CN209216971U - 雪崩光电二极管阵列探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种雪崩光电二极管阵列探测器，包括：传感器芯片，其包括至少一个雪崩光电二极管和与所述至少一个雪崩光电二极管串联的至少一个淬灭电阻，所述至少一个雪崩光电二极管形成在硅基底上；信号读出芯片，其包括至少一个信号数字读出电路；其中，所述传感器芯片和所述信号读出芯片通过倒装方式集成在一起，以使得所述传感器芯片的雪崩光电二极管和对应的淬灭电阻与所述信号读出芯片的信号数字读出电路电气连接，以通过信号数字读出电路读出从淬灭电阻取样的电信号。通过上述方案能够提高探测器的填充因子并降低制作成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电技术领域，尤其涉及一种雪崩光电二极管阵列探测器。
背景技术
光电探测器广泛用于高能物理研究、生物医学成像及工业生产等领域，其中，单光子探测器在单光子成像、激光雷达、化学发光、生物荧光和基因测序等弱光检测领域得到大量应用。
单光子探测器包括光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)、模拟或数字型硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier，SiPM)、单光子雪崩光电二极管(Single PhotonAvalanche Diode，SPAD)等多种类型，其中，由于PMT具有体积大、工作电压高、功耗高、易损坏、受光阴极限制而导致探测效率较低、对磁场敏感以及不适合制作大规模阵列等缺点，其导致单光子探测器的应用受到限制。为此，模拟型的硅基光电倍增器已被提出，但其基于雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)阵列串联被动淬灭电阻后并联输出的硅基探测器输出模拟信号需要经过放大和模数转换后才可以读出，使用起来比较复杂，且由于输出电容的问题无法制作大面积的探测器，大大增加了读出难度和读出成本。数字型的硅光电倍增器进一步被提出，其直接输出探测信号的时间信息和能量信息，极大简化了读出电子学，具有极佳的信噪比，但由于将APD阵列和数字读出电路集成于一片芯片上，导致其填充因子较小，探测效率较低，并且制作成本高，开发周期长，而且没有响应单元的位置信息。普通的SPAD阵列功能及结构与硅基的数字型光电倍增器基本一致，且每一个APD单元响应的位置信息也可以被记录，所以能够被用于单光子成像和单光子探测，具有极好的位置分辨和时间分辨特性，但这种单光子探测器阵列和数字硅光电倍增器一样将APD阵列和数字读出电路集成于同一片芯片上，同样导致填充因子较小，限制了其效率和制作。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种雪崩光电二极管阵列探测器，以提高填充因子并降低制作成本。
为了实现上述目的，本实用新型采用以下方案：
在本实用新型一实施例中，一种雪崩光电二极管阵列探测器，包括：
传感器芯片，其包括至少一个雪崩光电二极管和与所述至少一个雪崩光电二极管串联的至少一个淬灭电阻，所述至少一个雪崩光电二极管形成在硅基底上；
信号读出芯片，其包括至少一个信号数字读出电路；
其中，所述传感器芯片和所述信号读出芯片通过倒装方式集成在一起，以使得所述传感器芯片的雪崩光电二极管和对应的淬灭电阻与所述信号读出芯片的信号数字读出电路电气连接，以通过信号数字读出电路读出从淬灭电阻取样的电信号；
所述倒装方式包括倒装焊和/或直接键合方式。
在本实用新型一实施例中，雪崩光电二极管和对应的淬灭电阻通过第一电极相连接；所述信号数字读出电路包括引出电极；所述第一电极和所述引出电极电气连接。
在本实用新型一实施例中，所述至少一个雪崩光电二极管和所述至少一个淬灭电阻形成在硅基底上，所述硅基底为重掺杂衬底硅外延片或绝缘体上的硅SOI。
在本实用新型一实施例中，每个雪崩光电二极管包括用于邻接形成PN结的属于第一导电类型的第一半导体区和属于第二导电类型的第二半导体区，所述第一半导体区与相应的淬灭电阻电连接，所述第二半导体区的远离所述PN结的一侧用于接收光信号；所述雪崩光电二极管阵列探测器工作时所述PN结耗尽所述硅基底。
