DE112018005789T5

DE112018005789T5 - Esd-geschützter halbleiter-photomultiplikator

Info

Publication number: DE112018005789T5
Application number: DE112018005789.5T
Authority: DE
Inventors: Paul Malachy Daly; John Carlton Jackson; Brian Patrick McGarvey; Stephen John Bellis
Original assignee: Sensl Technologies Ltd
Current assignee: Sensl Technologies Ltd
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2020-08-20
Also published as: WO2019115022A1; CN111480096A; KR102587737B1; KR20200095559A; US10205033B1; CN111480096B

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Halbleiter-Photomultiplikator, der eine oder mehrere Mikrozellen auf einem Substrat mit mindestens einem Anschluss aufweist. Mindestens ein ESD-Schutzelement ist funktionsfähig mit dem mindestens einen Anschluss gekoppelt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Photonendetektoren. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf hochempfindliche Photonendetektoren wie Halbleiter-Photomultiplikatoren. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Halbleiter-Photomultiplikatoren (SiPMs oder SPMs) in Bereichen wie Positronen-Emissions-Tomographie [PET], einschließlich Flugzeit-PET [TOF-PET], Laser-Ranging-Anwendungen [LIDAR-Anwendungen], Bio-Lumineszenz und Hochenergie-Physik-Detektoren [HEP-Detektoren].
HINTERGRUND
SiPMs sind photonensensitive Halbleitervorrichtungen, die aus einem Array von sehr kleinen Geiger-Modus-Avalanche-Photodioden-Zellen (APD-Zellen) auf einem Halbleitersubstrat wie Silicium aufgebaut sind. Ein Beispiel eines Mikrozellenarrays von 10 ^χ 10 wird in 1 der beigefügten Zeichnungen gezeigt. Jede Zelle ist miteinander verbunden, um eine größere Vorrichtung mit einem Signalausgang zu bilden. Die gesamte Vorrichtungsgröße kann so 1 ^χ 1 mm klein oder viel größer sein.
APD-Zellen haben je nach verwendeter Maske eine Größe von 10 bis 100 Mikrometer und können eine Dichte von bis zu 3000 Mikrozellen pro mm2 haben. Avalanche-Dioden können auch aus anderen Halbleitern als Silicium hergestellt werden, je nach den gewünschten Eigenschaften. Silicium erfasst im sichtbaren und nahen Infrarotbereich, mit geringem Multiplikationsrauschen (Überrauschen). Germanium (Ge) erfasst Infrarot bis 1,7 µm Wellenlänge, hat aber ein hohes Multiplikationsrauschen. InGaAs (Indium-GalliumArsenid) erfasst bis zu einer maximalen Wellenlänge von 1,6 µm, und hat weniger Multiplikationsrauschen als Ge. InGaAs wird im Allgemeinen für den Multiplikationsbereich einer Heterostrukturdiode verwendet, ist mit der Hochgeschwindigkeits-Telekommunikation über Glasfasern kompatibel und kann Geschwindigkeiten von mehr als Gbit/s erreichen. Galliumnitrid arbeitet mit UV-Licht. HgCdTe (Quecksilber-Cadmium-Tellurid) arbeitet im Infrarotbereich, bis zu einer maximalen Wellenlänge von etwa 14 µm, erfordert eine Kühlung, um Dunkelströme zu reduzieren, und kann ein sehr niedriges Niveau von Überrauschen erreichen.
Silicium-Avalanche-Dioden können in der Regel mit Durchbruchspannungen von 20 bis 500 V arbeiten. APDs zeigen einen internen Stromverstärkungseffekt von ca. 100 bis 1000 aufgrund von Stoßionisierung, oder Avalanche-Effekt, wenn eine hohe Sperrvorspannung angelegt wird (ca. 20-200 V in Silicium, abhängig vom Dotierungsprofil im Übergang). Silicium-Photomultiplikatoren oder SiPMs können eine Verstärkung von 10⁵ bis 10⁶ erreichen, wenn Geiger-Modus-APDs verwendet werden, die mit einer Sperrspannung arbeiten, die größer als die Durchbruchspannung ist, und wenn die Dunkelzählungs-Ereignisrate auf einem ausreichend niedrigen Niveau gehalten wird. Der durch ein Avalanche-Ereignis erzeugte Strom muss durch ein geeignetes Strombegrenzungsschema gelöscht werden, damit sich die Vorrichtung nach einem Avalanche-Ereignis erholen und zurücksetzen kann.
