照相检测器中采用本装置。然而，为了使解释简化，且为了在具体的示例的上下文中促进讨论，将在核成像系统的上下文中提供本讨论。
图1是根据本发明的一些方面的示范性的PET成像系统的图解表示。虽然在本文中描述并讨论PET系统110，但应当领会，本途径还可以在诸如SPECT或CT成像系统的其他成像上下文中为有用的。
所描绘的PET系统110包括检测器组合件112、数据采集电路系统114以及图像重建及处理电路系统116。如图1中所描绘的，PET系统110的检测器组合件112通常包括围绕成像体积布置的许多检测器模块(通常由参考数字118标示)。如本文中所讨论的，检测器组合件112可以经由模块118而配置成响应于由正电子湮没事件而生成且从所成像的体积内的受试者发射的γ射线而生成信号。在某些实现中，检测器模块118能够包括闪烁体和光子检测电子设备。检测器组合件112可以是用于采集PET数据的任何合适的构造和配置。例如，如在所描绘的示例中，检测器组合件112能够配置为全环或部分环。
在某些实现中，例如在检测器模块118的闪烁体中，γ射线可以转换成较低能量的光子，这些光子转而可以在检测器模块118中被检测且转换成电信号，能够对该电信号进行调节和处理，以输出数字信号。在某些成像应用中，为了克服响应于闪烁体处的冲击辐射(即，低信号电平)而生成的低数量的光学光子，固态光电倍增管或硅光电倍增管(SiPM)可以与闪烁体组合，以提供信号的放大。
由检测器模块118所生成的信号能够用来匹配γ射线检测对，以作为潜在的符合事件。即，在这种PET实现中，当两条γ射线撞击相对的检测器时，可以确定正电子湮没发生于将两个碰撞位置连接的线上的某处(不存在随机与散射检测的相互作用的影响)。在SPECT的实现中，作为替代，可以至少部分地基于与检测器组合件相关联的准直，推断飞行线信息。能够对所收集到的数据进行分类和整合，并且在诸如由图像重建及处理电路系统116进行的随后的处理中使用这些数据。
因而，在操作中，检测器采集电路系统114用来读出来自检测器组合件112的检测器模块118的信号，其中，响应于在所成像的体积内发射的γ射线而生成信号。由检测器采集电路系统114采集到的信号提供给图像重建及处理电路系统116。图像重建及处理电路系统116基于所推导出的γ射线发射位置而生成图像。由系统操作员利用操作员工作站126来将控制指令提供给所描述的组件中的一些或全部，并且，操作员工作站126用于配置帮助数据采集和图像生成的各种操作参数。操作工作站126还可以显示所生成的图像。备选地，所生成的图像可以显示于诸如图像显示工作站128的远程观察工作站处。
应当领会，为了促进对PET系统110的操作的解释和讨论，在图1中与其他所图示的组件(例如，检测器组合件112、操作员工作站126和图像显示工作站128)分开地示出了检测器采集电路系统114和图像重建及处理电路系统116。然而，应当领会，在某些实现中，这些电路系统中的一些或全部可以作为检测器组合件112、操作员工作站126和/或图像显示工作站128的一部分而提供。例如，在数据采集电路系统114上运行或作为数据采集电路系统114的一部分而提供，无论作为检测器组合件112、操作员工作站126和/或图像显示工作站128的一部分而提供的硬件、软件和/或固件可以用来执行本文中所描述的各种检测器读出和/或控制动作。在某些实现中，数据采集电路系统114可以包括专门配置或编程的硬件、存储器或处理器(例如，如本文中所讨论的用于执行检测器读出步骤的专用集成电路(ASIC))。类似地，可以使用一个或更多个通用或专用处理器和配置成在这类处理器上运行的所存储的代码或算法，执行这些读出功能中的某些功能。同样地，专用硬件和/或电路系统的组合可以联合配置成运行所存储的代码的一个或更多个处理器而使用，以实现本文中所讨论的步骤。
考虑到前述，将更详细地讨论诸如图1中所描绘那个系统的系统的一个实现中的检测器技术。具体地，PET或SPECT系统可以包含光电传感器120，光电传感器120利用诸如检测器模块118内的作为γ射线检测机构的一部分的固态光电倍增管装置的阵列。一般还被称为微像素光子计数器(MPPC)或微像素雪崩光电二极管(MAPD)的固态光电倍增管(SSPM)用作光电传感器已变得流行。通常，SSPM实现为硅光电倍增管(SiPM)。在某些实现中，这类装置可以采取用于检测冲击光子的微单元(例如，包含无源淬灭式盖革模式雪崩光电二极管(APD))的阵列的形式。通常，用于光子检测的SSPM装置能够提供关于诸如冲击事件的时间、与事件相关联的能量和检测器内的事件的位置的某些参数的信息。能够通过应用于由SSPM所生成的输出信号的处理算法而确定这些参数。
在一些实施例中，多信道读出前端专用集成电路(ASIC)可以与PET(或SPECT)系统中的SSPM的阵列接口连接。ASIC可以作为图1的数据采集电路系统114的一部分而提供，并且，可以配置成将关于每个SSPM中的事件的定时、能量和位置的信息提供给处理系统(例如，处理电路系统116)，以及提供对每个SSPM进行偏置的能力。
转到图2，描绘表示诸如可以与图1的PET系统110一起使用的PET数据采集系统230的前端读出电子设备的一个示例的框图。PET数据采集系统230可以包括多个像素(SSPM)240以及多个ASIC 236，以作为检测器模块(图1的118)和/或数据采集电路系统(图1的114)的一部分。响应于γ射线的相互作用而在闪烁体中生成的光被像素检测，且被放大。在该示例中，每个SSPM 240包括经由电容器238而与ASIC 236电通信的阳极输出234。即，SSPM240的输出是对相应的ASIC 236的输入。每个SSPM 240可以进一步与电阻器242电耦合。
