CN112033529B - 高填充因子低串扰的单光子探测器阵列及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种高填充因子低串扰的单光子探测器阵列及系统，由单光子雪崩光电二极管阵列1、主动淬灭电路阵列2、串扰抑制模块3、偏置电压电路4和信号处理系统5组成。本发明可用于实现单光子探测器阵列的高填充因子和低串扰，可广泛用于激光雷达、荧光寿命成像、正电子发射断层扫描、医学成像等极微弱光探测的领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种高填充因子低串扰的单光子探测器阵列及系统，本发明可用于激光雷达、荧光寿命成像、正电子发射断层扫描、医学成像等极微弱光探测的领域。属于光电探测技术领域。
(二)背景技术
传统成像技术如CMOS图像传感器和CCD传感器在极弱光探测方面有着很大的局限，工作于单光子模式下的单光子雪崩光电二极管阵列相比于这些传统的手段，具有探测灵敏度高、抗干扰能力强、结构简单的优势，被广泛的应用在激光雷达，荧光寿命探测，DNA测序，医学成像等极微弱光成像应用领域。
填充因子是单光子雪崩光电二极管阵列的一个重要参数，填充因子(Fillfactor，FF)可以定义为：
FF＝Sa/SP (1)
其中Sa为有源区(感光)面积，Sp为集成像素的面积。FF主要取决于单光子雪崩光电二极管的保护环结构、有源区设计尺寸和淬灭机制。单光子雪崩光电二极管阵列的探测效率与其填充因子成正相关，即FF越大探测效率越高。
在单光子雪崩光电二极管阵列中，为了缓解像素之间的串扰，需要保证相邻像素之间的隔离。尽管如此，当阵列中的一个单光子雪崩光电二极管触发雪崩后，仍不可避免的存在一部分光子和电子会被邻近的像素检测到从而产生串扰。串扰主要分成电串扰和光串扰两种。电串扰来源是雪崩事件产生的自由载流子横向扩散时进入邻近单光子雪崩光电二极管产生的，这些自由载流子会造成邻近单光子雪崩光电二极管产生错误的雪崩事件电脉冲。
光串扰的来源是单光子雪崩光电二极管阵列中单光子雪崩光电二极管吸收光子后产生的雪崩电流中的高速电子与带电杂质碰撞后减速或者直接复合和带内跃迁产生的电致发光引起邻近单光子雪崩光电二极管产生错误的雪崩事件电脉冲。光串扰率的公式为：
Pcrosstalk＝Pgeneration×Ppass×Pabsorb×Pavalanche (2)
其中，Pgeneration是发射单光子雪崩光电二极管中电致发光的发生概率，Ppass是光子能够传播到接收单光子雪崩光电二极管的概率，Pabsorb是接收单光子雪崩光电二极管对光子的吸收概率，Pavalanche是光子引起接收单光子雪崩光电二极管发生雪崩事件的概率。由于雪崩事件产生的自由载流子横向扩散和雪崩电流引起的电致发光具有随机性，所以串扰率具有四周均匀分布的特点，并且串扰发生的概率随着与被触发单光子雪崩光电二极管距离的增加而降低。
高性能单光子雪崩光电二极管阵列的关键表征是高探测效率和低噪声(串扰)。探测器阵列的高填充因子有利于提高单光子雪崩光电二极管的探测效率和灵敏度，但是高填充因子带来了光串扰和电串扰。因此如何在高填充因子的情况下，实现探测器阵列的低串扰成为需要解决的关键问题。
为了实现单光子雪崩光电二极管阵列的高填充因子和低串扰。Benoit-LouisBerube等人通过3D stack IC封装技术，将单光子雪崩光电二极管阵列集成在第一层，淬灭电路集成于第二层，高级电路集成于第三层，该方法提高了单光子雪崩光电二极管阵列的填充因子(Benoit-Louis Berube，et al.