CN211980623U - 硅光电倍增器、光电探测装置及成像系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种硅光电倍增器、光电探测装置及成像系统，该硅光电倍增器包括：雪崩光电二极管阵列，其包括第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管，并且第二雪崩光电二极管设置在第一雪崩光电二极管的外围，以将第一雪崩光电二极管与第一电极间隔开；淬灭单元，其用于在雪崩光电二极管阵列发生雪崩击穿效应时对雪崩光电二极管阵列进行淬灭，其中，第一雪崩光电二极管的两端分别与第一电极和第二电极连接；第二雪崩光电二极管的两端分别与第一电极和第三电极连接，当第二雪崩光电二极管处于工作状态时，在其内形成的耗尽区在深度方向上至少覆盖外延层的一部分。通过利用本实用新型提供的技术方案，可以实现提高对波长较长的光子的探测效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电传感器技术领域，特别涉及一种硅光电倍增器、光电探测装置及成像系统。
背景技术
本部分的描述仅提供与本实用新型公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
低通量光子探测技术是一种可探测较低光通量密度(例如，10-19～10-6W/mm2)的光信号的光子探测技术，其可应用于许多领域，例如，医学成像(特别是，正电子发射断层成像(PET))、国土安全、高能物理实验和其它成像等关键领域。
在低通量光子探测技术领域中，硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier，简称SiPM)由于具有较高的探测效率、卓越的单光子响应和分辨能力、体积小、易于集成、工作电压低、不受磁场干扰、可靠性好、成本低廉等诸多优点而在近年来受到很大关注。现有的硅光电倍增器的结构如图1所示，其主要由单光子雪崩二极管(Single Avalanchephotodiode，简称SAPD)阵列、与SAPD阵列对应的淬灭电阻、金属互联线以及电极构成。其中，SAPD阵列中多个SAPD的一个电极并联至同一个外部电极以形成SiPM的一个电极，例如，阳极，SAPD阵列中多个SAPD的另一个电极与对应的淬灭电阻串联，多个淬灭电阻的另一端并联至另一个外部电极以形成SiPM的另一个电极，例如，阴极。在实际工作中，当对SiPM的阴、阳极施加的反向偏置电压大于SAPD的击穿电压时，SiPM输出与探测到的光子相关的电流信号。
在实现本实用新型过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
现有硅光电倍增器中SPAD内的PN结的结深较浅，耗尽区的宽度较窄，对光子的有效吸收深度较浅，因此对波长较长的光子(例如，红光及近红外光)的探测效率较低。
实用新型内容
本实用新型的实施例的目的在于提供一种硅光电倍增器、光电探测装置以及成像系统，以解决现有技术中存在的至少一种技术问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供了一种硅光电倍增器，该硅光电倍增器可以包括：
雪崩光电二极管阵列，其包括第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管，并且所述第二雪崩光电二极管设置在所述第一雪崩光电二极管的外围，以将所述第一雪崩光电二极管与所述硅光电倍增器的第一电极间隔开；
淬灭单元，其与所述雪崩光电二极管阵列对应设置，并且用于在所述雪崩光电二极管阵列发生雪崩击穿效应时对所述雪崩光电二极管阵列进行淬灭，
其中，每个所述第一雪崩光电二极管的一端均与所述硅光电倍增器的第一电极连接，其另一端通过对应的所述淬灭单元与所述硅光电倍增器中的作为输出端的第二电极连接；每个所述第二雪崩光电二极管的两端分别与所述硅光电倍增器的所述第一电极和第三电极连接，并且当所述第二雪崩光电二极管处于工作状态时，在其内形成的耗尽区在深度方向上至少覆盖用于形成所述雪崩光电二极管阵列的外延层的一部分；所述第二电极和所述第三电极的极性相同并与所述第一电极的极性相反。
可选地，所述硅光电倍增器还包括反射单元，其设置在与所述第一雪崩光电二极管对应的位置处。
可选地，所述反射单元由金属材料或多层介电材料制成。
可选地，所述第一雪崩光电二极管和/或所述第二雪崩光电二极管包括单光子雪崩二极管。
