CN116344556A - 一种用于近红外光子探测的光电倍增管探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电倍增管探测器技术领域，尤其涉及一种用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，包括：基底，用以承载二极管的各组件；若干干扰阻隔区，用以降低二极管运行的噪声；抗反射层，用以过滤对应波长的光；保护环，用以封闭二极管；阳极引出端，用以将正电荷引导出二极管；阴极引出端，用以将负电荷引导出二极管；本发明利用设置上述构造，利用较厚的晶圆实现近红外光子的高效探测，在保证红外光子探测准确率的同时，将N型和P型垂直的重掺杂柱状区域结构间距减小，从而有效提升了光子探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电倍增管探测器技术领域，尤其涉及一种用于近红外光子探测的光电倍增管探测器。
背景技术
近年来，弱光探测器技术在高能物理、天体物理和核医学成像领域等一直具有非常重要的应用，也逐渐成为人类社会发展中一片至关重要的领域。极微弱光信号，是指信号幅度绝对值很小、信噪比很低，相较于背景噪声极其微弱，甚至会被噪声淹没的一类信号。如何在复杂、凌乱的交织信号中将有用信号精确地探测出来，成为极微弱光信号探测领域内的关键问题。
中国专利授权公告号：CN113008849B公开了紫外-近红外宽波段微区光致发光光谱测试装置，包括激发光源系统和光谱测量及照明观察系统；激发光源系统包括高重频超快激光源、激光脉冲选择器、第一分光器和谐波发生器；光谱测量及照明观察系统包括显微物镜、恒温样品池、六轴六足精密电动位移台、透镜、光栅光谱仪、CCD相机、光电倍增管PMT、电脑控制端、光电探测器、观测样品表面的成像相机、光纤耦合的LED光源。该发明采用高重频超快激光源，与激光脉冲选择器及谐波发生器结合，构成激发波长宽波段可调、重频可调的激发光源，大大拓展了传统方法在材料体系上的限制，可以实现对PL光谱、荧光寿命及二阶相关性的测试，从而能够对更丰富样品特性和器件性质进行研究。
但是，上述方法存在以下问题：无法在保证红外光子探测时间的同时降低探测产生的噪声。
发明内容
为此，本发明提供一种用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，用以克服现有技术中无法在保证红外光子探测时间的同时降低探测产生的噪声，从而导致探测效率降低的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，其由若干单光子雪崩光电二极管组成，单个二极管包括基底、若干干扰阻隔区、抗反射层、保护环、阳极引出端以及阴极引出端，其中：
基底，其为所述二极管的主体，基底上设有以波长策略设置的第一柱状区域以及第二柱状区域，用以承载二极管的各组件；
若干干扰阻隔区，其设置在所述基底上，且，处于第一柱状区域两端，用以降低所述二极管运行的噪声；
抗反射层，其设置在所述二极管的光入射面，用以过滤对应波长的光；
保护环，其设置在远离所述抗反射层的所述基底上，用以封闭所述二极管；
阳极引出端，其设置在所述基底上，且穿过保护环与所述第二柱状区域相连，并且设置有淬灭电阻，用以将第二柱状区域产生的正电荷引导出所述二极管；
阴极引出端，其设置在所述基底上，且穿过保护环与所述第一柱状区域相连，用以将第一柱状区域产生的负电荷引导出所述二极管；
其中，所述第一柱状区域为N型重掺杂区柱状区域，所述第二柱状区域为P型重掺杂区柱状区域，所述波长策略为通过待测光波长确定第一柱状区域以及第二柱状区域间距；
其中，所述阳极引出端以及所述阴极引出端位于所述二极管远离所述抗反射层一侧，所述淬灭电阻设置在所述保护环表面。
进一步地，各干扰阻隔区设置在所述基底上，为堆积状区域，包括：
第一类干扰阻隔区，其与所述抗反射层以第一结合策略相连，与所述第一柱状区域以堆积结合策略相连，用以降低抗反射层与第一柱状区域产生的噪声；
第二类干扰阻隔区，其与所述保护环以第二结合策略相连，与所述第一柱状区域以堆积结合策略相连，用以降低因所述阴极引出端与第一柱状区域产生的噪声；