Viele SPM-Anwendungen [Silicium-Photomultiplikator-Anwendungen] erfordern eine schnelle Licht-zu-Strom-Reaktion, mit einer Größenordnung von 1 ns oder noch kürzeren Zeitkonstanten. Eine verbesserte Zeitreaktion würde Anwendungen wie zeitaufgelöste Spektroskopie, LIDARs, TOF-PET [Flugzeit-Positronen-Emissions-Tomographie] usw. zugutekommen. Ein solcher SPM wird im US-Patent Nr. 9,029,772 beschrieben, das dem vorliegenden Anmelder zugeordnet ist und dessen Inhalt hierin durch Verweis aufgenommen wird. Das US-Patent Nr. 9,029,772 schließt eine schnelle Ausgangsanschluss-Anordnung ein, die in der vorliegenden Anmeldung als 3 veranschaulicht wird.
Die Robustheit einer integrierten Schaltung (IC) gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD) ist eine wichtige Überlegung, die durch ihre Fähigkeit bestimmt wird, einen hohen Stromimpuls, der während eines ESD-Ereignisses erzeugt wird, sicher zu entladen, ohne übermäßige Spannungspegel oder Erwärmung zu entwickeln, die Schäden an Bauelementen auf der IC verursachen können.
Es besteht daher ein Bedarf an einem Halbleiter-Photomultiplikator, der zumindest einige der Nachteile des Standes der Technik angeht.
KURZDARSTELLUNG
Dementsprechend wird ein Halbleiter-Photomultiplikator bereitgestellt, umfassend:

eine oder mehrere Mikrozellen auf einem Substrat mit mindestens einem Anschluss; und
mindestens ein ESD-Schutzelement, das funktionsfähig mit dem mindestens einen Anschluss gekoppelt ist.

In einem Gesichtspunkt ist das mindestens eine ESD-Schutzelement nicht photosensitiv.
In einem anderen Gesichtspunkt ist mindestens eine der Mikrozellen photosensitiv.
In einem weiteren Gesichtspunkt ist die Mehrheit der Mikrozellen photosensitiv.
In einem beispielhaften Gesichtspunkt sind mindestens einige der Mikrozellen Platzhalter-Mikrozellen.
In einem weiteren beispielhaften Gesichtspunkt ist die Mehrheit der Mikrozellen Platzhalter-Mikrozellen.
In einem anderen Gesichtspunkt ist eine Minderheit der Mikrozellen photosensitiv.
In einem Gesichtspunkt sind die Mikrozellen in zwei oder mehr diskreten Arrays angeordnet, wobei jedes Array einen unabhängigen Anschluss aufweist.
In einem weiteren Gesichtspunkt ist jeder Anschluss funktionsfähig mit einem entsprechenden ESD-Schutzelement gekoppelt.
In einem Gesichtspunkt ist das mindestens eine ESD-Schutzelement so positioniert, dass es kein Licht empfängt.
In einem weiteren Gesichtspunkt ist das mindestens eine ESD-Schutzelement mit einem opaken Material oder einer opaken Beschichtung bedeckt.
In einem anderen Gesichtspunkt ist das mindestens eine ESD-Schutzelement mit einem Metallmaterial bedeckt.
In einem Gesichtspunkt befindet sich das mindestens eine ESD-Schutzelement unterhalb eines Bondpads.
In einem weiteren Gesichtspunkt ist das ESD-Schutzelement eine Diode.
In einem beispielhaften Gesichtspunkt ist das ESD-Schutzelement mit einer kapazitiven Last gekoppelt.
In einem anderen beispielhaften Gesichtspunkt werden zwei oder mehr ESD-Schutzelemente bereitgestellt.
In einem Gesichtspunkt umfassen mindestens einige der Mikrozellen eine Photo-Detektordiode.
In einem anderen Gesichtspunkt ist die Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode im Wesentlichen gleich der Durchbruchspannung, die der ESD-Schutzdiode zugeordnet ist.
In einem anderen Gesichtspunkt ist die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode so konfiguriert, dass sie niedriger als die Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode ist.