可选地，当所述第二雪崩光电二极管的反向偏置电压大于其击穿电压时，所述第二雪崩光电二极管通过对应的所述淬灭单元与所述第三电极间接连接；当所述第二雪崩光电二极管的反向偏置电压小于其击穿电压时，所述第二雪崩光电二极管与所述第三电极直接连接。
可选地，所述第二雪崩光电二极管呈将所述第一雪崩光电二极管围绕在内的开环形状或闭环形状、呈跨越在所述硅光电倍增器的两相对边界之间的形状、或者呈将所述第一电极隔离在所述硅光电倍增器的角落的形状。
可选地，所述淬灭单元包括电阻、晶体管或其组合。
可选地，所述晶体管包括结型场效应晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管。
可选地，在所述第一雪崩光电二极管和/或所述第二雪崩光电二极管内形成的耗尽区在深度方向上覆盖至所述外延层的底部。
可选地，所述第一电极位于所述硅光电倍增器的两侧边缘处。
本实用新型的实施例还提供了一种光电探测装置，该光电探测装置可以包括上述硅光电倍增器。
可选地，该光电探测装置还可以包括：
计数器，其与所述硅光电倍增器连接以对所述硅光电倍增器输出的电信号进行计数；以及
读取电路，其与所述计数器连接以读取所述计数器所记录的计数数据。
可选地，该光电探测装置还可以包括：
处理器，其与所述读取电路连接以根据所述读取电路输出的计数数据对所述电信号进行幅值采样或阈值甄别处理。
本实用新型的实施例还提供了一种成像系统，该成像系统可以包括上述光电探测装置以及用于对所述光电探测装置输出的探测结果进行图像重建处理的图像重建装置。
由以上本实用新型的实施例提供的技术方案可见，本实用新型的实施例通过在硅光电倍增器内将第二雪崩光电二极管设置在第一雪崩光电二极管的外围，以将第一雪崩光电二极管与第一电极间隔开，这可以减小器件内部噪声对第一雪崩光电二极管的影响，并且当第二雪崩光电二极管处于工作状态时使得在其内形成的耗尽区在深度方向上至少覆盖外延层的一部分，这可以增大第一雪崩光电二极管内的耗尽区的宽度，从而可以增大第一雪崩光电二极管对光子的有效吸收深度范围，进而可以提高对波长较长的光子的探测效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型的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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中的一种硅光电倍增器的结构示意图；
图2是本实用新型的一实施例提供的硅光电倍增器的电路示意图；
图3是本实用新型的另一实施例提供的硅光电倍增器的电路示意图；
图4是本实用新型的一实施例提供的硅光电倍增器的结构示意图；
图5是本实用新型的另一实施例提供的硅光电倍增器中部分器件的结构示意图；
图6是本实用新型的另一实施例提供的硅光电倍增器部分器件的结构示意图；
图7是本实用新型的又一实施例提供的硅光电倍增器部分器件的结构示意图；
图8是本实用新型的一实施例提供的光电探测装置的结构示意图；
图9是本实用新型的一实施例提供的成像系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型的实施例中的附图，对本实用新型的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是用于解释说明本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，并不希望限制本实用新型的范围或权利要求书。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置在”另一个元件上，它可以直接设置在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当元件被称为“连接/联接”至另一个元件，它可以是直接连接/联接至另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“连接/联接”可以包括电气和/或机械物理连接/联接。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或元件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或元件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。本文所使用的术语“上方”和“下方”只是相对概念，根据不同的观察方位或放置位置，上方也可以是指下方，反之亦然。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本实用新型。