其中，所述第一结合策略为以所述抗反射层为底面，沿所述第一柱状区域向抗反射层形成与抗反射层形成预设结合面积的堆积状区域，所述第二结合策略为以所述保护环为底面，沿所述第一柱状区域向抗反射层形成与抗反射层形成预设结合面积的堆积状区域；
其中，所述堆积状区域为以所述预设结合面积为底，在所述基底上结构稳定的形状对应的区域，所述预设结合面积与所述待测光波长有关；
其中，所述干扰阻隔区为N型轻掺杂区域。
进一步地，所述第一柱状区域与所述第二柱状区域的间距为预设间距，其与所述待测光的波长成正比；
其中，所述待测光的波长为700nm至1600nm；所述预设间距为在第一预设间距区间或第二预设间距区间内连续；
其中，所述第一预设间距区间以及所述第二预设间距区间与所述基底的材质以及厚度有关。
进一步地，所述第一柱状区域以及所述第二柱状区域在所述基底上以预设深度设置，用以受所述待测光激发产生的电势差；
其中，预设深度为6μm至295μm，其与所述待测光的波长有关；
进一步地，所述抗反射层在工作状态下，所述待测光的光子能够通过所述抗反射层并进入所述第一柱状区域以及所述第二柱状区域之间，并在预设时长内激发；
其中，所述预设时长与所述第一柱状区域以及所述第二柱状区域的距离有关，其间距不大于5μm；
所述工作状态为所述二极管受到光照并生成对应数据的状态。
进一步地，所述基底为P型低掺杂晶圆片，电阻率为1Ω·cm至10Ω·cm；
所述第一柱状区域以及所述第二柱状区域的宽度误差为10%，由宽度误差产生的噪声能够由所述各干扰阻隔区消除。
进一步地，所述各干扰阻隔区的所述预设结合面积不小于所述第一柱状区域最大截面积的1.05倍，且横向投影长度不大于3μm。
进一步地，所述淬灭电阻为自掺杂多晶硅电阻条，单个淬灭电阻阻值在50KΩ至300KΩ之间。
进一步地，所述P型重掺杂区柱状沟槽结构区域宽度为0.5至2μm，所述N型重掺杂区柱状沟槽结构区域宽度为0.5至2μm，N型重掺杂区柱状沟槽结构区域和P型重掺杂区柱状沟槽结构区域深度为18至38μm；
所述第一柱状区域与所述第二柱状区域的横向间距不大于5μm；
其中，所述第一柱状区域以及所述第二柱状区域的自掺杂浓度为1×1018至1×1020/cm³之间。
进一步地，所述抗反射层的材质与所述待测光的波长有关，能够由二氧化硅、氮化硅或者氧化铟锡中的至少一种作为主材料制备，用以增强光子吸收；
所述抗反射层的主材料占比为70%体积比。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，利用设置基底、若干干扰阻隔区、抗反射层、保护环、阳极引出端以及阴极引出端，利用较厚的晶圆实现近红外光子的高效探测，在保证红外光子探测准确率的同时，将N型和P型垂直的重掺杂柱状区域结构间距减小，从而有效提升了光子探测效率。
进一步地，通过设置若干干扰阻隔区的方式，在有效降低了因二极管结构产生的噪声的同时，提升了光子探测的准确性，从而进一步提升了光子探测效率。
进一步地，通过设置抗反射层的方式，收集对应波长的光子，在有效提升了光子收集的针对性的同时，进一步提升了光子探测效率。
附图说明
图1为本发明单个二极管的侧向展开图；
图2为本发明实施例二极管的侧向展开方式示意图；
图3为本发明实施例的二极管内部电场方向图；
图4为本发明实施例的拓扑结构示意图；
其中：1，基底；11，第一柱状区域；12，第二柱状区域；2，干扰阻隔区；21，第一类干扰阻隔区；22，第二类干扰阻隔区；3，抗反射层；4、保护环；5，阳极引出端；51，淬灭电阻；6，阴极引出端；7，待测光路径；8，单光子雪崩光电二极管。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为方便理解本方法，将本方案中的部分术语进行解释：
二极管：二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件；二极管有两个电极，正极，又叫阳极；负极，又叫阴极，给二极管两极间加上正向电压时，二极管导通。
P型掺杂：P型掺杂是通过向半导体晶体中掺入3价元素（如铝、硼等），杂原子的空缺会形成电子空穴，电子的主导是由空穴传导所决定。