，“Development of a Single Photon AvalancheDiode(SPAD)Array in High Voltage CMOS 0.8μm dedicated to a 3D IntegratedCircuit(3DIC)，”20 12 IEEE Nuclear Science Symposiwn and Medical ImagingConference Record)；韩德俊等于2019年公开了一种“雪崩光电二极管阵列探测器”，他们通过将传感器芯片和信号读出芯片通过倒装方式集成在一起来提高探测器的填充因子；NiccolòCalandri等人通过在InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管阵列中利用聚焦离子束蚀刻的沟槽来减少光串扰(NiccolòCalandri，et al.，“Optical Crosstalk in InGaAs/InPSPAD Array:Analysis and Reduction With FIB-Etched Trenches，”IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS,VOL.28,NO.16,AUGUST15,2016)；E.Sciacca等人通过在单光子雪崩光电二极管阵列每个像素周围引入沟槽，槽内覆盖薄氧化层用于隔离电串扰，覆盖金属-有机化学气相沉积钨用于隔离光串扰E.Sciacca，et al.，“Arrays of Geiger ModeAvalanche Photodiodes，”IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.18,NO.15,AUGUST1,2006)；郑婉华等于2018年公开了一种“硅基雪崩光电探测阵列”，他们通过沟槽结构的高反介质膜阻挡邻近雪崩光电二极管间的侧向光串扰，通过基于SiO2/Si复合衬底的SiO2键合界面阻挡二次光子经由衬底进入邻近雪崩光电二极管，从而有效截断了雪崩光电二极管间的串扰。以上发明中存在以下缺陷和不足：1、利用3D stack IC封装技术，或者通过倒装方式将单光子雪崩光电二极管和信号读出芯片集成在一起来提高单光子雪崩光电二极管阵列的填充因子，该方法对芯片加工工艺要求高，芯片设计复杂，造价高昂，难以生产，此外这种方法并不能有效避免串扰的产生；2、通过增加阵列中探测器之间的间距，或者在探测器之间增加高反介质膜以及在探测器之间增加金属和氧化物，虽然一定程度减弱了串扰，但是降低了单光子探测器阵列的填充因子；3、上述发明无法同时实现单光子雪崩光电二极管阵列的高填充因子和低串扰。
为了解决上述问题，本发明公开了一种高填充因子低串扰的单光子探测器阵列及系统。该系统通过将单光子雪崩光电二极管阵列中每个单光子雪崩光电二极管的有源区面积占像素面积的比例优化为最大，同时芯片上只集成单光子雪崩光电二极管无其他电路，来提高单光子探测器阵列的填充因子。同时通过串扰抑制逻辑控制将发生雪崩事件的单光子雪崩二极管邻近的单光子雪崩光电二极管进行淬灭以实现在不影响填充因子的情况下，有效的降低阵列的串扰噪声。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种高填充因子低串扰的单光子探测器阵列及系统。可以用于激光雷达，荧光寿命成像，医学成像等极微弱光探测的领域。
高填充因子低串扰的单光子探测器阵列及系统由单光子雪崩光电二极管阵列1、主动淬灭电路阵列2、串扰抑制模块3、偏置电压电路4和信号处理系统5组成。
本发明是这样实现的：信号处理系统5控制偏置电压电路4输出直流电压的大小。偏置电压电路4输出可控直流电压至单光子雪崩光电二极管阵列1中的所有单光子雪崩光电二极管，为其提供单光子工作模式所需要的偏置电压。单光子雪崩光电二极管阵列1中所有单光子雪崩光电二极管连接主动淬灭电路阵列2中与之对应的主动淬灭电路。当光子入射引起单光子雪崩光电二极管阵列1中单光子雪崩光电二极管产生雪崩事件电脉冲时，雪崩事件电脉冲经过主动淬灭电路转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平信号同时输出至信号处理系统5和串扰抑制模块3。信号处理系统5对主动淬灭电路的输出进行计数处理和数据储存，串扰抑制模块3检测到发生雪崩事件的单光子雪崩光电二极管，输出逻辑控制信号至主动淬灭电路阵列2，将雪崩光电二极管阵列1中发生雪崩事件的单光子雪崩光电二极管邻近的多个单光子雪崩光电二极管淬灭一段时间(关闭探测器)，来防止光串扰和电串扰使邻近的单光子雪崩光电二极管产生错误计数。