ASIC 236转而提供定时信号、能量信号和/或位置信号中的一个或更多个，以作为输出。由ASIC 236输出的这些信号中的每个与在由ASIC 236处理之后从相应的SSPM 240获得的信息相对应。虽然在图中仅示出三个SSPM 240，但PET数据采集系统230可以包含适合于促进PET数据采集系统230的预期的功能性的任意数量的SSPM 240。例如，在一些实施例中，数据采集系统230的前端读出电子设备可以包括十八(18)个SSPM 240。然而，在其他实现中，可以在数据采集系统230内存在其他量的SSPM 240。
可以使用适合于提供如本文中所描述的预期的功能性的任何材料来制备固态光电倍增管240。例如，在一些实施例中，可以将硅用作半导体材料而形成每个SSPM 240，然而，作为替代，能够使用其他合适的半导体材料(除了别的之外，例如SiC、AlxGa1-xAs、GaP、GaN及其合金)。
在一些实施例中，每个SSPM 240可以包括多个被称为微单元的微观单元。作为说明，在图3中示出单个SSPM 240，以图示本概念中的某些概念。SSPM 240上的微单元346的数量通常足以为SSPM 240提供有效的动态范围。SSPM 240的区域足以覆盖形成于闪烁体342上的一个或更多个晶体元件350。然而，应当领会，SSPM 240的精确的数量和密度将由检测器模块设计确定，以实现最佳性能和其他已知的因素。
如图3中所描绘的，单个SSPM 240的像素由多个微单元346组成，这些微单元346将来自闪烁体342的单个光学光子到达放大成输出信号，其中，每个微单元346包含一个或更多个APD。通常，每个SSPM 240将包含大量的微单元346(例如，由此提供每平方毫米100至2500个APD之间)。在一些实施例中，每个微单元346可以具有20微米至100微米之间的长度。在一个实现中，每个微单元346可以作为高于击穿电压几伏的个别的盖革模式的APD而操作，其中每个微单元346实际上与所有的其他微单元完全相同。在该操作模式中，当一个或更多个光子被个别微单元346吸收时，通过吸收光学光子而生成的电子或空穴开始限于那个微单元346的雪崩击穿。
在一些实施例中，每个微单元346独立于其他微单元而运行，以检测光子。在这类实施例中，单个离散单元的电荷从微单元346独立于在其中吸收的光子的数量而发射。即，对于每个盖革击穿，微单元346的输出信号将具有基本上相同的形状和电荷。在一些实施例中，微单元并联电连接以便在诸如SSPM 240的使信号在其之上聚集的某个区域之上产生集成电流。微单元346的合计的放电电流指示给定的区域之上的辐射的入射。该准模拟输出能够提供关于对于其使信号聚集的区域之上的入射光子通量的幅值信息。
常规的SSPM阵列配置通常包括经由SSPM信号与外部电子设备(在图4中示意地示出)的AC或DC耦合而将每个像素(图2的SSPM 240)与ASIC/读出电子设备(ASIC 236)耦合。然而，发明人观察到，由于沿着信号路径的寄生电容，可以使信号退化，由此使检测器遭受串扰和附加噪声。读出电子设备与相同管芯上的SSPM的集成可以是减少这种串扰或信号噪声的一个机构。这类机构通常包括将相同管芯上的SPAD(在高压阱中制备)接口连接以便将由SPAD所生成的信号与读出电子设备(在低压阱中制备)DC耦合。然而，这些配置要求SPAD与电子设备之间的专门隔离，且仍然遭受高压组件与低压组件之间的串扰。
同样地，如下文中所讨论的，在一些实施例中，本发明的固态光电倍增管有利地利用隔离阱(在下文中描述)来使低压组件(例如，读出电子设备、缓冲器、比较器等)与高压组件(例如SPAD(下文中所讨论的APD 502))隔离，且进一步利用通过隔离阱的结构而形成的电容来将高压组件与低压组件AC耦合。例如，在减少或消除上文中所讨论的增加的噪声、串扰或信号退化的同时，这种AC耦合可以有利地允许将由高压组件(SPAD)所生成的信号传播至低压组件(读出电子设备)。
在图5中示意地示出上文中所讨论的电容的一个示例。在所描绘的实施例中，微单元500的感测元件512包含雪崩光电二极管(APD)502和阻抗电路系统(例如，频率相关的输入阻抗电路)506和与阻抗电路系统506耦合的电阻器504中的至少一个。在这类实施例中，APD 502与读出电子设备510经由电容器508(例如，通过如本文中所描述的隔离阱而形成的电容器)耦合。阻抗电路系统506可以包括在本领域中已知的任何无源或有源组件，例如，比如一个或更多个电阻器。虽然示出为仅具有一个APD 502，但微单元可以是适合于提供微单元500的预期的功能性的任意数量的APD 502。例如，在一些实施例中，微单元500可以包括两个或更多个APD 502或者APD502的阵列，例如图5A中所示出的两个APD 502。在这类实施例中，每个APD 502可以分别与两个或更多个电阻器(与所示出的每个APD502耦合的一个电阻器504(淬灭电阻器))耦合。如图中所示，当存在时，两个或更多个电阻器504可以各自在第一端514处与APD 502耦合，且在第二端516处相互耦合。另外，两个或更多个电阻器504可以进一步经由电容器508和阻抗电路系统506而与读出电子设备耦合。