在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，偏置电压包括正向偏置电压(即，对应器件的阳极与阴极的电压差为正值)或反向偏置电压(即，对应器件的阴极与阳极之间的电压差为正值)。
下面结合附图对本实用新型的实施例提供的硅光电倍增器、光电探测装置以及成像系统进行详细的描述。
参照图2至图4，本实用新型的实施例提供了硅光电倍增器1000，其可以包括：用于探测光子的雪崩光电二极管阵列(100,200)以及与雪崩光电二极管阵列(100,200)对应设置的并且用于在雪崩光电二极管阵列(100,200)发生雪崩击穿效应时对雪崩光电二极管阵列(100,200)进行淬灭的淬灭单元300。雪崩光电二极管阵列(100,200)可以包括至少一个第一雪崩光电二极管100以及至少一个第二雪崩光电二极管200，并且第二雪崩光电二极管200设置在第一雪崩光电二极管100的外围，以将第一雪崩光电二极管100与硅光电倍增器1000的第一电极400间隔开。其中，第一雪崩光电二极管100可以工作在盖革模式，即，其反向偏置电压大于其击穿电压，并且每个第一雪崩光电二极管100的一端可以与第一电极400连接，其另一端可以通过对应的淬灭单元300与硅光电倍增器1000中的作为输出端的第二电极500间接连接；每个第二雪崩光电二极管200的两端可以分别与硅光电倍增器1000的第一电极400和第三电极600连接，并且当第二雪崩光电二极管200处于工作状态时，在其内形成的耗尽区在深度方向上至少覆盖用于形成所述雪崩光电二极管阵列(100,200)的外延层的一部分。另外，第二电极500和第三电极600的极性相同并且与第一电极400的极性相反，例如，第二电极500和第三电极600可以均为阴极，第一电极400为阳极，或者反之。另外，第一电极400可以设置在该硅光电倍增器1000内部的最外侧部分，例如，设置在其两侧边缘处。
第一雪崩光电二极管100和/或第二雪崩光电二极管200可以为单光子雪崩二极管(SPAD)，从而可以提高增益并且实现单光子探测；也可以是其它类型的光电二极管，在此并不限制。另外，第一雪崩光电二极管100和第二雪崩光电二极管200内的P/N区的掺杂浓度可以相同或不同。
第一雪崩光电二极管100可以与淬灭单元300一一对应设置，并且当其数量为多个时，其一端可以通过对应的淬灭单元300间接并联至第一电极400，其另一端并联至第二电极500，从而通过第一电极400和第二电极500接收电压。第一雪崩光电二极管100两端的反向偏置电压能够使在其内形成的耗尽区在深度方向上至少覆盖外延层的一部分，优选地，耗尽区覆盖至外延层的底部，也就是说，在深度方向上外延层被完全耗尽，这使得光子的有效吸收深度为整个外延层的厚度，从而可以提高对波长较长的光子的探测效率。另外，第一雪崩光电二极管100与该硅光电倍增器1000的输出端(即，第二电极500)连接，从而其探测到的光子数可以视为该硅光电倍增器1000探测到的光子数。
第二雪崩光电二极管200可以与第三电极600直接或间接连接。具体地，当第二雪崩光电二极管200的反向偏置电压大于其击穿电压时，第二雪崩光电二极管200可以通过对应的淬灭单元300与第三电极600间接连接，如图2所示；当第二雪崩光电二极管200的反向偏置电压小于其击穿电压时，第二雪崩光电二极管200可以与第三电极600直接连接，如图3所示。第二雪崩光电二极管200通过第一电极400和第三电极600接收电压，其两端的反向偏置电压能够使在其内形成的耗尽区在深度方向上至少覆盖外延层的一部分，优选地，耗尽区覆盖至外延层的底部，也就是说，在深度方向上外延层被完全耗尽，这使得向第一雪崩光电二极管200提供偏置电压的导电通路可以从第一电极400经过第二雪崩光电二极管200对应的外延层底部再到第二电极500，或者从第二电极500经过第二雪崩光电二极管200对应的外延层底部再到第一电极400，这增大了光子的有效吸收深度范围，从而可以提高对波长较长的光子的探测效率，并且可以减少局部高电场导致的暗计数脉冲。
