CN108140532B - 光电管和制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种适合于检测光子(101)的光电管(100)，其包括：电子喷射器(108)，其配置成用于回应于入射光子(101)来发射电子(109)；检测器(110)，其配置成用于收集电子(109)并且提供代表入射光子(101)的输出信号；电极(104)，其配置成用于施加电压来驱使电子(109)到检测器(110)；以及一个或多个侧壁(105)，其在电极(104)与检测器(110)之间形成孔(107)的包络，其中电子喷射器(108)在孔(107)内部并且接合到电极(104)。
Description
【技术领域】
本文的公开涉及管，特别涉及光电管和制造方法。
【背景技术】
光电管或光电池或光电发射管可以是对电磁谱的紫外、可见和近红外范围内的光的灵敏检测器。
光电倍增管是真空光电管，其能够使入射光产生的电流倍增许多次，从而在光的入射通量非常低时能够检测单个光子。光电倍增管在核和粒子物理学、天文学、医学诊断(包括验血)、医学成像、电影胶片扫描、雷达干扰和高端图像扫描器(称为鼓式扫描器)中具有重要应用。
常规的光电倍增管(PMT)包括外壳，其包含光电阴极、若干电子倍增极和电子集电极。由于光电效应，进入管且入射在光电阴极上的光导致光电阴极发射电子。电子撞击连续电子倍增极，从而通过二次发射引起电子倍增。在撞击最后的电子倍增极后，电子被集电极收集并且用于检测入射光。
尽管连续电子倍增极通过二次发射而有助于使到达集电极的电子的数量增加，连续电子倍增极还使得常规PMT变得庞大、笨重且难以生产。
【发明内容】
本文公开适合于检测光子的光电管，该光电管包括：电子喷射器，其配置成用于回应于入射光子来发射电子；检测器，其配置成用于收集电子并且提供代表入射光子的输出信号；电极，其配置成用于施加电压来驱使电子到检测器；以及一个或多个侧壁，其在电极与检测器之间形成孔的包络，其中电子喷射器在孔内部并且接合到电极。
根据实施例，孔包括电子喷射器与检测器之间的空区。
根据实施例，光电管进一步包括接合到一个或多个侧壁中的每个的内表面的金属壁。
根据实施例，金属壁配置成用于施加电压来驱使电子远离侧壁。
根据实施例，金属壁包括下列中的至少一个：导电材料网格；固体金属板；和多个金属线。
根据实施例，光电管进一步包括接合到电极的支承衬底，其中电极在该支承衬底与电子喷射器之间。
根据实施例，检测器包括一个或多个电极和电连接到该一个或多个电极的放大器。
根据实施例，放大器经由硅直通孔(TSV)电连接到一个或多个电极。
根据实施例，一个或多个电极中的每个包括晶体管，其的输出被引导到放大器内。
根据实施例，孔具有非圆柱形形状使得孔从电极到检测器逐渐变小。
根据实施例，检测器包括一个或多个电极和电连接到该一个或多个电极的振荡器。
根据实施例，光电管进一步包括周边电路，其接合到一个或多个侧壁中的一个的外表面。
本文公开制作适合于检测光子的光电管的方法，该方法包括：在第一衬底上形成孔使得该孔的包络由第一衬底内部的一个或多个侧壁形成；在第一衬底上的孔的底部形成检测器；在第二衬底上在电极上形成电子喷射器；以及使第二衬底接合到第一衬底使得电子喷射器在孔内部，其中电子喷射器配置成用于回应于入射光子来发射电子，检测器配置成用于收集电子并且提供代表入射光子的输出信号，并且电极配置成用于施加电压来驱使电子到检测器。
根据实施例，孔包括电子喷射器与检测器之间的空区。
根据实施例，方法进一步包括使金属壁接合到一个或多个侧壁中的每个的内表面。
根据实施例，金属壁配置成用于施加电压来驱使电子远离侧壁。
根据实施例，金属壁包括下列中的至少一个：导电材料网格；固体金属板；和多个金属线。
根据实施例，检测器包括一个或多个电极和电连接到该一个或多个电极的放大器。
根据实施例，放大器经由TSV电连接到一个或多个电极。
根据实施例，一个或多个电极中的每个包括晶体管，其的输出被引导到放大器内。