在一些实施例中，可以经由制备固态光电倍增管(例如，SiPM)期间在单个晶圆上的高压元件和低压元件(例如，CMOS阱)的相对放置而获得由电容器508所提供的电容。例如，参考图6中的固态光电倍增管(SSPM)600的一部分的横截面图和图7中的SSPM600的该部分的顶视图，在一些实施例中，SSPM 600可以包含衬底602以及形成于衬底602中的第一阱(例如，高压阱)604和第二阱(例如，低压阱)606。在这类实施例中，第一阱604可以与SSPM600的高压组件(例如，APD或SPAD)耦合，并且，第二阱606可以与SSPM 600的低压组件(例如，读出电子设备)耦合。衬底602可以是适合于SSPM 600的制备的任何类型的衬底，例如，比如基于硅的衬底等。另外，可以使衬底602掺杂，以形成p型或n型材料(图6和图7中所示出的p型)。
可以使第二阱606掺杂，以形成p型或n型阱(图6和图7中所示出的n型阱)。在一些实施例中，一个或更多个嵌套式阱(一个p型嵌套式阱612和一个n型嵌套式阱614)可以形成于第二阱606内。
在一些实施例中，隔离阱608可以设置于第一阱604与第二阱606之间。在这类实施例中，可以使隔离阱608掺杂，以形成p型或n型阱(图6和图7中所示出的n型阱)。形成于隔离阱608内的是具有与隔离阱608的类型相反的类型的一个或更多个嵌套式阱，例如，比如图6和图7中所示出的p型嵌套式阱610。发明人观察到，隔离阱608和嵌套式阱610的结构提供电容以便如上文中所描述地将高压阱604中的高压组件与低压组件(低压阱606中)AC耦合。
虽然衬底602、第一阱604、第二阱606以及隔离阱608和相应的嵌套式阱在图6和图7中示出为某一类型(例如，p型或n型)，但要理解，阱可以是适合于促进如本文中所描述的SSPM 600的操作的任何类型。例如，图8中的固态光电倍增管(SSPM)600的一部分的横截面图和图9中的SSPM 600的该部分的顶视图描绘具有与图6和图7相比的相对的类型的SSPM600的组件的每个。
虽然在图6中示出固态光电倍增管600的一个配置，但要理解，可以利用适合于提供上述的电容/耦合的高压阱604相对于低压阱606的任何配置/放置。例如，在一些实施例中，低压阱606可以设置成充分地接近(例如，与如图6中所示地嵌套于高压阱604内截然相反)于高压阱604，以提供预期的电容/耦合。在这类实施例中，可以使高压阱604和低压阱606中的每个的取向或放置优化，以便使将会另外对其他组件(例如，低压元件)有影响的由高压组件(例如，APD或SPAD)造成的边缘电场偏移。可以利用通常用于高压组件设计的一个或更多个算法或软件工具来确定这种边缘电场或其泄漏效应。
虽然示出提供预期的电容且促进低压组件和高压组件的AC耦合的每个阱的某些配置，但可以经由本领域中已知的任何合适的部件而采集电容。例如，图10示出经由隔离阱608经由电容器(在仿体(phantom)中以616示出)高压阱606和低压阱604的耦合的一般描绘。可以经由在隔离阱中制备的任何其他合适的类型的电容器，例如，比如MOSFET栅极电容器、导体-绝缘体-导体电容器等而促进这种耦合。
虽然在上文中的某些配置中示出，但低压阱和高压阱可以按适合于提供如本文中所描述的AC耦合的任何方式布置。例如，在图11-12中描绘一部分的微单元1102的示范性的配置，其中，低压阱1106(例如，上述的低压阱606)示出为嵌套于高压阱1104内(例如，上述的高压阱604)。参考图12和图13中的自上而下视图，在一些实施例中，至少一部分的低压阱1106可以设置围绕高压阱1104和APD 1202的周边。在这类实施例中，微单元1102的外周边可以配置成容纳诸如图13中所示出的读出电子设备1302。在一些实施例中，多个微单元(在仿体中以1202示出的一个附加微单元)可以设置成与微单元1102相邻，以形成阵列1206。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且，还允许本领域任何技术人员实践本发明，包括制作并使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明的可取得的专利范围由权利要求书定义，并且，可以包括本领域技术人员所想到的其他示例。如果这类其他示例具有没有不同于权利要求书的文字语言的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的无实质差异的等效结构元件，则它们意图处于权利要求书的范围之内。
Claims (18)
1.一种用于光电传感器的微单元，包含：
感测元件；以及
读出电子设备，所述感测元件与所述读出电子设备AC通过电容器耦合，其中，所述电容器由至少一个低压阱和至少一个高压阱形成，其中，所述至少一个低压阱和所述至少一个高压阱形成于衬底内。
2.如权利要求1所述的微单元，进一步包含：
多个光电二极管；
多个淬灭电阻器，每个具有分别与所述多个光电二极管耦合的第一端，并且，每个具有相互电耦合且经由所述电容器而与所述读出电子设备电耦合的第二端。
3.如权利要求1所述的微单元，其中，所述低压阱设置于所述高压阱内。
4.如权利要求1所述的微单元，其中，至少一部分的所述低压阱围绕所述高压阱的周边设置。
5.如权利要求1所述的微单元，其中，所述电容器由设置于所述至少一个高压阱与所述至少一个低压阱之间的隔离阱形成。
6.如权利要求5所述的微单元，其中，所述隔离阱包含设置于所述隔离阱内的嵌套式阱，其中，所述隔离阱包含p型掺杂剂或n型掺杂剂中的一个，并且，其中，所述嵌套式阱包含与所述隔离阱的掺杂剂相反的p型掺杂剂或n型掺杂剂中的一个。
7.如权利要求1所述的微单元，其中，所述感测元件包含在高于击穿电压的盖革模式中操作的雪崩光电二极管。
8.如权利要求1所述的微单元，其中，所述感测元件包含淬灭电阻器和阻抗电路系统中的至少一个。
9.如权利要求8所述的微单元，其中，所述阻抗电路系统包含无源元件和有源元件中的至少一个。