单光子雪崩光电二极管阵列1是由n×n或者m×n(m≠n)个单光子雪崩光电二极管构成的探测芯片。芯片制造工艺可以是用户制定工艺，标准互补金属氧化物半导体工艺，双极性互补金属氧化物半导体工艺以及硅晶绝缘体互补金属氧化物半导体工艺中的任何一种。制造工艺制程可以是0.8微米、0.5微米、0.35微米、0.18微米、90纳米和45纳米中的任何一种。单光子雪崩光电二极管的材质可以是基于硅(Si)、锗(Ge)、铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)中的任何一种。阵列中每个单光子雪崩光电二极管的有源区面积占像素面积的比例优化为最大，同时芯片上只集成单光子雪崩光电二极管无其他电路，以实现探测芯片填充因子的最大化。
主动淬灭电路阵列2中主动淬灭电路的数目与单光子雪崩光电二极管阵列1中的单光子雪崩光电二极管的数目相同。单光子雪崩光电二极管阵列1中所有单光子雪崩光电二极管的输出连接主动淬灭电路阵列2中与之对应主动淬灭电路的输入。主动淬灭电路的作用是降低单光子雪崩光电二极管的偏置电压来低于其击穿电压抑制雪崩过程(淬灭)，并在一段时间(死时间)后快速恢复单光子雪崩光电二极管的偏置电压(复位)，做好探测下一个入射光子的准备，同时将单光子雪崩光电二极管的雪崩事件电脉冲转为标准晶体管-晶体管逻辑电平信号。主动淬灭电路能快速打断单光子雪崩光电二极管被触发后的雪崩进程，以抑制单光子雪崩光电二极管中因雪崩电流电致发光引起的光子发射(光串扰)和雪崩电流中自由载流子的横向扩散(电串扰)。光子淬灭的死时间可以是固定的或者是在一定时间范围内可调节的。
串扰抑制模块3可以是基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)或者单片机的控制逻辑模块，也可以是基于标准集成电路工艺的专用集成电路(ASIC)。串扰抑制模块3的作用是抑制单光子雪崩光电二极管阵列1中邻近单光子雪崩光电二极管之间的光串扰和电串扰。串扰抑制模块3连接主动淬灭电路阵列2，通过检测主动淬灭电路阵列2中主动淬灭电路的输出，实现对单光子雪崩光电二极管的状态检测。与此同时串扰抑制模块3根据单光子雪崩光电二极管的状态输出控制信号至主动淬灭电路阵列2，控制相应的主动淬灭电路对单光子雪崩光电二极管进行串扰抑制。当光子入射引起单光子雪崩光电二极管阵列1中某个单光子雪崩光电二极管输出雪崩事件电脉冲时，雪崩事件电脉冲经主动淬灭电路阵列2输出到串扰抑制模块3。串扰抑制模块3检测到该雪崩事件，输出逻辑控制信号控制主动淬灭电路阵列2将发生雪崩事件的单光子雪崩光电二极管邻近的多个单光子雪崩光电二极管淬灭一段时间，这段时间内这些被淬灭的单光子雪崩光电二极管停止工作以防止光串扰和电串扰引起错误计数。
偏置电压电路4的作用是为单光子雪崩光电二极管阵列1中的所有单光子雪崩光电二极管提供单光子工作模式所需的偏置电压。偏置电压电路4的电压输出通道数目等于单光子探测器阵列2中单光子雪崩光电二极管的数目。偏置电压电路4的功能是将输入电压(直流或者交流)转换为单光子雪崩光电二极管工作所需要的直流电压。
信号处理系统5可以是基于微控制器或者是现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)的一种。信号处理系统5一方面用于对主动淬灭电路阵列2中所有主动淬灭电路输出的标准晶体管-晶体管逻辑电平信号进行计数处理和数据储存，另一方面通过控制偏置电压电路4输出直流电压的大小，来实现对单光子雪崩光电二极管的工作状态和工作增益的控制。