在本实用新型一实施例中，所述雪崩光电二极管、所述淬灭电阻及所述信号数字读出电路一一对应；传感器芯片还包括第一电极和第二电极，所述第一半导体区经由所述第一电极与相应的淬灭电阻的第一电气节点电连接；所有淬灭电阻的第二电气节点通过金属互联线连接至作为电压偏置电极的第二电极；所述信号读出芯片还包括：与所述第一电极一一对应且相耦合的第三电极，以及与所述第二电极一一对应且相耦合的第四电极；其中，所述信号数字读出电路的一端与相应的第三电极电连接，所有信号数字读出电路的另一端与所述第四电极连接；所述第二电极与所述第四电极之间以及所述第三电极与所述第一电极之间通过倒装焊连接或直接键合连接。
在本实用新型一实施例中，所述传感器芯片包括多个雪崩光电二极管子阵列组成的雪崩光电二极管阵列，每个雪崩光电二极管子阵列包括至少一个雪崩光电二极管，每个雪崩光电二极管串联一个淬灭电阻，所述多个雪崩光电二极管子阵列及其淬灭电阻形成在多个硅基底上，使得每个硅基底上具有至少一个雪崩光电二极管子阵列及其淬灭电阻。
在本实用新型一实施例中，所述淬灭电阻的制作材质包括硅、锗、金属(如镍等)、金属锗化物或金属硅化物材料。
在本实用新型一实施例中，所述信号读出芯片还包括：至少一个时间数字转换器和至少一个计数器阵列，用于获取所述雪崩光电二极管所接收的光信号的到达时刻、强度及位置信息；其中，所述至少一个时间数字转换器与所述至少一个信号数字读出电路一一对应连接；所述至少一个计数器阵列与所述至少一个信号数字读出电路一一对应连接。
在本实用新型一实施例中，所述传感器芯片为数字成像传感器芯片，雪崩光电二极管被设计为独立输出电信号；或者所述传感器芯片为数字硅光电倍增器芯片，所有雪崩光电二极管被设计为合并输出电信号。
在本实用新型一实施例中，所述传感器芯片包括1-100000个雪崩光电二极管，各雪崩光电二极管的淬灭电阻的阻值为50千欧姆至10兆欧姆；所述硅基底的活性区的厚度为1-50微米。
在本实用新型一实施例中，所述信号读出芯片是专用集成电路ASIC芯片或现场可编程逻辑门阵列FPGA芯片。
本实用新型实施例的雪崩光电二极管阵列探测器，通过将相互独立的雪崩光电二极管阵列芯片和信号读出芯片通过倒装方式集成在一起，并利用信号读出芯片的信号数字读出电路从淬灭电阻数字读出雪崩光电二极管阵列芯片中的雪崩光电二极管的电信号，能够降低雪崩光电二极管阵列探测器的制作难度，便于制作大规模雪崩光电二极管阵列，降低制作成本。而且，基于倒装方式集成的雪崩光电二极管阵列芯片和信号读出芯片，并利用第二半导体区的远离PN结的一侧接收光信号，能够使光信号背入射至雪崩光电二极管，以此能够提高雪崩光电二极管阵列探测器的填充因子，从而提高探测效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。并且，附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本实用新型的原理。为了便于示出和描述本实用新型的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本实用新型实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
图1是本实用新型一实施例的雪崩光电二极管阵列探测器的剖视结构示意图；
图2是本实用新型另一实施例的雪崩光电二极管阵列探测器的结构示意图；
图3是本实用新型又一实施例的雪崩光电二极管阵列探测器的结构示意图；
图4是本实用新型一实施例中的雪崩光电二极管阵列芯片的剖面结构示意图；
图5是本实用新型一实施例中的雪崩光电二极管阵列芯片的俯视结构示意图；
图6是本实用新型一实施例的信号读出芯片的俯视结构示意图；
图7是本实用新型一实施例的采用倒装焊方式集成的雪崩光电二极管阵列探测器的剖面结构示意图；
图8是本实用新型一实施例的采用直接键合方式集成的雪崩光电二极管阵列探测器的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。
图1是本实用新型一实施例的数字雪崩光电二极管阵列探测器的剖视结构示意图。如图1所示，一些实施例的雪崩光电二极管阵列探测器，包括：雪崩光电二极管阵列芯片100和信号读出芯片200，其中雪崩光电二极管阵列芯片100也称为传感器芯片，具体地可以用于数字成像传感器、数字光电倍增器等，传感器芯片包括雪崩光电二极管阵列及其淬灭电阻。