10.一种固态光电倍增管，包含：
微单元，具有；
感测元件；以及
读出电子设备，其中，所述感测元件与所述读出电子设备AC通过电容器耦合，其中，所述电容器由至少一个低压阱和至少一个高压阱形成，其中，所述至少一个低压阱和所述至少一个高压阱形成于衬底内。
11.如权利要求10所述的固态光电倍增管，其中，所述微单元进一步包含：
多个光电二极管；
多个淬灭电阻器，每个具有分别与所述多个光电二极管耦合的第一端，并且，每个具有相互电耦合且经由所述电容器而与所述读出电子设备电耦合的第二端。
12.如权利要求10所述的固态光电倍增管，其中，所述低压阱设置于所述高压阱内。
13.如权利要求10所述的固态光电倍增管，其中，至少一部分的所述低压阱围绕所述高压阱的周边设置。
14.如权利要求10所述的固态光电倍增管，其中，所述电容器由设置于所述至少一个高压阱与所述至少一个低压阱之间的隔离阱形成。
15.如权利要求14所述的固态光电倍增管，其中，所述隔离阱包含设置于所述隔离阱内的嵌套式阱，其中，所述隔离阱包含p型掺杂剂或n型掺杂剂中的一个，并且，其中，所述嵌套式阱包含与所述隔离阱的掺杂剂相反的p型掺杂剂或n型掺杂剂中的一个。
16.如权利要求10所述的固态光电倍增管，其中，所述光电二极管包含在高于击穿电压的盖革模式中操作的雪崩光电二极管。
17.如权利要求10所述的固态光电倍增管，其中，所述感测元件包含淬灭电阻器和阻抗电路系统中的至少一个。
18.如权利要求17所述的固态光电倍增管，其中，所述阻抗电路系统包含无源元件和有源元件中的至少一个。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201462053487P | 2014-09-22 | 2014-09-22 | |
| US62/053487 | 2014-09-22 | ||
| US14/851518 | 2015-09-11 | ||
| US14/851,518 US9568620B2 (en) | 2014-09-22 | 2015-09-11 | Solid state photomultiplier |
| PCT/US2015/050443 WO2016048754A1 (en) | 2014-09-22 | 2015-09-16 | Solid state photomultiplier |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107003419A CN107003419A (zh) | 2017-08-01 |
| CN107003419B true CN107003419B (zh) | 2019-06-18 |
Family
ID=55525583
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201580052301.1A Expired - Fee Related CN107003419B (zh) | 2014-09-22 | 2015-09-16 | 固态光电倍增管 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9568620B2 (zh) |
| EP (1) | EP3198306A1 (zh) |
| JP (1) | JP2017538281A (zh) |
| CN (1) | CN107003419B (zh) |
| WO (1) | WO2016048754A1 (zh) |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10634797B2 (en) * | 2017-07-07 | 2020-04-28 | International Business Machines Corporation | Real time X-ray dosimeter using diodes with variable thickness degrader |
| JP7174932B2 (ja) * | 2018-03-23 | 2022-11-18 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 固体撮像素子 |
| US11195334B2 (en) | 2018-08-03 | 2021-12-07 | Igt | Providing interactive virtual elements within a mixed reality scene |
| US11282331B2 (en) | 2018-08-07 | 2022-03-22 | Igt | Mixed reality systems and methods for enhancing gaming device experiences |
| US10726680B2 (en) | 2018-08-20 | 2020-07-28 | Igt | Augmented reality coin pusher |
| US20200090453A1 (en) | 2018-09-19 | 2020-03-19 | Igt | Pairing augmented reality devices with electronic gaming machines |