根据实施例，孔具有非圆柱形形状使得孔从电极到检测器逐渐变小。
根据实施例，检测器包括一个或多个电极和电连接到该一个或多个电极的振荡器。
根据实施例，方法进一步包括使周边电路接合到一个或多个侧壁中的一个的外表面。
本文公开适合于产生人眼看得见的图像的夜视设备，该夜视设备包括：权利要求1的光电管，其中光电管配置成用于检测来自微弱光源的光子。
根据实施例，微弱光源以比日光的光强度少至少4-5个数量级的光强度发射可见光或红外光。
本文公开制作适合于检测光子的光电管的方法，该方法包括：提供具有第一电极的第一衬底和在该第一电极上的电子喷射器；提供具有第二电极的第二衬底和连接到该第二衬底的检测器；其中第一衬底和第二衬底中的至少一个包括其上的一系列突出；使第一衬底和第二衬底接合使得第一衬底、第二衬底和突出形成孔，其中电子喷射器在该孔内部；其中电子喷射器配置成用于回应于入射光子来发射电子；其中检测器配置成用于收集电子并且提供代表入射光子的输出信号，并且其中第一和第二电极配置成用于施加电压来驱使电子到检测器。
【附图说明】
图1示意示出根据本教导的实施例的示范性光电管的横截面图。
图2示意示出根据本教导的实施例的另一个示范性光电管的横截面图。
图3示意示出根据本教导的实施例的另一个示范性光电管(其包括硅直通孔(TSV))的横截面图。
图4示意示出根据本教导的实施例的另一个示范性光电管(其包括多个晶体管)的横截面图。
图5A示意示出根据本教导的实施例的另一个示范性光电管的横截面图。
图5B示意示出图5A中的电极的设置的示例。
图5C示意示出根据本教导的实施例的另一个示范性光电管(其包括在不同晶圆中构建的数字和模拟电路)的部分横截面图。
图6示意示出根据本教导的实施例的另一个示范性光电管(其包括振荡器)的部分横截面图。
图7示出根据本教导的实施例的示范性光电管的一部分的示范性顶视图。
图8A、图8B和图8C各自示出这样的示例，其中光电管的孔可通过使两个衬底与一系列突出接合而形成。
图9示意示出根据本教导的实施例适合于检测电离辐射的系统，其包括本文描述的光电管。
图10示意示出根据本教导的实施例适合于测量发光材料的强度和光谱的系统，其包括本文描述的光电管。
图11示意示出根据本教导的实施例适合于在医学成像中对伽玛辐射成像的伽玛拍摄装置，其包括本文描述的光电管。
图12示意示出根据本教导的实施例的夜视设备，其包括本文描述的光电管。
【具体实施方式】
图1示意示出根据本教导的实施例的示范性光电管100的横截面图。如在图1中示出的，光电管100可包括支承衬底102、透明电极104、电子喷射器108和检测器，其包括电极110和放大器112。
在实施例中，支承衬底102可以是晶圆，透明电极104沉积在其上。支承衬底102可以对光电管100提供机械支承。透明电极104是透明的，使得进入光电管100的光的光子可经过透明电极104并且入射在电子喷射器108上，该电子喷射器108接合到透明电极104。支承衬底102可以是透明的，或具有开口，其使透明电极104的一部分在孔107上暴露。
电子喷射器108在该示例中配置成用于回应于入射光子101发射电子109，例如在电磁谱的紫外、可见或近红外范围内的光的光子。电子喷射器108可是非常薄的，例如，具有几微米至几百微米的厚度。电子喷射器108可以由以下材料中的至少一个制成：双碱(例如Na-K-Sb)、多碱(例如Na-K-Sb-Cs)、Ag-O-Cs、Sb-Cs、InGaAs、GaAs、Cs-Te、Cs-I等。
电极110在该示例中配置成用于收集由电子喷射器108发射的电子109。放大器112电连接到电极110并且配置成用于代表导致电子喷射器108发射电子109的入射光子的输出信号。在一个示例中，输出信号可指示可以用于确定入射光子的存在的电压变化。透明电极104在这里可以建立电场来将由电子喷射器108发射的电子109朝电极110驱使。