In einem Gesichtspunkt ist die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode so konfiguriert, dass sie höher als die Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode ist.
In einem anderen Gesichtspunkt sind die aktiven Bereiche der ESD-Schutzdiode weniger als die aktiven Bereiche der Photo-Detektordiode.
In einem Gesichtspunkt ist die ESD-Schutzdiode eine Avalanche-Diode.
In einem weiteren Gesichtspunkt ist die ESD-Schutzdiode funktionsfähig in Reihe mit einem Widerstand gekoppelt.
In einem Gesichtspunkt ist die ESD-Schutzdiode in Durchlassrichtung vorgespannt.
In einem anderen Gesichtspunkt ist die ESD-Schutzdiode in Sperrrichtung vorgespannt.
In einem beispielhaften Gesichtspunkt liegt die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode im Bereich von 10 Volt bis 150 Volt.
In einem anderen beispielhaften Gesichtspunkt liegt die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode im Bereich von 20 Volt bis 70 Volt.
In einem weiteren Gesichtspunkt liegt die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode im Bereich von 24 Volt bis 40 Volt.
In einem Gesichtspunkt sind die mindestens eine ESD-Schutzdiode und die Photo-Detektordioden vom gleichen Typ.
In einem anderen Gesichtspunkt ist die mindestens eine ESD-Schutzdiode von einem ersten Typ, während die Photo-Detektordiode von einem zweiten Typ ist.
In einem weiteren Gesichtspunkt weist der erste Typ einen aktiven Bereich einer ersten Größe auf; und der zweite Typ weist einen aktiven Bereich einer zweiten Größe auf.
In einem beispielhaften Gesichtspunkt ist die erste Größe geringer als die zweite Größe.
In einem Gesichtspunkt besteht die erste Größe aus einem Bereich, der so groß ist, dass die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode über der maximalen Betriebsspannung jeder Mikrozelle liegt.
In einem anderen Gesichtspunkt besteht die erste Größe aus einem Bereich, der so bemessen ist, dass die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode unter der maximalen Betriebsspannung jeder Mikrozelle liegt.
In einem Gesichtspunkt unterscheidet sich das Dotierungsprofil des aktiven Bereichs der ESD-Schutzdiode von dem Dotierungsprofil des aktiven Bereichs der Photo-Detektordiode, so dass die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode höher ist als die Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode.
In einem weiteren Gesichtspunkt unterscheidet sich das Dotierungsprofil des aktiven Bereichs der ESD-Schutzdiode von dem Dotierungsprofil des aktiven Bereichs der Photo-Detektordiode, so dass die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode niedriger ist als die Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode.
In einem Gesichtspunkt weist die ESD-Schutzdiode einen Übergang auf, der eine erhöhte Krümmung im Vergleich zu dem Übergang der Photo-Detektordiode definiert.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf ein Halbleitersubstrat, umfassend:

eine oder mehrere Mikrozellen mit mindestens einem Anschluss; und
mindestens ein ESD-Schutzelement, das funktionsfähig mit dem mindestens einen Anschluss gekoppelt ist.

Des Weiteren bezieht sich die vorliegende Lehre auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Photomultiplikators; das Verfahren umfassend:

Bereitstellen einer oder mehrerer Mikrozellen auf einem Substrat mit mindestens einem Anschluss; und
Bereitstellen mindestens eines ESD-Schutzelements, das funktionsfähig mit dem mindestens einen Anschluss gekoppelt ist.

Diese und andere Merkmale werden anhand der folgenden Figuren, die zum besseren Verständnis der vorliegenden Lehre bereitgestellt werden, besser verstanden.
Figurenliste
Die vorliegende Lehre wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine beispielhafte Struktur eines Halbleiter-Photomultiplikators veranschaulicht.
2 ein schematisches Schaltbild eines beispielhaften Halbleiter-Photomultiplikators ist.
3 ein schematisches Schaltbild eines beispielhaften Halbleiter-Photomultiplikators ist.
Die 4A bis 4D schematische Schaltbilder eines beispielhaften ESD-geschützten Halbleiter-Photomultiplikators sind.
Die 5A bis 5H schematische Schaltbilder von Mikrozellen, die in einem ESD-geschützten Halbleiter-Photomultiplikator gemäß der vorliegenden Lehre verwendet werden können, sind.