N型掺杂：N型掺杂则是通过向半导体晶体中掺入5价元素（如磷、氮等），杂原子产生的多余电子成为电子携带者，电子的主导是由电子本身传导所决定。
堆积状：以一个面为底，沿垂直于该面生成的锥状体，其外观能够是均匀或不均匀的。
请参阅图1所示，其为本发明单个二极管的侧向展开图，其基于一种用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，其中，单个二极管包括：
基底1，其为二极管的主体，基底上设有以波长策略设置的第一柱状区域11以及第二柱状区域12，用以承载二极管的各组件；
若干干扰阻隔区2，其设置在基底1上，且，处于第一柱状区域11两端，用以降低二极管运行的噪声；
抗反射层3，其设置在二极管的光入射面，用以过滤对应波长的光；
保护环4，其设置在远离抗反射层3的基底上，用以封闭二极管；
阳极引出端5，其设置在基底1上，且穿过保护环4与第二柱状区域12相连，并且设置有淬灭电阻51，用以将第二柱状区域12产生的正电荷引导出二极管；
阴极引出端6，其设置在基底1上，且穿过保护环4与第一柱状区域11相连，用以将第一柱状区域11产生的负电荷引导出二极管；
请参阅图2所示，其为本发明实施例二极管的侧向展开方式示意图；
其中，第一柱状区域为N型重掺杂区柱状区域，第二柱状区域为P型重掺杂区柱状区域，波长策略为通过待测光波长确定第一柱状区域以及第二柱状区域间距；
其中，阳极引出端以及阴极引出端位于二极管远离抗反射层一侧，淬灭电阻设置在保护环表面。
本发明利用设置基底、若干干扰阻隔区、抗反射层、保护环、阳极引出端以及阴极引出端，利用较厚的晶圆实现近红外光子的高效探测，在保证红外光子探测准确率的同时，将N型和P型垂直的重掺杂柱状区域结构间距减小，从而有效提升了光子探测效率。
请继续参阅图1所示，其中，各干扰阻隔区2设置在基底1上，为堆积状区域，包括：
第一类干扰阻隔区21，其与抗反射层3以第一结合策略相连，与第一柱状区域11以堆积结合策略相连，用以降低抗反射层与第一柱状区域11产生的噪声；
第二类干扰阻隔区22，其与保护环4以第二结合策略相连，与第一柱状区域11以堆积结合策略相连，用以降低因阴极引出端6与第一柱状区域11产生的噪声；
其中，第一结合策略为以抗反射层为底面，沿第一柱状区域向抗反射层形成与抗反射层形成预设结合面积的堆积状区域，第二结合策略为以保护环为底面，沿第一柱状区域向抗反射层形成与抗反射层形成预设结合面积的堆积状区域；
其中，堆积状区域为以预设结合面积为底，在基底上结构稳定的形状对应的区域，预设结合面积与待测光波长有关；
其中，干扰阻隔区为N型轻掺杂区域。
通过设置若干干扰阻隔区的方式，在有效降低了因二极管结构产生的噪声的同时，提升了光子探测的准确性，从而进一步提升了光子探测效率。
具体而言，第一柱状区域与第二柱状区域的间距为预设间距，其与待测光的波长成正比；
其中，待测光的波长为700nm至1600nm；预设间距为在第一预设间距区间或第二预设间距区间内连续；
其中，第一预设间距区间以及第二预设间距区间与基底的材质以及厚度有关。
具体而言，第一柱状区域以及第二柱状区域在基底上以预设深度设置，用以受待测光激发产生的电势差；
其中，预设深度为6μm至295μm，其与待测光的波长有关。
具体而言，抗反射层在工作状态下，待测光的光子能够通过抗反射层并进入第一柱状区域以及第二柱状区域之间，并在预设时长内激发；
其中，预设时长与第一柱状区域以及第二柱状区域的距离有关，其间距不大于5μm；
工作状态为二极管受到光照并生成对应数据的状态。
通过设置抗反射层的方式，收集对应波长的光子，在有效提升了光子收集的针对性的同时，进一步提升了光子探测效率。
具体而言，基底为P型低掺杂晶圆片，电阻率为1Ω·cm至10Ω·cm；
第一柱状区域以及第二柱状区域的宽度误差为10%，由宽度误差产生的噪声能够由各干扰阻隔区消除。
具体而言，各干扰阻隔区的预设结合面积不小于第一柱状区域最大截面积的1.05倍，且横向投影长度不大于3μm。
具体而言，淬灭电阻为自掺杂多晶硅电阻条，单个淬灭电阻阻值在50KΩ至300KΩ之间。
具体而言，P型重掺杂区柱状沟槽结构区域宽度为0.5至2μm，N型重掺杂区柱状沟槽结构区域宽度为0.5至2μm，N型重掺杂区柱状沟槽结构区域和P型重掺杂区柱状沟槽结构区域深度为18至38μm；
