CN112117288B - 硅光电倍增器的温度和不均匀补偿电路 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“硅光电倍增器的温度和不均匀补偿电路”。成像设备可包括有源硅光电倍增器和相关联的温度和不均匀补偿电路，电路被配置为减轻器件上的温度和工艺变化。补偿电路可包括基准硅光电倍增器、将固定电流提供到基准硅光电倍增器中的恒定电流源、用于检测从基准硅光电倍增器输出的电压的电压传感器、用于转换从电压传感器输出的电压的数据转换器、以及用于根据从数据转换器输出的信号来生成用于偏置有源硅光电倍增器的可调电压的电压控制器。有源硅光电倍增器可包括由微透镜覆盖的多个照亮的微小区，而基准硅光电倍增器可包括分布在照亮的微小区之间的多个暗微小区，以帮助应对成像设备上的微小区性能的不均匀性。

Description

硅光电倍增器的温度和不均匀补偿电路
技术领域
本发明整体涉及成像系统，并且更具体地，涉及包括用于单光子检测的单光子雪崩二极管(SPAD)的成像系统。
背景技术
现代电子设备(诸如蜂窝电话、相机和计算机)常常使用数字图像传感器。图像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素的阵列形成。每个像素通常包括光敏元件诸如光电二极管，这些光敏元件接收入射光子(入射光)并把光子转变为电信号。每个像素还可包括将光重叠并聚焦到光敏元件上的微透镜。
常规图像传感器可以多种方式受到有限功能的影响。例如，一些常规图像传感器可能无法确定从图像传感器到正在成像的物体的距离。常规图像传感器也可具有低于期望的图像质量和分辨率。
为了提高对入射光的敏感度，有时可在成像系统中使用单光子雪崩二极管(SPAD)。SPAD的平行阵列(各自具有串联的淬灭电阻器)有时称为硅光电倍增器(SiPM)。硅光电倍增器通常以Geiger模式操作，这需要应用远远高于每个SPAD的击穿电压的反向偏置电压。击穿电压因此是SiPM操作中的关键参数。然而，击穿电压可取决于硅制造加工变化以及操作温度。在击穿电压变化(由于工艺变化和/或温度变化)时保持反向偏置电压恒定可导致在整个SiPM上的不均匀问题和与温度相关的性能变化。
本文所述的实施方案就是在这种背景下出现的。
附图说明
图1为根据一个实施方案的示出示例性单光子雪崩二极管像素的电路图。
图2为根据一个实施方案的示例性硅光电倍增器的示图。
图3为根据一个实施方案的具有快速输出端子的示例性硅光电倍增器的示意图。
图4为包括微小区阵列的示例性硅光电倍增器的示图。
图5为示出整个工艺批次的击穿电压变化的示图。
图6为示出击穿电压如何随温度变化的示图。
图7为根据一个实施方案的示例性半导体器件的示图，该示例性半导体器件包括有源硅光电倍增器和相关联的温度和不均匀补偿电路。
图8为根据一个实施方案的硅光电倍增器的示例性温度和不均匀补偿电路的示图。
图9为根据一个实施方案的图7所示类型的半导体器件的横截面侧视图，其中在照亮的微小区之间分布暗微小区。
图10为根据一个实施方案的示出将固定电流提供到基准微小区中可如何在不同温度下产生不同偏置电压的示图。
图11为根据一个实施方案的示出在二极管电流为固定的时基准微小区的阴极电压如何类似于在不同温度下的有源微小区的阴极电压的示图。
图12为根据一个实施方案的示例性曲线的示图，该示例性曲线可用于对温度和不均匀补偿电路控制有源硅光电倍增器的方式进行编程。
图13为根据一个实施方案的示出不同器件的阴极电压如何全部沿同一曲线而不考虑击穿电压值的示图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及包括单光子雪崩二极管(SPAD)的成像系统。
一些成像系统包括图像传感器，该图像传感器通过将撞击光子转换成在传感器阵列内的像素光电二极管中积聚的(收集的)电子或空穴来感测光。在完成积聚周期之后，收集到的电荷被转换成电压，该电压被提供给传感器的输出端子。在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素本身中完成，并且模拟像素电压通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟像素电压也可随后在片上被转换成数字等同物，并且在数字域中以各种方式进行处理。