如在图1中示出的，光电管100进一步包括一个或多个侧壁105，其在透明电极104与电极110之间形成孔107的包络。电子喷射器108在孔107内部或在孔107的上部。电极110还可在孔内部以及在孔107底部。孔107包括电子喷射器108与电极110之间的空区，使得由电子喷射器108发射的电子109可以直接落在孔107内的电极110上，而未像在常规PMT一样撞击另一个电子喷射器。
在实施例中，孔107在光电管100中所包括的衬底103中形成。衬底103可包括像二氧化硅的材料。电极110可在衬底103上的孔底部形成。孔107可以是真空，或填充有气体。
在实施例中，光电管100进一步包括金属壁106，其中的每个接合到侧壁105的内表面。金属壁106可通过深反应离子蚀刻(RIE)和化学蚀刻去除氧化物而形成。金属壁106可以施加电压来推动电子109远离侧壁，并且可以防止侧壁的化学蚀刻。金属壁106在本教导中是可选的。
在一个实施例中，孔107和放大器112两者都在衬底103中形成。在另一个实施例中，放大器112和电极110在独立晶圆上形成，该独立晶圆然后接合(例如，直接接合或通过粘合剂)到衬底103。支承衬底102可以是与衬底103分离的晶圆。即，光电管100可使用两个晶圆(包括透明电极104和电子喷射器108的支承衬底102，包括孔107和放大器112的衬底103)或三个晶圆(包括透明电极104和电子喷射器108的支承衬底102，包括孔107的衬底103，和包括放大器112的晶圆)来构造。
撞击电子喷射器108的每个光子将喷射少量电子，其将通过从透明电极104施加的电压而朝电极110驱使、被电极110收集并且被放大器112(其可以是电荷放大器)检测。放大器112可以通过放大器112的增益而有效地切割电极110的电容。例如，如果电极110的实际电容是5fF，并且增益是100，电极110的有效电容将是0.05fF。被电极110收集的每个电子将在放大器112处引起约3.2mV的电压变化。因此，基于在放大器112处计算的电压变化，光电管100可确定是否存在入射光子以及在指定时间期间在电子喷射器108上有多少入射光子。
在多个光电管100形成阵列时，入射光强度的空间分布(例如，图像)可通过单独测量阵列的每个光电管的放大器处的电压变化而确定。
根据本教导的实施例，光电管100可使用包括以下的方法来制造：在第一衬底(例如，衬底103)上形成孔使得该孔的包络由第一衬底内部的一个或多个侧壁形成；在衬底上的孔底部形成检测器；在第二衬底上在电极上形成电子喷射器；以及使第二衬底接合到第一衬底使得电子喷射器在孔内部，其中电子喷射器配置成用于回应于入射光子来发射电子，检测器配置成用于收集电子并且提供代表入射光子的输出信号，并且电极配置成用于施加电压来驱使电子到检测器。
图2示意示出根据本教导的实施例的另一个示范性光电管200(其包括金属壁206)的横截面图，其中类似的数字引用与图1中类似的元件。在该示例中，光电管200中的金属壁206在环绕孔的入口的区域中延伸。另外，金属壁206可包括导电材料210的网格、固体金属板；或多个金属线。制作金属壁106或206的一个方法可包括到孔107中暴露的一系列线上电镀。
图3示意示出根据本教导的实施例的另一个示范性光电管300(其包括TSV 302)的横截面图，其中类型的数字引用与之前的图中类似的元件。如上文论述的，放大器112可在接合到晶圆320(其包括孔107)的独立晶圆310上形成。光电管300中的晶圆310可以是CMOS(互补金属氧化物半导体)晶圆。光电管300在该示例中包括TSV 302来使电极110电连接到晶圆310中的放大器112，例如通过焊球304。TSV 302和电极110可以是晶圆320的部分。这可以有助于避免在CMOS晶圆310上制造，并且从而避免损坏昂贵的CMOS晶圆310。晶圆320还可包括模拟电路。电极110和金属壁106可起到蚀刻停止的作用。