如图1所示，雪崩光电二极管阵列包括多个雪崩光电二极管(APD)，该多个雪崩光电二极管形成在硅基底130上，该硅基底130的导电类型首选为P型，但也可以是N型。每个雪崩光电二极管与一猝灭电阻串联，用于猝灭APD的雪崩击穿，并取出APD的光信号。在本实用新型另一实施例中，雪崩光电二极管阵列还可仅包括1个APD，该APD与猝灭电阻串联。
在本实用新型一实施例中，每个雪崩光电二极管包括用于邻接形成PN结113的属于第一导电类型的第一半导体区111和属于第二导电类型的第二半导体区112，第一半导体区111和第二半导体区112形成在硅基底130上。该第一导电类型可以为P型，该第一半导体区111可以为P++层，该第二导电类型为N型，该第二半导体区112可以为N掺杂区(富N区)；或者，该第一导电类型可以为N型，该第一半导体区111可以为N++层，该第二导电类型为P型，该第二半导体区112可以为P掺杂区(富P区)。此外，雪崩光电二极管还可以包含其他结构，例如，保护环结构、耗尽层等。传感器芯片中雪崩光电二极管的数量例如可以是一个、几个、几十个、几百个、几万个、十万个甚至更多。
本实用新型一实施例中，多个雪崩光电二极管组成的雪崩光电二极管阵列可以形成于同一硅基底130中，其中，第二半导体区112可以位于该硅基底130的内部，第一半导体区111可以更靠近硅基底130的表面。在其他实施例中，组成雪崩光电二极管阵列的多个雪崩光电二极管可以形成于不同硅基底130。作为示例，雪崩光电二极管阵列可包括多个雪崩光电二极管子阵列，每个雪崩光电二极管子阵列包括至少一个雪崩光电二极管，每个雪崩光电二极管串联一个淬灭电阻，多个雪崩光电二极管子阵列及其淬灭电阻可形成在多个硅基底上，使得每个硅基底上具有至少一个雪崩光电二极管子阵列及其淬灭电阻。
在本实用新型实施例中，第一半导体区111和第二半导体区112形成的PN结113可以在探测器工作时耗尽该硅基底活性区130。在探测器芯片PN结及淬灭电阻制作完成后，硅基底的远离PN结的一侧可以进行减薄处理，使得APD单元的PN结能够将硅基底活性区完全耗尽，光信号从硅基底远离PN结的一侧入射并在活性区中产生电子-空穴对。硅基底的减薄一面可以通过精确控制减薄处理残留N++或P++衬底层，也可完全腐蚀去除N++或P++衬底层后进行离子注入和激光退火处理形成N++层或P++层。APD单元可经由硅基底的形成有N++层或P++层的一侧引出公共金属电极，作为APD阵列的电压偏置公共端。
第一半导体区111和第二半导体区121形成的PN结113用于工作在雪崩击穿电压，以此在偏置电压作用下通过PN结113吸收入射的光子后可以产生光生电子-空穴，并通过雪崩效应放大光信号，其中，该偏置电压可以通过分别连接至PN结113两侧的电极来施加。光信号从硅基底的与PN结对立的一面入射，第二半导体区112的远离PN结113的一侧用于接收光信号，该种入射方式为背入式，信号读出芯片不会造成遮挡，可以充分接收光信号，以此能够提高雪崩光电二极管阵列探测器的填充因子，从而提高探测效率。
在本实用新型一实施例中，第一半导体区111通过电极与相应的淬灭电阻120电连接，使淬灭电阻120能够淬灭相应的雪崩光电二极管的雪崩击穿及取样相应的雪崩光电二极管根据光信号输出的电信号。具体地，第一半导体区111可以通过电极(第一电极)与相应的淬灭电阻120的一端电连接，淬灭电阻120的另一端可用过金属互连线引出至一个公共电极(第二电极)，用于配置器件的偏置电压值，从而实现淬灭电阻120能够淬灭相应的雪崩光电二极管的雪崩击穿及取样相应的雪崩光电二极管根据光信号输出的电信号。淬灭电阻120可以属于传感器的组成部分，例如，在一些实施例中，淬灭电阻设置于雪崩光电二极管阵列芯片上，在此情况下，可以便于简化淬灭电阻相关的制造工艺及连接工艺，提高连接品质；在再一些实施例中，淬灭电阻120可以是单独制作的一部分，之后通过可能的方式(例如电接触)电连接至第一半导体区111。通过上述淬灭电阻120不仅可以淬灭雪崩光电二极管的雪崩击穿，而且可以直接取样电信号，以此，可以方便雪崩光电二极管阵列探测器的大规模制作，例如，可以多达十万个雪崩光电二极管，从而降低制作成本。