另一方面，在单光子雪崩二极管(SPAD)器件(诸如结合图1至图4所述的器件)中，光子检测原理是不同的。光感测二极管偏置在高于其击穿点，并且当入射光子生成电子或空穴时，该载流子会通过正在生成的附加的载流子启动雪崩击穿。雪崩倍增可产生电流信号，该电流信号能够通过与SPAD相关联的读出电路被容易地检测。能够通过将二极管偏置降低于其击穿点来停止(或淬灭)雪崩过程。因此，每个SPAD可包括用于停止雪崩的被动和/或主动淬灭电路。
可以通过两种方法来使用此概念。首先，可只是对到达的光子进行计数(例如，在低光度应用中)。其次，SPAD像素可用于测量从同步光源到场景对象点再返回到传感器的光子飞行时间(ToF)，该光子飞行时间可用于获得场景的三维图像。
图1是示例性SPAD器件202的电路图。如图1所示，SPAD器件202包括与淬灭电路206串联耦接在第一电源电压端子210(例如，接地电源电压端子)和第二电源电压端子208(例如，正电源电压端子)之间的SPAD 204。具体地讲，SPAD器件202包括具有连接到电源电压端子210的阳极端子和直接连接到淬灭电路206的阴极端子的SPAD 204。包括与淬灭电阻器206串联连接的SPAD 204的SPAD器件202有时统称为光触发单元或“微小区(microcell)”。在SPAD器件202的操作期间，电源电压端子208和210可用于将SPAD 204偏置到高于击穿电压的电压(例如，将偏置电压Vbias施加到端子208)。击穿电压是能够施加到SPAD 204的不会导致二极管中的泄漏电流呈指数级增加的最大反向电压。当SPAD 204以这种方式反向偏置在击穿电压之上时，单光子的吸收可通过碰撞电离触发短时间但是相对较大的雪崩电流。
淬灭电路206(有时称为淬灭元件206)可用于将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压的水平。将SPAD 204的偏置电压降低到低于击穿电压将停止雪崩过程和对应的雪崩电流。有多种方法来形成淬灭电路206。淬灭电路206可以是被动淬灭电路或主动淬灭电路。一旦雪崩启动，被动淬灭电路无需外部控制或监测即可自动淬灭雪崩电流。例如，图1示出了使用电阻器部件来形成淬灭电路206的示例。这是被动淬灭电路的一个示例。
被动淬灭电路的这个示例仅仅是示例性的。主动淬灭电路也可用在SPAD器件202中。主动淬灭电路可减少SPAD器件202复位所花费的时间。这可允许SPAD器件202以比使用被动淬灭电路时更快的速率检测入射光，从而改善SPAD器件的动态范围。主动淬灭电路可调节SPAD淬灭电阻。例如，在检测到光子之前，将淬灭电阻设置为较高的值，然后一旦检测到光子并且雪崩淬灭，就将淬灭电阻最小化以减少恢复时间。
SPAD器件202还可包括读出电路212。有多种方式形成读出电路212以从SPAD器件202获得信息。读出电路212可包括对到达的光子进行计数的脉冲计数电路。另选地或除此之外，读出电路212可包括用于测量光子飞行时间(ToF)的飞行时间电路。光子飞行时间信息可用于执行深度感测。在一个示例中，光子可由模拟计数器计算以形成作为对应像素电压的光强度信号。也可以通过将光子飞行时间转换为电压来获得ToF信号。包括在读出电路212中的模拟脉冲计数电路的示例仅是示例性的。如果需要，读出电路212可包括数字脉冲计数电路。如果需要，读出电路212还可包括放大电路。
图1中读出电路212耦接到二极管204和淬灭电路206之间的节点的示例仅是示例性的。读出电路212可耦接到端子208或SPAD器件的任何所需部分。在一些情况下，淬灭电路206可被认为与读出电路212成一整体。
因为SPAD器件可检测单个入射光子，所以SPAD器件可有效地成像具有低光水平的场景。每个SPAD可检测在给定时间段内接收的光子的数量(例如，使用包括计数电路的读出电路)。然而，如上所述，每当接收到光子并且开始雪崩电流时，必须在准备好检测另一个光子之前对SPAD器件进行淬灭和复位。当入射光水平增加时，复位时间变得限制于SPAD器件的动态范围(例如，一旦入射光水平超过给定水平，则在复位时立即触发SPAD器件)。