6 eine beispielhafte Layoutkonfiguration eines Halbleiter-Photomultiplikators ist.
Die 7A und 7B typische Strom-Spannungs-Charakteristika für eine modellierte Mikrozelle darstellen.
8 ein beispielhaftes Schaltmodell für N-auf-P-Prozess-SiPM veranschaulicht.
Die 9A und 9B typische Strom-Spannungs-Charakteristika für das Schaltmodell von 8 darstellen.
10 ein beispielhaftes Schaltmodell für N-auf-P-Prozess-SiPM, einschließlich einer ESD-Schutzdiode, veranschaulichen.
Die 11A und 11B typische Strom-Spannungs-Charakteristika für das Schaltmodell von 10 darstellen.
12 eine negative Vorspannungskonfiguration für die SiPM-Modelle unter Verwendung einer negativen Vorspannung an der Anode und der Masse an der Kathode darstellt.
Die 13A, 13B und 13C typische Strom-Spannungs-Charakteristika für das Schaltmodell von 12 darstellen.
14 eine alternative Konfiguration für einen SiPM gemäß der vorliegenden Lehre ist.
Die 15A und 15B beispielhafte Strom-Spannungs-Charakteristika für das Schaltmodell von 14 darstellen.
16 die Spannung der ESD-Schutzdiode im Vergleich zur Spannung der Photo-Detektordiode darstellt.
17 ein beispielhaftes Layout für eine Photo-Detektordiode ist.
18 ein beispielhaftes Layout für eine ESD-Schutzdiode ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Offenbarung wird nun unter Bezugnahme auf einige beispielhafte Halbleiter-Photomultiplikatoren beschrieben. Es versteht sich, dass die beispielhaften Halbleiter-Photomultiplikatoren zur Unterstützung eines Verständnisses der Lehre bereitgestellt werden und nicht als in irgendeiner Weise beschränkend auszulegen sind. Des Weiteren können Schaltelemente oder Komponenten, die unter Bezugnahme auf eine beliebige Figur beschrieben werden, mit denen anderer Figuren oder anderer äquivalenter Schaltelemente ausgetauscht werden, ohne vom Geist der vorliegenden Lehre abzuweichen. Es versteht sich, dass zur Einfachheit und Klarheit der Darstellung, wo es als geeignet angesehen wird, Referenzzahlen in den Figuren wiederholt werden, um entsprechende oder analoge Elemente anzugeben.
Bezugnehmend auf 1 wirdein Halbleiter-Photomultiplikator 100, umfassend ein Array von Geiger-Modus-Photodioden, dargestellt. Das Array wird auf einem Halbleitersubstrat 150 unter Verwendung von Halbleiterprozessen gebildet, die Fachleuten bekannt sind und zum Beispiel, aber nicht nur, Abscheidung, Implementierung, Diffusion, Strukturierung, Dotierung und Ätzen einschließen können. Strukturierte Schichten aus leitendem Material, isolierendem Material und dotierten Halbleiterbereichen bilden die Struktur der Photodiode. Wie dargestellt wird neben jeder Photodiode ein Quench-Widerstand bereitgestellt, der zur Begrenzung des Avalanche-Stroms verwendet werden kann. Die Photodioden sind durch Aluminium oder eine ähnliche leitende Spurführung elektrisch mit gemeinsamen Vorspannungs- und Masseelektroden verbunden.
Ein äquivalentes Schaltungsschema wird in 2 für einen konventionellen Halbleiter-Photomultiplikator 200 dargestellt, bei dem die Anoden einer Anordnung von Photo-Detektordioden 155 mit einer gemeinsamen Masseelektrode und die Kathoden der Anordnung über Strombegrenzungswiderstände 160 mit einer gemeinsamen Vorspannungselektrode verbunden sind, um eine Vorspannung über die Dioden anzulegen.
Der Halbleiter-Photomultiplikator 100 besteht aus einem Array aus sich wiederholenden Strukturen namens Mikrozellen 125. Jede Mikrozelle 125 erzeugt jedes Mal, wenn die Mikrozelle 125 einen Geiger-Durchbruch durchläuft, eine sehr gleichförmige und quantisierte Ladungsmenge. Die Verstärkung einer Mikrozelle 125 (und somit des Detektors) ist als das Verhältnis der Ausgangsladung zu der Ladung auf einem Elektron definiert. Die Ausgangsladung kann aus der Überspannung und der Mikrozellenkapazität berechnet werden. $G \frac{C \cdot Δ V}{q}$
Wobei:

G die Verstärkung der Mikrozelle ist;
C die Kapazität der Mikrozelle ist;
ΔV die Überspannung ist; und
q die Ladung eines Elektrons ist.