每个雪崩光电二极管可以对应串联一个淬灭电阻120，以此，雪崩击穿的淬灭、电脉冲宽度、恢复时间等可以得到更精确的控制或调节。淬灭电阻120可以采用多种不同材质制成，例如，其制作材质可包括锗、硅、金属(如镍)、金属锗化物或金属硅化物等材料。通过选用不同阻值的淬灭电阻120可以调节雪崩光电二极管的光电流信号的电脉冲宽度和恢复时间。淬灭电阻120的具体阻值可以根据应用要求、雪崩光电二极管的具体结构或尺寸等确定，例如，淬灭电阻的阻值范围可以为50千欧姆至10兆欧姆，更优选为200千欧姆至1兆欧姆。
信号读出芯片200包括至少一个信号数字读出电路210。该信号数字读出电路210可以数字读出相应的淬灭电阻120取样的电信号，具体地，可以对取样的电信号进行预处理，例如，整形、扇出等，然后输出到其他处理单元或雪崩光电二极管阵列探测器外部。
其中，相互独立的雪崩光电二极管阵列芯片100和信号读出芯片200通过倒装方式集成在一起，使每个信号数字读出电路210与APD及其淬灭电阻电连接，从而使信号数字读出电路210数字读出相应的淬灭电阻120取样的电信号。具体地，雪崩光电二极管阵列芯片100和信号读出芯片200为完全独立制作的两个芯片，二者可以通过倒装焊或直接键合的方式集成在一起，例如，通过“金属电极-铟球-金属电极”的方式倒装焊连接，或者，通过“铜-铜”或“锗-铝”的方式直接键合连接。以此，有助于降低将两个芯片集成在一起的复杂度，还以提高成品率，从而降低制造成本。
在雪崩光电二极管与淬灭电阻120一一对应的情况下，信号数字读出电路210也可以与雪崩光电二极管一一对应，从而读取相应雪崩光电二极管的光电流信号，以此可使后续获取更准确的光信号的位置、到达时间等信息。
雪崩光电二极管阵列芯片100包括由多个雪崩光电二极管构成的雪崩光电二极管阵列，信号数字读出电路210包括由多个信号数字读出电路210，及其他所需条件时，本实施例的雪崩光电二极管阵列探测器可以用于检测极弱的光信号，从而可用作单光子雪崩光电二极管阵列探测器。
本实施例中，通过将相互独立的雪崩光电二极管阵列芯片和信号读出芯片通过倒装方式集成在一起，并利用信号读出芯片的信号数字读出电路从淬灭电阻数字读出雪崩光电二极管阵列芯片中的雪崩光电二极管的电信号，能够降低雪崩光电二极管阵列探测器的制作难度，便于制作大规模雪崩光电二极管阵列，降低制作成本。而且，基于倒装方式集成的雪崩光电二极管阵列芯片和信号读出芯片，并利用第二半导体区的远离PN结的一侧接收光信号，能够使光信号背入射至雪崩光电二极管，以此能够提高雪崩光电二极管阵列探测器的填充因子，从而提高探测效率。
在一些实施例中，硅基底可以是重掺杂衬底硅外延片或绝缘体衬底上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)。至少一个雪崩光电二极管形成于硅基底，例如，可以通过外延生长、化学气相沉积、离子注入等方式形成该硅基底。PN结还可用于耗尽或完全耗尽硅基底，具体所需条件可以根据模拟推算、流片验证等确定。
在一些实施例中，如图1所示，雪崩光电二极管、淬灭电阻120及信号数字读出电路210一一对应，例如倒装后的数字雪崩光电二极管阵列探测器的雪崩光电二极管、淬灭电阻120及信号数字读出电路210可通过电极间的耦合一一对应，作为示例，连接各雪崩光电二极管和淬灭电阻120的第一电极组成的电极阵列和各信号数字读出电路210的读出电极组成的读出电极阵列可以一一对应并通过倒装方式实现耦合(电气连接)。以此，能够得到每个雪崩光电二极管对应的光信号的信息，从而能够便于获取更精确的光信号的信息，例如，位置信息、时间信息等。独立读取的雪崩光电二极管对应的电信号或经进一步预处理的电信号可以经过缓存、打包和传输逻辑输出至雪崩光电二极管阵列探测器的外部。
图2是本实用新型另一实施例的雪崩光电二极管阵列探测器的结构示意图。如图2所示，另一些实施例的雪崩光电二极管阵列探测器中，信号读出芯片200，除了可以包括信号数字读出电路210，还可包括：至少一个时间数字转换器220和至少一个计数器阵列230，用于获取雪崩光电二极管所接收的光信号的到达时刻、强度及位置信息。