可将多个SPAD器件分组在一起以帮助增加动态范围。图2是SPAD器件202的示例性组220的电路图。SPAD器件的组或阵列有时可被称为硅光电倍增器(SiPM)。如图2所示，硅光电倍增器220可包括在第一供电电压端子208和第二供电电压端子210之间并联耦接的多个SPAD器件。图2示出了并联耦接的N个SPAD器件202(例如，SPAD器件202-1，SPAD器件202-2，SPAD器件202-3，SPAD器件202-4，......，SPAD器件202-N)。在给定的硅光电倍增器220中可包括多于两个的SPAD器件，多于十个的SPAD器件，多于一百个的SPAD器件，多于一千个的SPAD器件等。
每个SPAD器件202在本文中有时可被称为SPAD像素202。尽管未在图2中明确示出，用于硅光电倍增器220的读出电路可测量来自硅光电倍增器中全部SPAD像素的组合输出电流。以此方式配置，可增加包括SPAD像素的成像系统的动态范围。当接收到入射光子时，不保证每个SPAD像素具有触发的雪崩电流。SPAD像素可具有在接收到入射光子时触发雪崩电流的相关联概率。存在在光子到达二极管时产生电子的第一概率，然后是电子触发雪崩电流的第二概率。光子触发雪崩电流的总概率可称为SPAD的光子检测效率(PDE)。因此，在硅光电倍增器中将多个SPAD像素分组在一起允许更准确地测量传入的入射光。例如，如果单个SPAD像素的PDE为50％并且在某个时间段内接收到一个光子，则不会检测到光子的可能性为50％。利用图2的硅光电倍增器220，四个SPAD像素中的两个可能将检测光子，从而改善所提供的时间段的图像数据。
图2的示例仅是示例性的，其中所述多个SPAD像素202共享硅光电倍增器220中的公共输出。就包括具有用于所有SPAD像素的公共输出的硅光电倍增器的成像系统而言，成像系统在成像场景时可能不具有任何分辨率(例如，硅光电倍增器可仅检测单个点处的光子通量)。可能有利的是使用SPAD像素在阵列上获得图像数据，以允许成像场景的更高分辨率的再现。在诸如这些情况下，单成像系统中的SPAD像素可具有逐个像素读出能力。另选地，可在成像系统中包括硅光电倍增器的阵列(每个硅光电倍增器包括多于一个的SPAD像素)。来自每个像素或来自每个硅光电倍增器的输出可用于生成成像场景的图像数据。该阵列可能够在线阵列(例如，具有单行多列或单列多行的阵列)或具有多于十个、多于一百个或多于一千个的行和/或列的阵列中进行独立检测(无论是在硅光电倍增器中使用单个SPAD像素还是多个SPAD像素)。
如上所述，虽然SPAD像素有多个可能的用例，但是用于检测入射光的基础技术是相同的。使用SPAD像素的器件的所有上述示例统称为基于SPAD的半导体器件。包括具有共同输出的多个SPAD像素的硅光电倍增器可被称为基于SPAD的半导体器件。具有逐个像素读出能力的SPAD像素阵列可被称为基于SPAD的半导体器件。具有逐个硅光电倍增器读出能力的硅光电倍增器阵列可被称为基于SPAD的半导体器件。
图3示出了硅光电倍增器30。如图3所示，SiPM 30具有电容耦接到每个阴极端子31的第三端子35，以便提供来自SPAD 33的雪崩信号的快速读出。当SPAD 33发射电流脉冲时，在阴极31处产生的电压变化的一部分将经由互电容耦接到第三(“快速”)输出端子35中。使用第三端子35进行读出避免了由于与偏置淬灭电阻器的顶部端子的偏置电路相关联的相对较大的RC时间常数而导致的受损瞬态性能。
本领域的技术人员应当理解，硅光电倍增器包括如图4所示的主总线44和次总线45。次总线45可直接连接到每个单独的微小区25。然后将次总线45耦接到主总线44，所述主总线连接到与端子37和35相关联的接合焊盘。通常，次总线45在微小区25的列之间竖直延伸，而主总线44邻近微小区25的外行水平地延伸。
由于SPAD像素在Geiger模式下工作(即，反向偏置在其击穿电压之上)，击穿电压是影响总体硅光电倍增器性能的关键参数。然而，在实施过程中，SPAD击穿电压可取决于硅制造工艺(由于工艺变化)和/或操作温度。图5是示出整个工艺批次的击穿电压Vbr的变化的示图。如图5的频率分布曲线300所示，击穿电压Vbr可在单个制造工艺批次中变化多达2V。Vbr不仅可在横跨单个晶片形成的SPAD器件之间变化，而且Vbr也可随操作温度而变化(参见例如图6)。如图6中的曲线302所示，击穿电压Vbr在更高的温度下一般更高。