| US10810825B2 (en) | 2018-10-11 | 2020-10-20 | Igt | Systems and methods for providing safety and security features for users of immersive video devices |
| US10720006B2 (en) | 2018-10-11 | 2020-07-21 | Igt | Mixed reality systems and methods for displaying and recording authorized real-world and virtual elements |
| US10825302B2 (en) | 2018-11-08 | 2020-11-03 | Igt | Augmented reality ticket experience |
| US11087595B2 (en) * | 2019-01-24 | 2021-08-10 | Igt | System and method for wagering on virtual elements overlaying a sports betting field |
| US11410487B2 (en) | 2019-05-03 | 2022-08-09 | Igt | Augmented reality brand-based virtual scavenger hunt |
| US11410488B2 (en) | 2019-05-03 | 2022-08-09 | Igt | Augmented reality virtual object collection based on symbol combinations |
| US10743124B1 (en) | 2019-05-10 | 2020-08-11 | Igt | Providing mixed reality audio with environmental audio devices, and related systems, devices, and methods |
| DE102019215835A1 (de) * | 2019-10-15 | 2021-04-15 | Robert Bosch Gmbh | Erweiterung eines Dynamikbereichs von SPAD-basierten Detektoren |
| CN111223883B (zh) * | 2020-01-17 | 2022-10-11 | 南昌大学 | 一种双时步光电倍增器件 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101813730A (zh) * | 2010-04-20 | 2010-08-25 | 重庆大学 | 基于紫外法的电力设备放电检测装置 |
| CN102956739A (zh) * | 2012-10-17 | 2013-03-06 | 黄秋 | 微光电感单元及其背读式半导体光电倍增管及其组件 |
| CN103115688A (zh) * | 2013-01-24 | 2013-05-22 | 南京大学 | 频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器 |
| CN104539243A (zh) * | 2014-12-12 | 2015-04-22 | 北京永新医疗设备有限公司 | 伽玛射线的位置读出装置和伽玛射线的位置读出系统 |
Family Cites Families (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10189928A (ja) * | 1996-12-27 | 1998-07-21 | Hamamatsu Photonics Kk | ＢｉＣＭＯＳ内蔵受光半導体装置 |
| JPH10233525A (ja) * | 1997-02-19 | 1998-09-02 | Hamamatsu Photonics Kk | アバランシェフォトダイオード |
| US6417504B1 (en) * | 2000-09-29 | 2002-07-09 | Innovative Technology Licensing, Llc | Compact ultra-low noise high-bandwidth pixel amplifier for single-photon readout of photodetectors |
| US7262402B2 (en) | 2005-02-14 | 2007-08-28 | Ecole Polytechnique Federal De Lausanne | Integrated imager circuit comprising a monolithic array of single photon avalanche diodes |
| GB2426575A (en) * | 2005-05-27 | 2006-11-29 | Sensl Technologies Ltd | Photon detector using controlled sequences of reset and discharge of a capacitor to sense photons |