图4示意示出根据本教导的实施例的另一个示范性光电管400(其包括多个晶体管)的横截面图，其中类似的数字引用与之前的图中类似的元件。如在图4中示出的，光电管400中的检测器包括许多微型电极410，而不是一个大的电极。每个电极410可包括晶体管412，其电连接到放大器112。每个晶体管412可以是充当电流源的P型金属氧化物半导体(PMOS)或N型金属氧化物半导体(NMOS)。每个晶体管412可具有带约10-18F至10-17F的电容的浮栅。在该情况下，单个电子可以在晶体管412的栅极上产生10至100mV的电压。晶体管412可共用公共电压源416。
在晶体管412由于由入射光子引起的收集电子而施加有电压时，晶体管412将具有电流输出。来自所有晶体管412(其栅极在相同孔107中)的电流输出被引导到相同的放大器112。放大器112在该示例中使来自所有晶体管412的电流输出结合来检测总电流变化，因此来确定入射光子的存在。
图5A示意示出根据本教导的实施例的另一个示范性光电管500的横截面图，其中类似的数字引用如之前的图中类似的元件。如在图5A中示出的，光电管500中的检测器包括一个或多个电极510，而不是一个大的电极。每个电极510可包括晶体管512，其电连接到放大器112。检测器还包括一个或多个聚焦电极520，其配置成用于将电子109朝电极510聚焦。聚焦电极520可通过电势使电子109聚焦。在该示例中，单个入射光子可在晶体管上引起约1V电压变化。每个晶体管512可以是充当电流源的P型金属氧化物半导体(PMOS)或N型金属氧化物半导体(NMOS)。每个晶体管512可具有带约10-18F至10-17F的浮栅。在该情况下，单个电子可以在晶体管512的栅极上产生10至100mV的电压。晶体管512可共用公共电压源516。
在晶体管512由于由入射光子引起的收集电子而施加有电压时，晶体管512将具有电流输出。来自所有晶体管512(其栅极在相同孔107中)的电流输出被引导到相同的放大器112。放大器112在该示例中使来自所有晶体管512的电流输出结合来检测总电流变化，因此来确定入射光子的存在。
图5B示意示出电极510和聚焦电极520的设置的示例。
图5C示意示出根据本教导的实施例的另一个示范性光电管600(其包括不同晶圆中构建的数字和模拟电路)的部分横截面图，其中类似的数字引用如之前的图中类似的元件。与光电管300相似，光电管600在该示例中包括CMOS晶圆610(其包括数字电路，像放大器112)并且包括模拟晶圆620，其包括孔107、电极或晶体管410和一些模拟电路。CMOS晶圆610通过TSV 302和焊球304接合到模拟晶圆620。
图6示意示出根据本教导的实施例的另一个示范性光电管700(其包括振荡器)的部分横截面图，其中类似的数字引用如之前的图中类似的元件。代替包括放大器，光电管700在该示例中包括振荡器712。电极或晶体管410处的栅电压改变振荡器712的速度(即，总延迟)。通过将振荡器712与参考振荡器比较，可以确定速度变化来推断入射光子的存在。实际上，与放大器相比，振荡器容易利用先进工艺制造并且不需要任何外部信号来起动或维持能量转换的过程。
本领域内技术人员可以理解上文描述的光电管100-700是为了说明目的并且不意在限制本教导的范围。相似的组合或备选(例如，光电管包括非圆柱形孔和振荡器)也在本教导的范围内。
图7示出根据本教导的实施例的示范性光电管的一部分的示范性顶视图，其中类似的数字引用与之前的图中类似的元件。图7中的光电管可以是在之前的图中描述的光电管100-700中的一个。在该示例中，光电管包括由四个侧壁105形成的孔107。孔107在这里具有方截面。光电管在这里包括位于孔107中的电极或晶体管410的阵列。
在一个实施例中，光电管还包括接合到侧壁105中的一个的外表面的周边电路802。该周边电路802可包括被像素或晶体管共用的电路，例如复用器、内存、处理器等。