另外，第二雪崩光电二极管200可以呈将第一雪崩光电二极管100与第一电极400间隔开的任何形状，例如，其可以排列成将第一雪崩光电二极管100围绕在内的开环形状或闭环形状，如图4所示，多个第二雪崩光电二极管200间隔排列成开环形状，或者如图5所示(未示出电极及其连接方式)，第二雪崩光电二极管200呈闭环形状。另外，第二雪崩光电二极管200还可以呈跨越在硅光电倍增器1000的两相对边界之间的形状，以将第一雪崩光电二极管100与第一电极400隔离在其两侧，如图6所示，也还可以呈将第一电极400隔离在硅光电倍增器1000的角落的形状，如图7所示。
每个淬灭单元300可以具体用于控制与其连接的第一雪崩光电二极管100或第二雪崩光电二极管200中的电荷堆积以淬灭第一雪崩光电二极管100或第二雪崩光电二极管200发生的雪崩击穿效应，并且控制第一雪崩光电二极管100或第二雪崩光电二极管200中堆积后的电荷释放以恢复第一雪崩光电二极管100或第二雪崩光电二极管200对光子的探测能力。淬灭单元300均可以包括至少一个电阻、至少一个晶体管或其组合。针对每个淬灭单元300，当其包括多个电阻或晶体管时，这些电阻或晶体管之间依次串联。另外，该晶体管可以包括结型场效应晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管，例如，P沟道场效应晶体管或N沟道场效应晶体管。此时，该硅光电倍增器1000还可以包括第四电极(图中未示出)，其可以与这些晶体管的栅极连接。淬灭单元300也可以是能够对第一雪崩光电二极管100和第二雪崩光电二极管200发生的雪崩击穿效应进行淬灭的任何类型的半导体晶体管。另外，针对半导体晶体管包括体电极(Bulk)的情况，该体电极可以连接至其源极(s)。
在本实用新型的另一实施例中，如图8所示，该硅光电倍增器1000还可以包括反射单元700，其设置在与第一雪崩光电二极管100对应的位置处，例如，第一雪崩光电二极管100的上方，以对从硅光电倍增器1000的一侧入射的并且穿过第一雪崩光电二极管100的光子进行反射，从而可以提高光子探测效率。该反射单元700可以由金属材料(例如，金、银或铜)制成，也可以由具有高反射率的其它材料制成，例如，由氧化硅或氮化硅构成的多层结构的介电材料制成。另外，需要说明的是，虽然图8中示出了反射单元700与第一雪崩光电二极管100连接，但实际上二者也可以不连接。
通过上述描述可以看出，本实用新型的实施例提供的硅光电倍增器通过将第二雪崩光电二极管设置在第一雪崩光电二极管的外围，以将第一雪崩光电二极管与第一电极间隔开，这可以减小器件内部噪声对第一雪崩光电二极管的影响，并且当第二雪崩光电二极管处于工作状态时使得在其内形成的耗尽区在深度方向上至少覆盖外延层的一部分，这可以增大第一雪崩光电二极管内的耗尽区的宽度，从而可以增大第一雪崩光电二极管对光子的有效吸收深度范围，进而可以提高对红光及近红外光等波长较长的光子的探测效率。
如图9所示，本实用新型的实施例还提供了一种光电探测装置，其可以包括上述实施例中的硅光电倍增器1000，还可以包括用于对硅光电倍增器1000输出的电信号进行计数的计数器2000以及用于读取计数器2000所记录的计数数据的读取电路3000，也还可以包括用于根据读取电路3000输出的计数数据对电信号进行幅值采样或阈值甄别处理的处理器4000。
关于计数器、读取电路和处理器的结构及其工作原理可以参照现有技术中的相关描述，在此不再赘叙。
通过利用上述光电探测装置，可以实现对所探测到的光子数进行统计，从而可实现低通量光子强度的测量，并且还可以实现对电信号进行数字化采样。
本实用新型的另一实施例还提供了一种成像系统(图中未示出)，其可以包括图9中的光电探测装置以及用于对光电探测装置输出的探测结果进行图像重建处理的图像重建装置。
关于图像重建装置的结构及其工作原理可以参照现有技术中的相关描述，在此不再赘叙。
通过利用该成像系统可以对目标探测对象进行成像，从而有助于对其进行进一步的分析。
上述实施例阐明的系统、装置、模块、单元等，具体可以由芯片和/或实体(例如，分立元件)实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本实用新型的实施例时可以把各单元的功能集成在同一个或多个芯片中实现。
虽然本实用新型提供了如上述实施例或附图所述的部件，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述装置中可以包括更多或者更少的部件。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