| US8355117B2 (en) | 2005-12-21 | 2013-01-15 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne | Method and arrangement for measuring the distance to an object |
| FR2906082B1 (fr) | 2006-09-18 | 2008-10-31 | Commissariat Energie Atomique | Photodiode a avalanche |
| GB2451678A (en) * | 2007-08-10 | 2009-02-11 | Sensl Technologies Ltd | Silicon photomultiplier circuitry for minimal onset and recovery times |
| JP2009141401A (ja) * | 2007-12-03 | 2009-06-25 | Fujifilm Corp | 固体撮像装置 |
| ITTO20080045A1 (it) | 2008-01-18 | 2009-07-19 | St Microelectronics Srl | Schiera di fotodiodi operanti in modalita' geiger reciprocamente isolati e relativo procedimento di fabbricazione |
| EP2144303B1 (en) | 2008-07-10 | 2013-02-06 | STMicroelectronics (Research & Development) Limited | Improvements in Single Photon Avalanche Diodes |
| US8384038B2 (en) | 2009-06-24 | 2013-02-26 | General Electric Company | Readout electronics for photon counting and energy discriminating detectors |
| JP5521721B2 (ja) * | 2009-08-28 | 2014-06-18 | ソニー株式会社 | 撮像素子およびカメラシステム |
| FR2957681B1 (fr) | 2010-03-22 | 2012-05-18 | Commissariat Energie Atomique | Detecteur de photons a haute energie |
| KR101814603B1 (ko) * | 2011-06-16 | 2018-01-05 | 삼성전자주식회사 | 픽셀 소자, 및 이를 포함하는 방사성 측정 모듈과 장치 |
| US9176241B2 (en) | 2011-08-03 | 2015-11-03 | Koninklijke Philips N.V. | Position-sensitive readout modes for digital silicon photomultiplier arrays |
| WO2013034771A2 (en) | 2011-09-08 | 2013-03-14 | Borowski, André | 3d imager and method for 3d imaging |
| US9318524B2 (en) * | 2012-04-30 | 2016-04-19 | Koninklijke Philips N.V. | Imaging detector with per pixel analog channel well isolation with decoupling |
| US9634156B2 (en) * | 2012-05-25 | 2017-04-25 | Sensl Technologies Ltd. | Semiconductor photomultiplier and readout method |
| GB201300334D0 (en) * | 2013-01-09 | 2013-02-20 | St Microelectronics Ltd | Sensor circuit |
| US9405023B2 (en) * | 2013-02-12 | 2016-08-02 | General Electric Company | Method and apparatus for interfacing with an array of photodetectors |
-
2015
- 2015-09-11 US US14/851,518 patent/US9568620B2/en active Active
- 2015-09-16 EP EP15772132.5A patent/EP3198306A1/en not_active Withdrawn
- 2015-09-16 JP JP2017515686A patent/JP2017538281A/ja active Pending
- 2015-09-16 CN CN201580052301.1A patent/CN107003419B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2015-09-16 WO PCT/US2015/050443 patent/WO2016048754A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101813730A (zh) * | 2010-04-20 | 2010-08-25 | 重庆大学 | 基于紫外法的电力设备放电检测装置 |