在实施例中，孔107通过使两个晶圆接合在一起而形成，其中这两个晶圆中的至少一个具有形成孔107的侧壁的一系列突出806A/806B。在图8A中示出的示例中，支承衬底102具有沉积在其上的透明电极104和环绕该透明电极104的一系列突出806A；检测器(其包括放大器112和电极110)在晶圆810中构造，该晶圆810还具有环绕电极110的一系列突出806B。支承衬底102和晶圆810可接合使得突出806A和806B对齐并且由此形成孔107。图8B和图8C各自示出备选方案，其中支承衬底102和晶圆810中仅一个具有突出。突出806A/806B可以是任何适合的材料，例如半导体、绝缘体和金属并且可通过例如沉积或蚀刻等适合的方法而放置。
图9示意示出根据本教导的实施例的系统，其包括本文描述的光电管。该系统可用于检测来自源901的电离辐射。系统包括闪烁体902和本文描述的光电管100。闪烁体902可吸收伽玛射线、X射线和电磁谱的较高紫外部分(其从源901辐射)并且发射可见光，这些可见光然后可以被光电管100检测。闪烁体902可包括碘化钠。可以理解光电管100在该系统中可被如本文公开的光电管200-700中的任一个所替代。
图10示意示出根据本教导的系统，其包括本文描述的光电管100。该系统可用于测量发光材料1001的强度和光谱。光电管1001可以是发射光的化合物半导体或量子点。利用本文描述的光电管100，图10中的系统可在发光材料1001所发射的光的光谱上产生强度分布1010。可以理解光电管100在该示例中可被如本文公开的光电管200-700中的任一个所替代。
图11示意示出根据本教导的实施例的伽玛拍摄装置，其包括本文描述的光电管。伽玛拍摄装置在这里包括伽玛射线源1101、闪烁体1104和光电管(其可以是如本文公开的光电管100-700中的任一个)的阵列1100。伽玛拍摄装置可用于在医学应用中对伽玛辐射成像。如在图11中示出的，从伽玛射线源1101发射的伽玛射线穿过人1102、由于人1102的内部结构(例如，骨头、肌肉、脂肪和器官，等)而衰减不同程度、被闪烁体1104转换成可见光并且被投射到光电管阵列1100。伽玛拍摄装置可通过检测伽玛射线的强度分布来形成人的身体部位的图像(例如，肺部图像1110)。
图12示意示出根据本教导的实施例的夜视设备1200，其包括本文描述的光电管。该夜视设备1200可能够以接近全黑的光等级(例如在可见光强度比白天期间少4-5个数量级时)产生场景的图像。夜视设备1200可检测弱的可见光或红外光并且在人眼可感知的可见光中产生图像。在该示例中，夜视设备1200包括图像增强器1202和显示器1204。图像增强器1202可由具有如本文公开的光电管阵列的图像感测器制成。光电管检测局部光强度并且将强度转换成电信号。这些电信号然后可作为图像在显示器1204上呈现使得人眼可以感知该图像。光电管中的每个的信号可以由图像的像素表示。光电管可具有100μm或更少的大小。
本文描述的光电管可具有其他应用，例如在核和粒子物理学、天文学、医学诊断(其包括验血)、医学成像、电影胶片扫描、雷达干扰、高端图像扫描器(称为鼓式扫描器)或常规PMT的任何其他应用。
尽管本文公开各种方面和实施例，其他方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求指示。
Claims (20)
1.一种适合于检测光子的光电管，所述光电管包括：
电子喷射器，其配置成用于回应于入射光子而发射电子；
检测器，其配置成用于收集所述电子并且提供代表所述入射光子的输出信号,所述检测器包括一个或多个电极和电连接到所述一个或多个电极的放大器,所述一个或多个电极中的每个包括晶体管，所述晶体管的输出被引导到所述放大器内,或者，所述检测器包括一个或多个电极和电连接到所述一个或多个电极的振荡器；
第二电极，其配置成用于施加电压来驱使所述电子到所述检测器；一个或多个侧壁，所述一个或多个侧壁在所述第二电极与所述检测器之间形成孔的包络，其中所述电子喷射器在所述孔内部并且接合到所述第二电极；
以及衬底，所述孔位于所述衬底中。
2.如权利要求1所述的光电管，其中所述孔包括所述电子喷射器与所述检测器之间的空区。
3.如权利要求1所述的光电管，进一步包括接合到所述一个或多个侧壁中的每个的内表面的金属壁。
4.如权利要求3所述的光电管，其中所述金属壁配置成用于施加电压来驱使所述电子远离所述侧壁。