3 veranschaulicht einen Halbleiter-Photomultiplikator 300, wie er in dem US-Patent Nr. 9,029,772 beschrieben wird, das dem vorliegenden Anmelder zugeordnet ist und dessen Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. Der Halbleiter-Photomultiplikator 300 schließt einen schnellen Ausgangsanschluss 310 ein, der kapazitiv mit jeder Photodiodenkathode gekoppelt ist, um ein schnelles Auslesen der Avalanche-Signale von den Photo-Detektordioden 155 bereitzustellen. Wenn die Photodiode einen Stromimpuls abgibt, wird ein Teil der resultierenden Spannungsänderung an der Kathode über eine wechselseitige Kapazität in den schnellen Ausgangsanschluss 310 eingekoppelt. Das Verwenden des schnellen Ausgangsanschlusses 310 zum Auslesen vermeidet die beeinträchtigte Übergangsleistung, die sich aus der relativ großen RC-Zeitkonstante ergibt, die der Vorspannungsschaltung zugeordnet ist. Jede Mikrozelle 325 des Halbleiter-Photomultiplikators 300 schließt eine Photo-Detektordiode 155 ein, einen Strombegrenzungswiderstand 160; und einen Kondensator 320, der mit dem schnellen Ausgangsanschluss 310 gekoppelt ist.
Der schnelle Ausgangsanschluss 310, der kapazitiv mit dem Quench-Widerstand 160 in jeder Mikrozelle 325 gekoppelt ist, ermöglicht eine schnelle kleine Signalausgabe, um eine Photonendetektion anzugeben. Jedoch leidet diese Anordnung an einer schlechten ESD-Leistung, da sie durch die Spannungsfestigkeit zwischen dem schnellen Ausgangsanschluss 310 und dem Quench-Widerstand 160 begrenzt ist. Ereignisse elektrostatischer Entladung, (ESD), können in jedem Stadium der Verarbeitung oder Handhabung von integrierten Schaltungen (ICs) auftreten.
Bezugnehmend auf 4A wird ein ESD-geschützter Halbleiter-Photomultiplikator 400A gemäß der vorliegenden Lehre veranschaulicht. Der ESD-geschützte Halbleiter-Photomultiplikator 400A ist ähnlich dem Halbleiter-Photomultiplikator 300 und gleiche Elemente sind durch ähnliche Referenzzahlen gekennzeichnet. Der Hauptunterschied ist, dass der ESD-geschützte Halbleiter-Photomultiplikator 400A ein ESD-Schutzelement einschließt, das funktionell mit dem schnellen Ausgangsanschluss 310 gekoppelt ist. In der beispielhaften Anordnung ist das ESD-Schutzelement eine ESD-Schutzdiode 410. Der Knoten 420, bei dem die ESD-Schutzdiode 410 mit dem schnellen Ausgangsanschluss 310 gekoppelt ist, schwimmt auf ein Potential nahe Null, wobei dem schnellen Ausgangsanschluss 310 ein kleiner Betrag an Kapazität hinzugefügt wird. Im Fall eines ESD-Ereignisses am schnellen Ausgangsanschluss 310 wird die ESD-Schutzdiode 410 jedoch entweder in Sperrrichtung vorgespannt und leitet die ESD-Ladung durch Stoßionisierung zum Substrat 150 ab oder in Durchlassrichtung vorgespannt und leitet die ESD-Ladung durch Durchlassvorspannungseinspritzung zum Substrat 150 ab. Da die Ladung, die das ESD-Ereignis ausmacht, über die ESD-Schutzdiode 410 abgeleitet wird, ist das schnelle Kondensatordielektrikum vor hohen Spannungen geschützt.