至少一个时间数字转换器220与至少一个信号数字读出电路210一一对应连接；至少一个计数器阵列230与至少一个信号数字读出电路210一一对应连接。具体地，时间数字转换器220可以用于测量脉冲式电信号的开始时刻、停止时刻、开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的时间间隔等。计数器阵列230可以用于对一定时间间隔内的脉冲式电信号进行计数，从而推算得到光信号的强度。根据信号数字读出电路210、时间数字转换器220或计数器阵列230的序号可以得到相应的阵列位置，从而可以得到相应光信号的位置信息。
在一些实施例中，信号读出芯片200可包括数据缓存、打包机传输逻辑，可以基于现场可编程门阵列或专用集成电路实现。从信号数字读出电路210、时间数字转换器220及计数器阵列230中的至少一者输出的信号，可以经过数据缓存、打包机传输逻辑等输出至雪崩光电二极管阵列探测器外部。对于不同雪崩光电二极管对应的信息在打包时可以进行标记，解析后仍可得到各雪崩光电二极管对应的信息。需要说明的是，上述信号数字读出电路210、时间数字转换器220或计数器阵列230以及可以进一步包括的数据缓存、打包及传输控制逻辑可以利用现有的技术实现。
在一些实施例中，各雪崩光电二极管可通过信号数字读出电路独立输出电信号至信号数字读出电路的外部；或者，所有雪崩光电二极管可通过信号数字读出电路合并输出1路电信号至信号数字读出电路的外部。
当各雪崩光电二极管对应的电信号进行独立输出，输出数据中需要区分电信号来自哪个或哪些雪崩光电二极管，不同位置的雪崩光电二极管对应的信号可不同，从而可以进行数字成像，因此，此时的雪崩光电二极管阵列探测器可以用作数字成像传感器，以此制造的数字成像传感器具有与各实施例的雪崩光电二极管阵列探测器相同或相近的有益效果。在将雪崩光电二极管阵列探测器用作数字成像传感器的情况下，各雪崩光电二极管连接的第一电极与各信号数字读出电路的对应的读出电极耦合，以单独输出信号。
当将所有雪崩光电二极管对应的电信号合并输出时，可以不用区分电信号来自哪个或哪些雪崩光电二极管，例如，可仅输出将所有雪崩光电二极管对应的电信号的总强度，从而可以起到光电倍增的作用，因此，此时的雪崩光电二极管阵列探测器可以用作数字光电倍增器，更具体地，例如可以用作数字硅光电倍增器。以此制造的数字光电倍增器具有与各实施例的雪崩光电二极管阵列探测器相同或相近的有益效果。在将雪崩光电二极管阵列探测器用作数字硅光电倍增器的情况下，传感器芯片中各雪崩光电二极管连接的各第一电极可引出到一公共电极，经公共电极与信号数字读出电路的读出电极耦合，以合并输出信号，或者，各雪崩光电二极管连接的各第一电极与各信号数字读出电路的对应的读出电极耦合后经再被合并输出。
图3是本实用新型又一实施例的雪崩光电二极管阵列探测器的结构示意图。如图3所示，又一些实施例的雪崩光电二极管阵列探测器中，雪崩光电二极管阵列芯片100还可包括至少一个第一金属电极(第一电极)141和第二金属电极(第二电极)143，信号读出芯片200还可包括至少一个第三金属电极(第三电极)241和第四金属电极(第四电极)242。
其中，第一金属电极141与雪崩光电二极管一一对应；第一半导体区111经由相应的第一金属电极141与相应的淬灭电阻120的第一电气节点电连接；所有淬灭电阻120的第二电气节点通过金属互联线142连接至第二金属电极143；
第三金属电极241与第一金属电极141一一对应；信号数字读出电路210的一端与相应的第三金属电极241电连接，所有信号数字读出电路210的另一端与第四金属电极242连接；第二金属电极143与第四金属电极242之间和第三金属电极241与第一金属电极141之间倒装焊连接或直接键合连接，具体地，例如，可以通过金属凸点144进行倒装焊。
在一些实施例中，如图3所示，雪崩光电二极管阵列探测器可包括雪崩光电二极管阵列芯片100和信号读出芯片200。雪崩光电二极管阵列芯片100可包括基底130、形成于基底130的至少一个雪崩光电二极管、设置于基底的第一侧的第一电极、及设置于基底的第二侧的至少一个第二电极(第一金属电极141)；雪崩光电二极管包括用于形成PN结113的属于第一导电类型的第一半导体区111和属于第二导电类型的第二半导体区112；第一半导体区111与相应的第二电极电连接；各雪崩光电二极管的靠近第一电极的一侧用于接收光信号，各雪崩光电二极管的靠近第二电极的一侧用于工作在雪崩电压之下根据光信号输出电信号。