上述实施例是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用本实用新型而描述的。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种硅光电倍增器，其特征在于，所述硅光电倍增器包括：
雪崩光电二极管阵列，其包括第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管，并且所述第二雪崩光电二极管设置在所述第一雪崩光电二极管的外围，以将所述第一雪崩光电二极管与所述硅光电倍增器的第一电极间隔开；
淬灭单元，其与所述雪崩光电二极管阵列对应设置，并且用于在所述雪崩光电二极管阵列发生雪崩击穿效应时对所述雪崩光电二极管阵列进行淬灭，
其中，每个所述第一雪崩光电二极管的一端均与所述硅光电倍增器的第一电极连接，其另一端通过对应的所述淬灭单元与所述硅光电倍增器中的作为输出端的第二电极连接；每个所述第二雪崩光电二极管的两端分别与所述硅光电倍增器的所述第一电极和第三电极连接，并且当所述第二雪崩光电二极管处于工作状态时，在其内形成的耗尽区在深度方向上至少覆盖用于形成所述雪崩光电二极管阵列的外延层的一部分；所述第二电极和所述第三电极的极性相同并与所述第一电极的极性相反。
2.根据权利要求1所述的硅光电倍增器，其特征在于，所述硅光电倍增器还包括反射单元，其设置在与所述第一雪崩光电二极管对应的位置处。
3.根据权利要求2所述的硅光电倍增器，其特征在于，所述反射单元由金属材料或多层介电材料制成。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的硅光电倍增器，其特征在于，所述第一雪崩光电二极管和/或所述第二雪崩光电二极管包括单光子雪崩二极管。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的硅光电倍增器，其特征在于，当所述第二雪崩光电二极管的反向偏置电压大于其击穿电压时，所述第二雪崩光电二极管通过对应的所述淬灭单元与所述第三电极间接连接；当所述第二雪崩光电二极管的反向偏置电压小于其击穿电压时，所述第二雪崩光电二极管与所述第三电极直接连接。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的硅光电倍增器，其特征在于，所述第二雪崩光电二极管呈将所述第一雪崩光电二极管围绕在内的开环形状或闭环形状、呈跨越在所述硅光电倍增器的两相对边界之间的形状、或者呈将所述第一电极隔离在所述硅光电倍增器的角落的形状。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的硅光电倍增器，其特征在于，所述淬灭单元包括电阻、晶体管或其组合。
8.根据权利要求7所述的硅光电倍增器，其特征在于，所述晶体管包括结型场效应晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管。
9.根据权利要求1所述的硅光电倍增器，其特征在于，在所述第一雪崩光电二极管和/或所述第二雪崩光电二极管内形成的耗尽区在深度方向上覆盖至所述外延层的底部。
10.根据权利要求1所述的硅光电倍增器，其特征在于，所述第一电极位于所述硅光电倍增器的两侧边缘处。
11.一种光电探测装置，其特征在于，所述光电探测装置包括权利要求1至10中任一项所述的硅光电倍增器。
12.根据权利要求11所述的光电探测装置，其特征在于，所述光电探测装置还包括：
计数器，其与所述硅光电倍增器连接以对所述硅光电倍增器输出的电信号进行计数；以及
读取电路，其与所述计数器连接以读取所述计数器所记录的计数数据。
13.根据权利要求12所述的光电探测装置，其特征在于，所述光电探测装置还包括：
处理器，其与所述读取电路连接以根据所述读取电路输出的计数数据对所述电信号进行幅值采样或阈值甄别处理。
14.一种成像系统，其特征在于，所述成像系统包括权利要求11至13中任一项所述的光电探测装置以及用于对所述光电探测装置输出的探测结果进行图像重建处理的图像重建装置。
Priority Applications (1)
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