本发明相比现有技术的优点在于：提高了单光子雪崩光电二极管阵列填充因子的同时降低了光串扰和电串扰。
(四)附图说明
图1是高填充因子低串扰的单光子探测器阵列及系统示意图。高填充因子低串扰的单光子探测器阵列及系统由单光子雪崩光电二极管阵列1、主动淬灭电路阵列2、串扰抑制模块3、偏置电压电路4和信号处理系统5组成。
图2是单光子探测器阵列中发生雪崩事件的单光子雪崩光电二极管引起的串扰率分布模型。
图3是高填充因子低串扰的单光子探测器阵列及系统实施例示意图。它是由7×7单光子雪崩光电二极管阵列1、主动淬灭电路阵列2、串扰抑制模块3、偏置电压电路4和信号处理系统5组成。
图4是高填充因子低串扰的单光子探测器阵列及系统实施例中串扰抑制逻辑控制的若干控制方法，其中网格部分为被光子触发的单光子雪崩光电二极管，深色部分为串扰抑制过程中被淬灭的单光子雪崩光电二极管。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图3给出了高填充因子低串扰的单光子探测器阵列及系统的实施例。它是由7×7单光子雪崩光电二极管阵列1、主动淬灭电路阵列2、串扰抑制模块3、偏置电压电路4和信号处理系统5组成。
实施例中7×7单光子雪崩光电二极管阵列1中全部49个单光子雪崩光电二极管的输出连接主动淬灭电路阵列2中与之对应的主动淬灭电路的输入。信号处理系统5控制偏置电压电路4输出可控直流电压至7×7单光子雪崩光电二极管阵列1中的所有单光子雪崩光电二极管的输入。光子入射引起7×7单光子雪崩光电二极管阵列1中单光子雪崩光电二极管产生雪崩事件电脉冲，雪崩事件电脉冲经过主动淬灭电路转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平信号输出至信号处理系统5和串扰抑制模块3。信号处理系统5对主动淬灭电路的输出进行计数处理和数据储存，串扰抑制模块3检测到发生雪崩事件的单光子雪崩光电二极管，输出逻辑控制信号控制主动淬灭电路阵列2将发生雪崩事件的单光子雪崩光电二极管邻近的多个单光子雪崩光电二极管进行淬灭一段时间(关闭探测器)，来防止光串扰和电串扰使周围的单光子雪崩光电二极管产生错误计数。
串扰抑制模块3的控制方法可以根据实际单光子探测器阵列的串扰率的强度和分布情况，选择合适的控制方法。图4给出了高填充因子低串扰的单光子探测器阵列及系统实施例的几种串扰抑制控制方法，其中网格部分为被光子触发的单光子雪崩光电二极管，深色部分为串扰抑制过程中被淬灭的单光子雪崩光电二极管。
Claims (6)
1.一种高填充因子低串扰的单光子探测器阵列系统，由单光子雪崩光电二极管阵列(1)、主动淬灭电路阵列(2)、串扰抑制模块(3)、偏置电压电路(4)和信号处理系统(5)组成；所述系统中信号处理系统(5)控制偏置电压电路(4)输出直流电压的大小；偏置电压电路(4)输出可控直流电压至单光子雪崩光电二极管阵列(1)中的所有单光子雪崩光电二极管，为其提供单光子工作模式所需要的偏置电压；单光子雪崩光电二极管阵列(1)中所有单光子雪崩光电二极管连接主动淬灭电路阵列(2)中与之对应的主动淬灭电路；当光子入射引起单光子雪崩光电二极管阵列(1)中单光子雪崩光电二极管产生雪崩事件电脉冲时，雪崩事件电脉冲经过主动淬灭电路转换为标准晶体管-晶体管逻辑电平信号同时输出至信号处理系统(5)和串扰抑制模块(3)；信号处理系统(5)对主动淬灭电路的输出进行计数处理和数据储存，串扰抑制模块(3)检测到发生雪崩事件的单光子雪崩光电二极管，输出逻辑控制信号至主动淬灭电路阵列(2)，将雪崩光电二极管阵列(1)中发生雪崩事件的单光子雪崩光电二极管邻近的多个单光子雪崩光电二极管淬灭一段时间(关闭探测器)，来防止光串扰和电串扰使邻近的单光子雪崩光电二极管产生错误计数。