Bezugnehmend auf 4B wird ein weiterer ESD-geschützter Halbleiter-Photomultiplikator 400B, ebenfalls gemäß der vorliegenden Lehre, veranschaulicht. Der ESD-geschützte Halbleiter-Photomultiplikator 400B ist ähnlich dem Halbleiter-Photomultiplikator 200 und gleiche Elemente sind durch ähnliche Referenzzahlen gekennzeichnet. Der Hauptunterschied ist, dass der ESD-geschützte Halbleiter-Photomultiplikator 400B ein ESD-Schutzelement einschließt, das funktionell mit dem Ausleseanschluss 312 gekoppelt ist. Im Fall eines ESD-Ereignisses am Ausgangsanschluss 312 wird die ESD-Schutzdiode 410 jedoch entweder in Sperrrichtung vorgespannt und leitet die ESD-Ladung durch Stoßionisierung zum Substrat 150 ab oder in Durchlassrichtung vorgespannt und leitet die ESD-Ladung durch Durchlassvorspannungseinspritzung zum Substrat 150 ab.
Bezugnehmend auf 4C wird ein weiterer ESD-geschützter Halbleiter-Photomultiplikator 400C, ebenfalls gemäß der vorliegenden Lehre, veranschaulicht. Der ESD-geschützte Halbleiter-Photomultiplikator 400C ist im Wesentlichen ähnlich dem ESD-geschützten Halbleiter-Photomultiplikator 400B. Der Hauptunterschied ist, dass der ESD-geschützte Halbleiter-Photomultiplikator 400C zwei diskrete Arrays 425A, 425B von Mikrozellen 125 einschließt, bei denen jedes einzelne Feld 425A, 425B einen unabhängigen Ausgangsanschluss 312A, 312B aufweist. Jeder Ausgangsanschluss 312A, 312B ist funktionsfähig mit einer entsprechenden ESD-Schutzdiode 410 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist mindestens eine der ESD-Schutzdiode 410 so positioniert, dass sie kein Licht empfängt. Beispielsweise kann mindestens eine ESD-Schutzdiode 410 mit einem opaken Material oder einer opaken Beschichtung bedeckt sein. In einer beispielhaften Anordnung ist mindestens eine ESD-Schutzdiode mit einem Metallmaterial bedeckt.
Bezugnehmend auf 4D wird ein weiterer ESD-geschützter Halbleiter-Photomultiplikator 400D, ebenfalls gemäß der vorliegenden Lehre, veranschaulicht. Der ESD-geschützte Halbleiter-Photomultiplikator 400D ist im Wesentlichen ähnlich dem ESD-geschützten Halbleiter-Photomultiplikator 400B und gleiche Elemente sind durch ähnliche Referenzzahlen gekennzeichnet. Der Hauptunterschied ist, dass der ESD-geschützte Halbleiter-Photomultiplikator 400D Platzhalter-Mikrozellen 430A, 430B aufweist. Der ESD-geschützte Halbleiter-Photomultiplikator 400D schließt eine Vielzahl von miteinander verbundenen photosensitiven Mikrozellen 125 ein. Der Fachmann erkennt, dass der Einfachheit halber nur ein Abschnitt des ESD-geschützten Halbleiter-Photomultiplikators 400D in 4D veranschaulicht wird. Neben dem Array sind DCR-Unterdrückungselemente (inaktive Platzhalter-Mikrozellen 430A, 430B) bereitgestellt. Die DCR-Unterdrückungselemente unterdrücken die Dunkelzählrate der benachbarten photosensitiven Mikrozellen 125. In der beispielhaften Anordnung sind die unversorgten Platzhalter-Mikrozellen 430A, 430B die DCR-Unterdrückungselemente. Die aktiven Mikrozellen 125 sind elektrisch zwischen den Kathoden- und Anodenleistungsspuren gekoppelt. Im Gegensatz dazu sind die Platzhalter-Mikrozellen 430A, 430B nicht elektrisch an Kathoden- oder Anodenleistungsspuren gekoppelt. Somit sind die Platzhalter-Mikrozellen 430A, 430B von den aktiven Mikrozellen 125 elektrisch isoliert. Es versteht sich, dass der Halbleiter-Photomultiplikator 400D eine Vielzahl von miteinander verbundenen Mikrozellen 125 auf einem Substrat 150 mit mindestens einem Ausgangsanschluss 312 umfasst; und mindestens eine ESD-Schutzdiode 410, die funktionsfähig mit dem mindestens einen Ausgangsanschluss 312 gekoppelt ist. Die Mehrheit der miteinander verbundenen Mikrozellen 125 ist photosensitiv. Mindestens einige der Mikrozellen können jedoch Platzhalter-Mikrozellen sein. In einer alternativen Anordnung ist vorgesehen, dass die Mehrheit der Mikrozellen Platzhalter-Mikrozellen 430A, 430B sind, während die Minderheit der Mikrozellen 125 photosensitiv sind.