信号读出芯片200，包括至少一个数字处理电路，用于对通过淬灭电阻120取样电信号得到的信号进行信号数字读出及预处理；其中，相互独立的雪崩光电二极管阵列芯片100和信号读出芯片200通过倒装方式集成在一起，使数字处理电路与相应的第二电极电连接。
在一些实施例中，针对现有数字型硅光电倍增器和单光子雪崩探测器阵列的填充因子较低，制作成本较高的问题，提出一种3D集成背入射式的数字型单光子雪崩光电二极管阵列探测器。该雪崩光电二极管阵列探测器可以为单光子雪崩光电二极管阵列探测器，由两片独立功能的芯片构成，包括一片硅APD阵列及其淬灭电阻组成的传感器芯片和一片由数字处理电路阵列组成的信号读出芯片。从传感器芯片的淬灭电阻上取样的电信号直接输出给信号读出芯片上对应的数字处理电路单元，传感器芯片上的每一个APD单元与信号读出芯片上对应的数字处理电路单元通过倒装焊或芯片直接键合的方式集成在一起，形成电气连接。
传感器芯片可于由1-100000个APD单元组成，每一个APD单元串联一个淬灭电阻，用于淬灭APD的雪崩击穿，并取出APD单元的光电信号。
APD阵列的所有APD单元可以集成在同一个硅基底上，每一个APD单元可工作在雪崩击穿电压之上，其PN结将硅基底完全耗尽，光信号从与PN结对立的一面入射。
淬灭电阻可采用锗、硅、金属(例如镍)、金属锗化物或金属硅化物等材料制作，其阻值大小可为50千欧姆至10兆欧姆。利用淬灭电阻的阻值大小可调节APD单元光电信号的电脉冲宽度和恢复时间。可在淬灭电阻上引出相应电极，并取出APD单元的光电信号与数字处理电路耦合。
硅基底可来自重掺杂衬底硅外延片或绝缘体上的硅(SOI)，其活性区的厚度为1-50微米，更优选为5-30微米，其导电类型首选为P型，也可以是N型。
信号读出芯片可设计有信号数字读出电路阵列、时间数字转换器阵列、计数器阵列，还可设计有数据缓存、打包和传输逻辑，用于电信号的数字处理和输出。信号读出芯片可以对获取的光信号到达时刻、强度和位置信息进行数字处理和输出。信号读出芯片中每一个APD单元的读出电路单元可独立处理，再将所有单元的数据一起编码打包输出。信号读出芯片可基于CMOS工艺的专用集成电路(ASIC)芯片或现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片。
数字型雪崩光电二极管(APD)阵列探测器中的所有雪崩光电二极管阵列可独立输出，用做数字成像传感器，或所有雪崩光电二极管阵列合并输出，用作数字硅光电倍增器。
本实施例中，由硅APD阵列及其淬灭电阻组成的传感器芯片和由数字处理电路阵列组成的信号读出芯片分开制作，传感器芯片上的每一个APD单元与信号读出芯片上对应的数字处理电路单元通过倒装焊或芯片直接键合方式集成在一起，形成电气连接；硅APD单元工作在击穿电压之上，按被动盖格模式工作，其pn结将硅基底完全耗尽，光信号从与pn结对立的一面入射；从传感器芯片淬灭电阻上取样的电信号直接输出给信号读出芯片上对应的数字处理电路单元；信号读出芯片对获取的光信号到达时刻、强度和位置信息进行数字处理和输出。通过上述方案能够实现高增益的具有数字读出的半导体光电探测器，尤其可以用于弱光信号检测和单光子成像的数字型硅光电倍增器、单光子雪崩光电二极管阵列探测器的结构制作。
为使本领域技术人员更好地了解本实用新型，下面将以一具体实施例说明本实用新型的实施方式。
图4是本实用新型一实施例中的雪崩光电二极管阵列芯片的剖面结构示意图。图5是本实用新型一实施例中的雪崩光电二极管阵列芯片的俯视结构示意图。图6是本实用新型一实施例的信号读出芯片的俯视结构示意图。图7是本实用新型一实施例的采用倒装焊方式集成的雪崩光电二极管阵列探测器的剖面结构示意图。图8是本实用新型一实施例的采用直接键合方式集成的雪崩光电二极管阵列探测器的剖面结构示意图。
参见图7和图8，雪崩光电二极管阵列探测器由两片独立功能的芯片构成，包括：数字型的雪崩光电二极管阵列芯片100和数字的信号读出芯片200，二者可通过倒装焊或芯片直接键合的方式集成在一起，实现电气连接。其中，数字型的雪崩光电二极管阵列芯片100，亦称为传感器芯片，可包括雪崩光电二极管阵列及其淬灭电阻120。