5.如权利要求3所述的光电管，其中所述金属壁包括下列中的至少一个：
导电材料网格；固体金属板；和多个金属线。
6.如权利要求1所述的光电管，进一步包括接合到所述第二电极的支承衬底，其中所述第二电极在所述支承衬底与所述电子喷射器之间。
7.如权利要求1所述的光电管，其中当所述检测器包括一个或多个电极和电连接到所述一个或多个电极的放大器时，所述放大器经由硅直通孔电连接到所述一个或多个电极。
8.如权利要求1所述的光电管，其中所述孔具有非圆柱形形状使得所述孔从所述第二电极到所述检测器逐渐变小。
9.如权利要求1所述的光电管，进一步包括接合到所述一个或多个侧壁中的一个的外表面的周边电路。
10.一种制作适合于检测光子的光电管的方法，所述方法包括：
在第一衬底上形成孔使得所述孔的包络由所述第一衬底内部的一个或多个侧壁形成；
在所述第一衬底上的孔的底部形成检测器，所述检测器包括一个或多个电极和电连接到所述一个或多个电极的放大器，所述一个或多个电极中的每个包括晶体管，所述晶体管的输出被引导到所述放大器内，或者，所述检测器包括一个或多个电极和电连接到所述一个或多个电极的振荡器；
在第二衬底上的第二电极上形成电子喷射器；以及使所述第二衬底接合到所述第一衬底使得所述电子喷射器在所述孔内部，其中，所述电子发射器配置成用于回应于入射光子来发射电子，
所述检测器配置成用于收集所述电子并且提供代表所述入射光子的输出信号，并且
所述第二电极配置成用于施加电压来驱使所述电子到所述检测器。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述孔包括所述电子喷射器与所述检测器之间的空区。
12.如权利要求10所述的方法，进一步包括使金属壁接合到所述一个或多个侧壁中的每个的内表面。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述金属壁配置成用于施加电压来驱使所述电子远离所述侧壁。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述金属壁包括下列中的至少一个：
导电材料网格；固体金属板；和多个金属线。
15.如权利要求10所述的方法，其中当所述检测器包括一个或多个电极和电连接到所述一个或多个电极的放大器时，所述放大器经由硅直通孔电连接到所述一个或多个电极。
16.如权利要求10所述的方法，其中所述孔具有非圆柱形形状使得所述孔从所述第二电极到所述检测器逐渐变小。
17.如权利要求10所述的方法，进一步包括使周边电路接合到所述一个或多个侧壁中的一个的外表面。
18.一种适合于产生人眼看得见的图像的夜视设备，所述夜视设备包括：
如权利要求1所述的光电管，
其中所述光电管配置成用于检测来自微弱光源的光子。
19.如权利要求18所述的夜视设备，其中所述微弱光源以比日光的光强度少至少4-5个数量级的光强度发射可见光或红外光。
20.一种制作适合于检测光子的光电管的方法，所述方法包括：
提供具有第一电极的第一衬底和在所述第一电极上的电子喷射器；
提供具有第二电极的第二衬底和连接到所述第二衬底的检测器，所述检测器包括一个或多个所述第二电极和电连接到所述一个或多个第二电极的放大器，所述一个或多个第二电极中的每个包括晶体管，所述晶体管的输出被引导到所述放大器内，或者，所述检测器包括一个或多个所述第二电极和电连接到所述一个或多个第二电极的振荡器；
其中所述第一衬底和所述第二衬底中的至少一个包括一系列突出；
使所述第一衬底和所述第二衬底接合使得所述第一衬底、所述第二衬底和所述突出形成孔，其中所述电子喷射器在所述孔内部；
其中所述电子喷射器配置成用于回应于入射光子来发射电子；
其中所述检测器配置成用于收集所述电子并且提供代表所述入射光子的输出信号；并且
其中所述第一和第二电极配置成用于施加电压来驱使所述电子到所述检测器。
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