一般来讲，硅光电倍增器被配置为向阵列中的每个SPAD器件施加反向偏置电压，其中偏置电压等于击穿电压Vbr和过偏置电压Vob的和(即，Vbias＝Vbr+Vob)。具体地讲，过偏置电压Vob的量值应当是恒定的，以便确保Vbr的所有可能范围和操作温度上的性能均匀度。然而，维持SiPM的恒定Vob可能是有挑战性的，因为Vbr可由于工艺和温度变化而变化。
根据一个实施方案，提供了半导体器件，诸如图7的器件308，其能够抵消工艺诱导的变化和/或温度变化以便保持Vob恒定，这确保了不同器件在宽范围操作温度下的性能均匀度。如图7所示，器件可包括半导体衬底310(例如，p型硅衬底)、形成在衬底310上的有源硅光电倍增器220、以及也形成在衬底310上的相关温度和不均匀补偿电路320。硅光电倍增器220可包括被配置为检测入射光子并且因此有时被称为“照亮的微小区”202的SPAD像素202的阵列。
图7的示例仅是示例性的，其中恒定电流源324、电压传感器326、数据转换器328和电压控制器330也形成在衬底310上。如果需要，只需要在同一衬底310上形成有源SiPM 220和基准SiPM 332，但电路的其余部分(即，恒定电流源324、电压传感器326、数据转换器328和电压控制器330)可任选地形成在另一片半导体衬底上。
如上文结合图5和图6所述，照亮的微小区202可表现出在不同器件之间变化并且在不同操作温度下变化的击穿电压Vbr。补偿电路320可被配置为减轻这些变化源以确保均匀的SPAD性能。如图7所示，温度和不均匀补偿电路320可包括基准光敏器件(诸如基准硅光电倍增器322)、电流源(诸如恒定电流源324)、电压检测电路(诸如电压传感器326)、数据转换电路(诸如数据转换器328)和电压控制电路(诸如电压控制器330)。与有源SiPM 220内的照亮的微小区202相比，基准SiPM 322可不接收任何入射光子(如果被光屏蔽结构覆盖)或可仅接收杂散光。因此，基准SiPM 322有时可被描述为具有一个或多个“暗微小区”。基准(“暗”)SiPM 322可用于感测Vbr变化。使用基准SiPM 322检测到的任何变化继而将指示电压控制器330动态地调节偏置电压Vbias，该偏置电压Vbias经由路径332馈送至每个SPAD器件202的阴极端子，以补偿在不同操作温度下Vbr的变化。
图8为示例性温度和不均匀补偿电路320的示图。如图8所示，补偿电路320包括被配置为提供恒定电流Ic的恒定电流源324、被配置为接收来自恒定电流源324的固定电流Ic的基准SiPM 322、以及与基准SiPM 322并联耦接的电压传感器326。基准SiPM可包括一个或多个暗微小区350，每个暗微小区包括与淬灭电阻器串联连接的SPAD(例如)。由于基准暗SiPM 322在与有源照亮的SiPM 220相同的半导体衬底上形成(参见图7)，基准SiPM 322能够准确地跟踪由有源SiPM 220表现出的任何工艺变化，而无需执行任何附加校准。
电压传感器326可例如使用具有串联连接的电阻器R1和R2的分压器电路来实现。不过，这仅仅是示例性的。一般来讲，可使用任何合适类型的电压传感器。与基准SiPM 322的电阻相比，电阻器R1和R2的电阻可相对较大。在一个合适的布置方式中，R1和R2可分别为9.5兆欧姆和0.5兆欧姆，总电阻为10MΩ。以此方式配置，由固定电流源324生成的大多数电流Ic将流入基准SiPM 322中(例如，至少90％的Ic将流入暗微小区，至少95％的Ic将流入暗微小区，至少99％的Ic将流入暗微小区，至少99.9％的Ic将流入暗微小区，90-100％的Ic将流入暗微小区，等等)。一般来讲，电压传感器326可具有任何合适的阻抗值，使得超过90％的恒定电流Ic被转移到基准SiPM 322中，如箭头323所示。为了实现这一点，电压传感器326应表现出为基准硅光电倍增器的电阻的至少十倍，为基准硅光电倍增器的电阻的至少100倍，为基准硅光电倍增器的电阻的至少1000倍，为基准硅光电倍增器的电阻的至少10-1000倍的电阻，等等。