参见图4和图5，传感器芯片可由1个-100000个雪崩光电二极管(APD单元)，该APD单元可包括第一半导体区111和第二半导体区112，该第一半导体区111可以是P++层，该第二半导体区112可以是富N(N enrich)区；或者，该第一半导体区111可以是N++层，该第二半导体区112可以是富P(P enrich)区。第一半导体区111和第二半导体区112可以集成在同一个基底130(例如，硅基底)上。该硅基底可来自硅外延片或绝缘体上的硅(SOI)，其活性区的厚度范围可为1-50微米，其导电类型优选为P型，或者可以为N型。
每一个APD单元串联一个淬灭电阻120，用于淬灭APD单元的雪崩击穿。淬灭电阻120可采用锗、硅、金属、金属锗化物或金属硅化物等材料制作，其阻值大小可为50千欧姆至10兆欧姆。通过改变淬灭电阻120的阻值大小可调节APD单元的光电信号的电脉冲宽度和恢复时间。
每一个雪崩二极管单元在PN结一侧连接一个第一金属电极141，每个第一金属电极141连接对应的光电二极管和淬灭电阻120，光电二极管、淬灭电阻120与第一金属电极141构成的单元与其他重复单元完全独立。通过淬灭电阻120的信号采样在第一金属电极141上取出APD单元的光电信号，引出的第一金属电极141阵列与数字处理电路进行耦合。
可对传感器芯片的硅基底进行减薄，离子注入N++层8，也可以是P++层，之后可以进行退火等工艺。APD单元的PN结将硅基底完全耗尽，光信号从与PN结对立的一面入射。雪崩光电二极管阵列在外侧引出公共连接端7，该公共连接端7通过基底130和第二半导体区112连接所有APD单元的另外一侧电极，引出第一金属电极141，用于APD阵列的电压偏置公共端。所有淬灭电阻120的另外一个电气节点通过金属互联线142网络并联，如图5所示，也引出一个第二金属电极143，作为另一公共电极，公共连接端7和第二金属电极143一同用于配置雪崩光电二极管阵列探测器中APD单元的过偏压值。其中，淬灭电阻120、金属互联线142及第二金属电极143和基底130之间可以通过绝缘层1进行绝缘。
参见图6至图8，数字的信号读出芯片200可以基于互补金属氧化物半导体((Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺的专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)芯片或现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)芯片。该信号读出芯片200上设计有信号数字读出电路210阵列，可对淬灭电阻120上取样得到的信号脉冲进行整形、扇出等预处理，并将处理后的信号输入到其他处理单元。经过预处理的响应脉冲信号可输入到时间数字转换器220阵列和计数器230阵列中，记录光信号的到达时刻、强度和位置信息，之后可经过数据缓存、打包和传输逻辑14，将所有APD单元的响应信息传输至用户设计的后端读出控制单元。
参见图7至图8，雪崩光电二极管阵列芯片100和数字的信号读出芯片200的3D集成可包括：数字信号读取芯片与传感器芯片完成电气连接及3D集成，数字信号读取芯片的表面用于耦合雪崩光电二极管阵列芯片100的金属电极与传感器芯片用于耦合数字读出芯片的金属电极的分布结构和数量完全一致且一一对应，即APD单元上的信号取样的金属电极阵列(包括第一金属电极141和第二金属电极143)和数字读出芯片上的读出电极阵列(包括第三金属电极241和第四金属电极242)一一对应，传感器芯片上的电压偏置电极(第二金属电极143)和数字读出芯片上的第四金属电极242对应耦合。采用倒装焊(例如金属电极-铟球-金属电极连接)的方式将两片芯片集成在一起，即在芯片的金属电极上制作金属(铟)的凸点144，进行芯片间的键合和互联，实现两片芯片的电气连接和集成。两片芯片集成后，中间空间可通过增加填充物17来增加强度，例如，填充环氧树脂。或者，可采用芯片直接键合(铜-铜键合，或锗-铝键合等)的方式将两片芯片集成在一起，实现两片芯片的电气连接和集成。