第一柱状区域与第二柱状区域的横向间距不大于5μm
其中，第一柱状区域以及第二柱状区域的自掺杂浓度为1×1018至1×1020/cm³之间。
具体而言，抗反射层的材质与待测光的波长有关，能够由二氧化硅、氮化硅或者氧化铟锡中的至少一种作为主材料制备，用以增强光子吸收；
抗反射层的主材料占比为70%体积比。
为方便理解，下面给出本申请的实施例：
实施例1
基底：电阻率0.1Ω·cm，厚度10μm；
干扰阻隔区：底面宽度0.75μm，杂质离子为砷；
第一柱状区域：磷元素掺杂浓度1×1018/cm，宽度0.5μm，深度6μm；
第二柱状区域：硼元素掺杂浓度1×1018/cm，宽度0.5μm，深度6μm；
第一柱状区域与第二柱状区域间距：1.1μm；
淬灭电阻阻值：50KΩ；
抗反射层：厚度110nm，主体材质为90%氧化硅；
保护环：厚度100μm，材料为氮化硅；
上述二极管能够用于测量波长为700nm-1100nm的近红外光子。
实施例2
基底：电阻率20Ω·cm，厚度500μm；
干扰阻隔区：底面宽度21.05μm，杂质离子为砷；
第一柱状区域：磷元素掺杂浓度1×1020/cm，宽度20μm，深度295μm；
第二柱状区域：硼元素掺杂浓度1×1020/cm，宽度20μm，深度295μm；
第一柱状区域与第二柱状区域间距：5μm；
淬灭电阻阻值：300KΩ；
抗反射层：厚度164nm，主体材质为35%氧化硅以及30%氧化铟锡；
保护环：厚度300μm，材料为氧化硅；
上述二极管能够用于测量波长为1100nm-1600nm的近红外光子。
实施例3
基底：电阻率5Ω·cm，厚度200μm；
干扰阻隔区：底面宽度11μm，杂质离子为砷；
第一柱状区域：磷元素掺杂浓度5×1018/cm，宽度10μm，深度110μm；
第二柱状区域：硼元素掺杂浓度5×1018/cm，宽度10μm，深度110μm；
第一柱状区域与第二柱状区域间距：3μm；
淬灭电阻阻值：120KΩ；
抗反射层：厚度60nm，主体材质为55%二氧化硅；
保护环：厚度800μm，材料为氧化硅；
上述二极管能够用于测量波长为900nm-1500nm的近红外光子。
请参阅图3所示，其为本发明实施例的二极管内部电场方向图，电场由第一柱状区域11指向第二柱状区域12，当待测光路径7照射入二极管内，将光子携带的能量对第一柱状区域11以及第二柱状区域12进行激发，干扰阻隔区2对其产生的噪声进行过滤，从而使阳极引出端5以及阴极引出端6形成可靠的电势差。
请参阅图4所示，其为本发明实施例的拓扑结构示意图，其中，近红外光子探测的光电倍增管探测器由若干单光子雪崩光电二极管8组成，所有二极管的阳极并联后引出，所有二极管的阴极并联后引出，以将信号放大。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，其特征在于，其由若干单光子雪崩光电二极管组成，单个二极管包括基底、若干干扰阻隔区、抗反射层、保护环、阳极引出端以及阴极引出端，其中：
所述基底，其为所述二极管的主体，基底上设有以波长策略设置的第一柱状区域以及第二柱状区域，用以承载二极管的各组件；
所述若干干扰阻隔区，其设置在所述基底上，且，处于第一柱状区域两端，用以降低所述二极管运行的噪声；
所述抗反射层，其设置在所述二极管的光入射面，用以过滤对应波长的光；
所述保护环，其设置在远离所述抗反射层的所述基底上，用以封闭所述二极管；
所述阳极引出端，其设置在所述基底上，且穿过保护环与所述第二柱状区域相连，并且设置有淬灭电阻，用以将第二柱状区域产生的正电荷引导出所述二极管；
所述阴极引出端，其设置在所述基底上，且穿过保护环与所述第一柱状区域相连，用以将第一柱状区域产生的负电荷引导出所述二极管；
其中，所述第一柱状区域为N型重掺杂区柱状区域，所述第二柱状区域为P型重掺杂区柱状区域，所述波长策略为通过待测光波长确定第一柱状区域以及第二柱状区域间距；
其中，所述阳极引出端以及所述阴极引出端位于所述二极管远离所述抗反射层一侧，所述淬灭电阻设置在所述保护环表面。