分压器326可具有在其上提供传感器输出电压Vsense的输出。电压信号Vsense可被馈送至数据转换器328(例如，模数转换器)，该转换器被配置为将模拟电压Vsense转换为其数字等效形式。然后，转换器328的输出处的转换后的数字信号用于控制数字控制的电压控制器330，该数字控制的电压控制器动态地调节偏置电压Vbias以反向偏置有源SiPM中的每个SPAD。
将恒定电流Ic施加至基准SiPM有效地将暗微小区350配置为与温度相关的电压源。具体地讲，暗微小区350上的过偏置电压Vob也将取决于有源SiPM的特性击穿电压Vbr及其操作温度。将流过基准SiPM的电流设置为恒定值使得能够可再现地依赖于温度和Vbr两者，这继而允许补偿电路320在电压传感器326的输出处生成与温度和Vbr有关的电压Vsense。然后由数据转换器328转换该电压Vsense，电压控制器330将使用其结果为有源SiPM选择偏置电压Vbias，该偏置电压Vbias为击穿电压Vbr之上的固定值，而与Vbr的实际值和环境温度无关。
图7的示图仅是举例说明的，并非旨在限制本发明实施方案的范围，其中有源SiPM220和基准SiPM 322在半导体衬底310上被示出为物理分离的结构。在实施过程中，不同SPAD在给定SiPM表面上经历的暗电流的量可以是不均匀的。在一些情况下，少数微小区可表现出过大的暗数，因此有时可被称为“尖叫器(screamer)”。在此类尖叫器场景下，在有源SiPM的边缘处实施单个基准微小区以补偿温度和工艺变化可导致与总体SiPM的实际暗电流的差的相关性。
为了解决该问题，半导体器件308可具有均匀分布在照亮的微小区202(其为有源SiPM的一部分)之间的暗微小区350(其为基准SiPM的一部分)，如图9所示。微透镜360可形成在每个照亮的微小区202之上。光导结构362可在微透镜360和衬底310之间形成，并且可被配置为将来自每个微透镜360的入射光子引导至下文相应的照亮的微小区202。以这种方式形成微透镜360使得微小区具有比通常可能的更大的间距，并且还允许微小区尺寸最小化，这可有助于优化暗计数速率，减少像素串扰和改善动态范围。
暗微小区350可插入衬底310中并在两个相邻照亮的微小区202之间，并且因此可位于相邻微透镜360相遇的点的下方。微透镜362聚焦的光不应落在暗微小区350上。暗微小区350无需被覆盖，因为它们不应被微透镜聚焦的任何光子照亮。然而，当杂散光子入射在SiPM表面上时，暗微小区350可被激活。这是一个有用的特征，因为它允许补偿环境光光子的变化。以这种方式形成SiPM(其中每个照亮的微小区202具有相邻未照亮的微小区350)使得器件308能够应对(acount for)可能存在于器件308的整个表面上的不均匀性(例如，图9的分布式/交错式微小区布置可有助于平均出任何不均匀的暗噪声或尖叫声问题)。如果需要，暗微小区350可任选地被相关联的光阻挡或屏蔽结构覆盖。
图10为示出将固定电流提供到基准(暗)微小区中可如何在不同操作温度下产生不同偏置电压的示图。图10将电流(在对数标度上)绘制为Vbias’的函数，其表示基准SiPM中SPAD的阴极端子和阳极端子上的反向偏置电压(参见图8)。曲线400-1将电流分布表示为第一温度下的Vbias'的函数；曲线400-2将电流分布表示为大于第一温度的第二温度下的Vbias'的函数；曲线400-3将电流分布表示为大于第二温度的第三温度下的Vbias'的函数；并且曲线400-4将电流分布表示为大于第三温度的第四温度下的Vbias'的函数。
如果通过基准SPAD的电流固定在100μA(如虚水平线所示)，则Vbias’可根据操作温度而变化。因此，假设Ic＝100μA，则Vbias'将在第一温度下等于V1，在第二温度下等于V2，在第三温度下等于V3，在第四温度下等于V4，其中V1<V2<V3<V4。换句话讲，暗微小区的作用类似于与温度相关的电压源。
图11为示出当Ic固定在100μA时基准微小区的阴极电压如何类似于不同温度下的有源微小区的阴极电压的示图。使用“x”标记的数据点表示不同温度下的基准SiPM的Vcathode测量结果，而使用“o”标记的数据点表示不同温度下的有源SiPM的Vcathode测量结果。如图11所示，基准SiPM的性能与有源SiPM在宽范围温度的性能非常相符(例如，x与o的基本上重合)。