综上所述，本实用新型实施例的雪崩光电二极管阵列探测器，通过将相互独立的雪崩光电二极管阵列芯片和信号读出芯片通过倒装方式集成在一起，并利用信号读出芯片的信号数字读出电路从淬灭电阻数字读出雪崩光电二极管阵列芯片中的雪崩光电二极管的电信号，能够降低雪崩光电二极管阵列探测器的制作难度，便于制作大规模雪崩光电二极管阵列，降低制作成本。而且，基于倒装方式集成的雪崩光电二极管阵列芯片和信号读出芯片，并利用第二半导体区的远离PN结的一侧接收光信号，能够使光信号背入射至雪崩光电二极管，以此能够提高雪崩光电二极管阵列探测器的填充因子，从而提高探测效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本实用新型的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种雪崩光电二极管阵列探测器，其特征在于，包括：
传感器芯片，其包括至少一个雪崩光电二极管和与所述至少一个雪崩光电二极管串联的至少一个淬灭电阻，所述至少一个雪崩光电二极管形成在硅基底上；
信号读出芯片，其包括至少一个信号数字读出电路；
其中，所述传感器芯片和所述信号读出芯片通过倒装方式集成在一起，以使得所述传感器芯片的雪崩光电二极管和对应的淬灭电阻与所述信号读出芯片的信号数字读出电路电气连接，以通过信号数字读出电路读出从淬灭电阻取样的电信号；
所述倒装方式包括倒装焊和/或直接键合方式。
2.如权利要求1所述的雪崩光电二极管阵列探测器，其特征在于：
雪崩光电二极管和对应的淬灭电阻通过第一电极相连接；
所述信号数字读出电路包括引出电极；
所述第一电极和所述引出电极电气连接。
3.如权利要求1所述的雪崩光电二极管阵列探测器，其特征在于：
所述至少一个雪崩光电二极管和所述至少一个淬灭电阻形成在硅基底上，所述硅基底为重掺杂衬底硅外延片或绝缘体上的硅SOI；
所述淬灭电阻的制作材质包括硅、锗、金属、金属锗化物或金属硅化物材料。
4.如权利要求3所述的雪崩光电二极管阵列探测器，其特征在于，每个雪崩光电二极管包括用于邻接形成PN结的属于第一导电类型的第一半导体区和属于第二导电类型的第二半导体区，所述第一半导体区与相应的淬灭电阻电连接，所述第二半导体区的远离所述PN结的一侧用于接收光信号；所述雪崩光电二极管阵列探测器工作时所述PN结耗尽所述硅基底。
5.如权利要求4所述的雪崩光电二极管阵列探测器，其特征在于，
所述雪崩光电二极管、所述淬灭电阻及所述信号数字读出电路一一对应；
传感器芯片还包括第一电极和第二电极，所述第一半导体区经由所述第一电极与相应的淬灭电阻的第一电气节点电连接；所有淬灭电阻的第二电气节点通过金属互联线连接至作为电压偏置电极的第二电极；
所述信号读出芯片还包括：与所述第一电极一一对应且相耦合的第三电极，以及与所述第二电极一一对应且相耦合的第四电极；其中，所述信号数字读出电路的一端与相应的第三电极电连接，所有信号数字读出电路的另一端与所述第四电极连接；所述第二电极与所述第四电极之间以及所述第三电极与所述第一电极之间通过倒装焊连接或直接键合连接。
6.如权利要求3所述的雪崩光电二极管阵列探测器，其特征在于，所述传感器芯片包括多个雪崩光电二极管子阵列组成的雪崩光电二极管阵列，每个雪崩光电二极管子阵列包括至少一个雪崩光电二极管，每个雪崩光电二极管串联一个淬灭电阻，所述多个雪崩光电二极管子阵列及其淬灭电阻形成在多个硅基底上，使得每个硅基底上具有至少一个雪崩光电二极管子阵列及其淬灭电阻。
7.如权利要求1所述的雪崩光电二极管阵列探测器，其特征在于，所述信号读出芯片还包括：至少一个时间数字转换器和至少一个计数器阵列，用于获取所述雪崩光电二极管所接收的光信号的到达时刻、强度及位置信息；
其中，所述至少一个时间数字转换器与所述至少一个信号数字读出电路一一对应连接；所述至少一个计数器阵列与所述至少一个信号数字读出电路一一对应连接。
8.如权利要求1所述的雪崩光电二极管阵列探测器，其特征在于，
所述传感器芯片为数字成像传感器芯片，雪崩光电二极管的电信号被设计为独立输出电信号；或者
所述传感器芯片为数字硅光电倍增器芯片，来自所有雪崩光电二极管的电信号被设计为合并输出。
9.如权利要求1所述的雪崩光电二极管阵列探测器，其特征在于，
所述传感器芯片包括1-100000个雪崩光电二极管，各雪崩光电二极管的淬灭电阻的阻值为50千欧姆至10兆欧姆；
所述硅基底的活性区的厚度为1-50微米。
10.如权利要求1所述的雪崩光电二极管阵列探测器，其特征在于，所述信号读出芯片是专用集成电路ASIC芯片或现场可编程逻辑门阵列FPGA芯片。
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