| CN102956739A (zh) * | 2012-10-17 | 2013-03-06 | 黄秋 | 微光电感单元及其背读式半导体光电倍增管及其组件 |
| CN103115688A (zh) * | 2013-01-24 | 2013-05-22 | 南京大学 | 频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器 |
| CN104539243A (zh) * | 2014-12-12 | 2015-04-22 | 北京永新医疗设备有限公司 | 伽玛射线的位置读出装置和伽玛射线的位置读出系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US9568620B2 (en) | 2017-02-14 |
| US20160084970A1 (en) | 2016-03-24 |
| CN107003419A (zh) | 2017-08-01 |
| EP3198306A1 (en) | 2017-08-02 |
| WO2016048754A1 (en) | 2016-03-31 |
| JP2017538281A (ja) | 2017-12-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107003419B (zh) | 固态光电倍增管 | |
| JP5616368B2 (ja) | 放射線検出器モジュール、当該モジュールを有するイメージング装置、放射線検出器アレイのドリフト補償方法、当該方法を実行するためのコンピュータ可読媒体 | |
| CN101273898B (zh) | 使用固态光电倍增器和闪烁器的光子计数ct探测器 | |
| US8476594B2 (en) | Temperature compensation circuit for silicon photomultipliers and other single photon counters | |
| US9182506B2 (en) | Methods and systems for signal communication in gamma ray detectors | |
| JP6592436B2 (ja) | 放射線検出器モジュール、固体光電子増倍管及び撮像システム | |
| US9271694B2 (en) | System and method of simplifying a direct control scheme for a detector | |
| US8247780B2 (en) | High density, proportional-mode, APD arrays for individual scintillator readout in PET applications | |
| US20130153774A1 (en) | Pixellated scintillator readout arrangement and method | |
| US8937285B2 (en) | Methods and systems for signal communication in gamma ray detectors | |
| US20180059267A1 (en) | Photodetector array readout multiplexer having summing, pulse shaping, and dynamic-switching circuits | |
| US20130161523A1 (en) | Radiation detector with voltage-biased focus grid | |
| KR102063828B1 (ko) | 방사선 영상 기기의 신호 검출 방법 및 그 방사선 영상 기기 | |
| JP6508343B2 (ja) | 放射線検出器および検出器モジュール | |
| US9207334B1 (en) | Methods and systems for a light sensor in gamma ray detectors | |
| JP4178402B2 (ja) | 放射線検出器 | |
| US9754981B2 (en) | Solid state photomultiplier having an intermediate region coupled between high and low voltage regions and associated detector | |
| CN211577436U (zh) | 一种双读出pet探测器正电子成像系统 | |
| US9575191B2 (en) | Solid state photomultiplier | |
| CN110632641B (zh) | 一种双读出pet探测器正电子成像方法与系统 | |
| CN110632641A (zh) | 一种双读出pet探测器正电子成像方法与系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190618 Termination date: 20200916 |