图12为示例性曲线500的示图，该示例性曲线可用于对结合图7和图8所述的类型的温度和不均匀补偿电路320控制有源SiPM的方式进行编程。x轴表示在电压传感器/检测器的输出处生成的电压Vsense，而y轴表示Vbias和Vob的总和，其总数应作为Vbias施加到有源SiPM。如上所述，Vbr可能由于工艺和温度变化而发生变化，但Vob应具有10V的恒定值(例如)。曲线500可指示数据转换器328和数字控制的电压控制器330如何输出Vbias。具体地讲，曲线500(其可为线性或非线性的)可被编码为预先校准的查找表，其配置应如何根据其从数据转换器328接收的数字信号来调节Vbias。
图13为示出不同器件的阴极电压如何全部沿同一曲线而不考虑Vbr值的示图。具体地讲，图13将击穿电压Vbr绘制为阴极端子电压的函数，假设Ic再次固定在100μA。如图13所示，沿曲线502的各个数据点表示从不同半导体器件308获得的测量结果。无论Vbr的值如何，所有数据点都沿同一曲线502。这示出了可如何使用本文所述的补偿电路320来实现不同器件之间的均匀性。
根据一个实施方案，本发明提供了一种半导体器件，其包括：衬底；有源硅光电倍增器，所述有源硅光电倍增器具有形成在所述衬底中的多个照亮的微小区，其中所述多个照亮的微小区表现出击穿电压；和基准硅光电倍增器，所述基准硅光电倍增器具有形成在所述衬底中的多个基准微小区。基准硅光电倍增器可用于补偿击穿电压的工艺和温度变化。
根据另一个实施方案，所述多个基准微小区分布在所述多个照亮的微小区之间。
根据另一个实施方案，所述多个基准微小区中的每个基准微小区可物理地插置在所述多个照亮的微小区中的至少两个相邻照亮的微小区之间。
根据另一个实施方案，所述半导体器件任选地还包括多个微透镜，每个微透镜均与所述多个照亮的微小区中的对应的一个对准。
根据另一个实施方案，所述多个基准微小区任选地被配置为仅接收杂散光子。
根据另一个实施方案，所述半导体器件任选地还包括电流源，所述电流源被配置为向所述基准硅光电倍增器提供恒定电流。
根据另一个实施方案，所述半导体器件任选地还包括电压传感器，所述电压传感器与所述基准硅光电倍增器并联耦接。
根据另一个实施方案，所述电压传感器任选地包括分压器电路。
根据另一个实施方案，所述电压传感器任选地表现出为所述基准硅光电倍增器的电阻的至少十倍的电阻。
根据另一个实施方案，所述半导体器件任选地还包括被配置为接收从所述电压传感器输出的电压的数据转换器。
根据另一个实施方案，所述数据转换器任选地包括模数数据转换器电路。
根据另一个实施方案，所述半导体器件任选地还包括电压控制器，所述电压控制器被配置为从所述数据转换器接收信号并且生成应用到所述有源硅光电倍增器的偏置电压。
根据一个实施方案，本发明提供了一种操作具有衬底的半导体器件的方法。所述方法包括：利用形成在所述衬底中的多个有源微小区来接收入射光子；利用形成在所述衬底中的多个暗微小区来输出取决于操作温度的偏置电压；以及使用从所述多个暗微小区输出的所述偏置电压来应对所述衬底的表面上的暗电流噪声的不均匀性并且补偿工艺变化。
根据另一个实施方案，使用单光子雪崩二极管来任选地实现所述多个有源微小区和所述多个暗微小区。
根据另一个实施方案，所述方法任选地还包括将所述多个暗微小区用作与温度相关的电压源。
根据另一个实施方案，所述方法任选地还包括将恒定电流提供到所述多个暗微小区中。
根据另一个实施方案，所述方法任选地还包括使用电压检测器来感测从所述多个暗微小区输出的所述偏置电压；以及利用电压控制器向所述多个有源微小区提供动态可调电压。可根据由所述电压检测器感测的所述电压来任选地调节所述动态可调电压。
根据一个实施方案，本发明提供了一种图像设备，其包括：有源硅光电倍增器；和基准硅光电倍增器，所述基准硅光电倍增器用于获得平均补偿值。所述平均补偿值可用于补偿所述成像设备的表面上的暗电流的变化。
根据另一个实施方案，所述有源硅光电倍增器任选地包括第一多个单光子雪崩二极管，并且所述基准硅光电倍增器任选地包括散布在所述第一多个单光子雪崩二极管之间的第二多个单光子雪崩二极管。
根据另一个实施方案，所述基准硅光电倍增器任选地被配置为与温度相关的电压源。
前述内容仅仅是对本发明原理的示例性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

Claims (19)

1.一种半导体器件，包括：
衬底；