2.根据权利要求1所述的一种高填充因子低串扰的单光子探测器阵列系统，其特征是：所述的单光子雪崩光电二极管阵列(1)是由n×n或者m×n(m≠n)个单光子雪崩光电二极管构成的探测芯片；芯片制造工艺可以是用户定制工艺，标准互补金属氧化物半导体工艺，双极性互补金属氧化物半导体工艺以及硅晶绝缘体互补金属氧化物半导体工艺中的任何一种；制造工艺制程可以是0.8微米、0.5微米、0.35微米、0.18微米、90纳米和45纳米中的任何一种；单光子雪崩光电二极管的材质可以是基于硅(Si)、锗(Ge)、铟镓砷(InGaAs)或者铟镓砷/磷化铟(InGaAs/InP)中的任何一种；阵列中每个单光子雪崩光电二极管的有源区面积占像素面积的比例优化为最大，同时芯片上只集成单光子雪崩光电二极管无其他电路，以实现探测芯片填充因子的最大化。
3.根据权利要求1所述的一种高填充因子低串扰的单光子探测器阵列系统，其特征是：所述的主动淬灭电路阵列(2)中主动淬灭电路的数目与单光子雪崩光电二极管阵列(1)中的单光子雪崩光电二极管的数目相同；单光子雪崩光电二极管阵列(1)中所有单光子雪崩光电二极管的输出连接主动淬灭电路阵列(2)中与之对应主动淬灭电路的输入；主动淬灭电路的作用是降低单光子雪崩光电二极管的偏置电压来低于其击穿电压抑制雪崩过程(淬灭)，并在一段时间(死时间)后快速恢复单光子雪崩光电二极管的偏置电压(复位)，做好探测下一个入射光子的准备，同时将单光子雪崩光电二极管的雪崩事件电脉冲转为标准晶体管-晶体管逻辑电平信号；主动淬灭电路能快速打断单光子雪崩光电二极管被触发后的雪崩进程，以抑制单光子雪崩光电二极管中因雪崩电流电致发光引起的光子发射(光串扰)和雪崩电流中自由载流子的横向扩散(电串扰)；光子淬灭的死时间可以是固定的或者是在一定时间范围内可调节的。
4.根据权利要求1所述的一种高填充因子低串扰的单光子探测器阵列系统，其特征是：所述的串扰抑制模块(3)可以是基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)或者单片机的控制逻辑模块，也可以是基于标准集成电路工艺的专用集成电路(ASIC)；串扰抑制模块(3)的作用是抑制单光子雪崩光电二极管阵列(1)中邻近单光子雪崩光电二极管之间的光串扰和电串扰；串扰抑制模块(3)连接主动淬灭电路阵列(2)，通过检测主动淬灭电路阵列(2)中主动淬灭电路的输出，实现对单光子雪崩光电二极管的状态检测；与此同时串扰抑制模块(3)根据单光子雪崩光电二极管的状态输出控制信号至主动淬灭电路阵列(2)，控制相应的主动淬灭电路对单光子雪崩光电二极管进行串扰抑制；当光子入射引起单光子雪崩光电二极管阵列(1)中某个单光子雪崩光电二极管输出雪崩事件电脉冲时，雪崩事件电脉冲经主动淬灭电路阵列(2)输出到串扰抑制模块(3)；串扰抑制模块(3)检测到该雪崩事件，输出逻辑控制信号控制主动淬灭电路阵列(2)将发生雪崩事件的单光子雪崩光电二极管邻近的多个单光子雪崩光电二极管淬灭一段时间，这段时间内这些被淬灭的单光子雪崩光电二极管停止工作以防止光串扰和电串扰引起错误计数。
5.根据权利要求1所述的一种高填充因子低串扰的单光子探测器阵列系统，其特征是：所述的偏置电压电路(4)的作用是为单光子雪崩光电二极管阵列(1)中的所有单光子雪崩光电二极管提供单光子工作模式所需的偏置电压；偏置电压电路(4)的电压输出通道数目等于单光子探测器阵列中单光子雪崩光电二极管的数目；偏置电压电路(4)的功能是将输入电压转换为单光子雪崩光电二极管工作所需要的直流电压。
6.根据权利要求1所述的一种高填充因子低串扰的单光子探测器阵列系统，其特征是：所述的信号处理系统(5)可以是基于微控制器或者是现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)的一种；信号处理系统(5)一方面用于对主动淬灭电路阵列(2)中所有主动淬灭电路输出的标准晶体管-晶体管逻辑电平信号进行计数处理和数据储存，另一方面通过控制偏置电压电路(4)输出直流电压的大小，来实现对单光子雪崩光电二极管的工作状态和工作增益的控制。
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