2.根据权利要求1所述的用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，其特征在于，各干扰阻隔区设置在所述基底上，为堆积状区域，包括：
第一类干扰阻隔区，其与所述抗反射层以第一结合策略相连，与所述第一柱状区域以堆积结合策略相连，用以降低抗反射层与第一柱状区域产生的噪声；
第二类干扰阻隔区，其与所述保护环以第二结合策略相连，与所述第一柱状区域以堆积结合策略相连，用以降低因所述阴极引出端与第一柱状区域产生的噪声；
其中，所述第一结合策略为以所述抗反射层为底面，沿所述第一柱状区域向抗反射层形成与抗反射层形成预设结合面积的堆积状区域，所述第二结合策略为以所述保护环为底面，沿所述第一柱状区域向抗反射层形成与抗反射层形成预设结合面积的堆积状区域；
其中，所述堆积状区域为以所述预设结合面积为底，在所述基底上结构稳定的形状对应的区域，所述预设结合面积与所述待测光波长有关；
其中，所述干扰阻隔区为N型轻掺杂区域。
3.根据权利要求2所述的用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，其特征在于，所述第一柱状区域与所述第二柱状区域的间距为预设间距，其与所述待测光的波长成正比；
其中，所述待测光的波长为700nm至1600nm；所述预设间距为在第一预设间距区间或第二预设间距区间内连续；
其中，所述第一预设间距区间以及所述第二预设间距区间与所述基底的材质以及厚度有关。
4.根据权利要求3所述的用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，其特征在于，所述第一柱状区域以及所述第二柱状区域在所述基底上以预设深度设置，用以受所述待测光激发产生的电势差；
其中，预设深度为6μm至295μm，其与所述待测光的波长有关。
5.根据权利要求1所述的用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，其特征在于，所述抗反射层在工作状态下，所述待测光的光子能够通过所述抗反射层并进入所述第一柱状区域以及所述第二柱状区域之间，并在预设时长内激发；
其中，所述预设时长与所述第一柱状区域以及所述第二柱状区域的距离有关，其间距不大于5μm；
所述工作状态为所述二极管受到光照并生成对应数据的状态。
6.根据权利要求4或5任一项权利要求所述的用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，其特征在于，所述基底为P型低掺杂晶圆片，电阻率为1Ω·cm至10Ω·cm；
所述第一柱状区域以及所述第二柱状区域的宽度误差为10%，由宽度误差产生的噪声能够由所述各干扰阻隔区消除。
7.根据权利要求6所述的用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，其特征在于，所述各干扰阻隔区的预设结合面积不小于所述第一柱状区域最大截面积的1.05倍，且横向投影长度不大于3μm。
8.根据权利要求7所述的用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，其特征在于，所述淬灭电阻为自掺杂多晶硅电阻条，单个淬灭电阻阻值在50KΩ至300KΩ之间。
9.根据权利要求8所述的用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，其特征在于，所述P型重掺杂区柱状沟槽结构区域宽度为0.5至2μm，所述N型重掺杂区柱状沟槽结构区域宽度为0.5至2μm，N型重掺杂区柱状沟槽结构区域和P型重掺杂区柱状沟槽结构区域深度为18至38μm；
所述第一柱状区域与所述第二柱状区域的横向间距不大于5μm
其中，所述第一柱状区域以及所述第二柱状区域的自掺杂浓度为1×1018至1×1020/cm³之间。
10.根据权利要求9所述的用于近红外光子探测的光电倍增管探测器，其特征在于，所述抗反射层的材质与所述待测光的波长有关，能够由二氧化硅、氮化硅或者氧化铟锡中的至少一种作为主材料制备，用以增强光子吸收；
所述抗反射层的主材料占比为70%体积比。
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