有源硅光电倍增器，所述有源硅光电倍增器具有形成在所述衬底中的多个照亮的微小区，其中所述多个照亮的微小区表现出击穿电压；
基准硅光电倍增器，所述基准硅光电倍增器具有形成在所述衬底中的多个基准微小区，其中所述基准硅光电倍增器用于补偿所述击穿电压的工艺和温度变化；和
电流源，所述电流源被配置为向所述基准硅光电倍增器提供恒定电流。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述多个基准微小区分布在所述多个照亮的微小区之间。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述多个基准微小区中的每个基准微小区物理地插置在所述多个照亮的微小区中的至少两个相邻照亮的微小区之间。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括多个微透镜，每个微透镜均与所述多个照亮的微小区中的对应的一个对准。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述多个基准微小区被配置为仅接收杂散光子。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：
电压传感器，所述电压传感器与所述基准硅光电倍增器并联耦接。
7.根据权利要求6所述的半导体器件，其中所述电压传感器包括分压器电路。
8.根据权利要求6所述的半导体器件，其中所述电压传感器表现出为所述基准硅光电倍增器的电阻的至少十倍的电阻。
9.根据权利要求6所述的半导体器件，还包括被配置为接收从所述电压传感器输出的电压的数据转换器。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中所述数据转换器包括模数数据转换器电路。
11.根据权利要求9所述的半导体器件，还包括电压控制器，所述电压控制器被配置为从所述数据转换器接收信号，并且生成应用到所述有源硅光电倍增器的偏置电压。
12.一种操作半导体器件的方法，所述半导体器件具有衬底，所述方法包括：
利用形成在所述衬底中的多个有源微小区，接收入射光子；
利用形成在所述衬底中的多个暗微小区，输出取决于操作温度的偏置电压；
使用电压检测器感测从所述多个暗微小区输出的所述偏置电压；
使用模数数据转换器从所述电压检测器接收电压信号，并输出相应的数字信号；以及
使用从所述模数数据转换器输出的所述数字信号来应对所述衬底的表面上的暗电流噪声的不均匀性并且补偿工艺变化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中使用单光子雪崩二极管来实现所述多个有源微小区和所述多个暗微小区。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：使用所述多个暗微小区作为依赖于温度的电压源。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：将恒定电流提供到所述多个暗微小区中。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
利用电压控制器，接收所述数字信号并向所述多个有源微小区提供动态可调电压，其中根据由所述电压检测器感测的所述电压来调节所述动态可调电压。
17.一种成像设备，包括：
有源硅光电倍增器；
基准硅光电倍增器；
电压传感器，所述电压传感器与所述基准硅光电倍增器并联耦接并且具有一个或更多个电阻器；以及
模数转换器，所述模数转换器被配置为接收来自所述电压传感器的传感器输出电压，其中所述基准硅光电倍增器、所述电压传感器和所述模数转换器用于获得补偿值，所述补偿值用于补偿所述有源硅光电倍增器的工艺和/或温度变化。
18.根据权利要求17所述的成像设备，其中所述有源硅光电倍增器包括第一多个单光子雪崩二极管，并且其中所述基准硅光电倍增器包括散布在所述第一多个单光子雪崩二极管之间的第二多个单光子雪崩二极管。
19.根据权利要求18所述的成像设备，其中所述基准硅光电倍增器被配置为依赖于温度的电压源。
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