Bezugnehmend auf 5A bis 5H wird eine Vielzahl von verschiedenen Mikrozellenkonfigurationen 125A bis 125H veranschaulicht, die zum Bilden der Array-Mikrozellen in den ESD-geschützten Halbleiter-Photomultiplikatoren 400A-400D verwendet werden könnten. 5A veranschaulicht eine N-auf-P-SiPM-Mikrozelle 125A, die aus einer n-dotierten Avalanche-Photodiode auf einem p-Substrat mit einem Widerstand besteht, der passives Löschen durchführt. Jede Mikrozelle weist eine kapazitive Kopplung auf, die es ermöglicht, den Impuls des „schnellen Ausgangs“ abzuleiten, der eine schmale Impulsbreite in der Größenordnung von Nanosekunden hat. Dieses Verfahren ist zur Erfassung von längerwelligem Licht im IR-Bereich optimiert, was insbesondere bei Automobil-LiDAR-Anwendungen von Interesse ist.
5B veranschaulicht eine P-auf-N-SiPM-Mikrozelle 125B, die aus einer n-dotierten Avalanche-Photodiode auf einem p-Substrat mit einem Widerstand besteht, der passives Löschen durchführt. Jede Mikrozelle weist eine kapazitive Kopplung auf, die es ermöglicht, den Impuls des „schnellen Ausgangs“ abzuleiten, der eine schmale Impulsbreite in der Größenordnung von Nanosekunden hat. Dieses Verfahren ist für die kürzerwellige Blauerfassung optimiert, die z. B. häufig im biomedizinischen Scanbereich eingesetzt wird. Die 5C und 5D veranschaulichen die SiPM-Mikrozellen 125C, 125D mit einem resistiven Quench-Widerstand. Dies ist ein Standardtyp einer Mikrozelle, die aus der p-auf-n- oder n-auf-p-Vorrichtung besteht, die mit einem passiven Quench-Widerstand verbunden ist, jedoch ohne die schnelle Kondensatorkopplung. 5E veranschaulicht eine SiPM-Mikrozelle 125E, die nur aus einer Avalanche-Photodiode (APD) besteht. In diesem Fall würde das Löschen aktiv oder passiv abseits des Chips erfolgen. 5F veranschaulicht eine Mikrozelle 125F, die mit einem Hybrid-APD-CMOS-Prozess ausgebildet ist. Die APD kann auf einem Substrat mit CMOS-Transistoren gebildet werden, was viele Möglichkeiten für die Gestaltung der Mikrozelle eröffnet. 5G veranschaulicht eine Mikrozelle 125G, die einen CMOS-Transistorquench einschließt. Der resistive Quench-Widerstand wird durch eine CMOS-resistive Quench-Schaltung ersetzt. Die Vbias-Gate-Spannung an dem Transistor wird eingestellt, um einen bestimmten effektiven Quench-Widerstand zu ergeben. 5H veranschaulicht eine Mikrozelle 125H, die einen CMOS-Transistorquench mit zusätzlicher CMOS-Ausleseschaltungsanordnung einschließt. Die zusätzliche CMOS-Ausleseschaltungsanordnung kann auf dem Ausgang des APD-Transistorübergangs angeordnet sein, um Signalaufbereitung und Schnittstellenbildung mit externen Schaltungsanordnungen durchzuführen. In dieser Mikrozellenkonfiguration wird die APD aktiv gelöscht, indem das Signal zu dem Quench-Transistor zurückgeführt wird und eine Zeitverzögerung kleiner als die passive Quenchzeit ist. Die aktive Quench-Schaltung kann oder kann nicht von einer weiteren Chip-Schaltungsanordnung gefolgt werden, zum Beispiel einem Puffer.
Der Fachmann erkennt, dass SPMs Hauptbusleitungen 655 und Nebenbusleitungen 657 umfassen, wie in 6 veranschaulicht. Die Nebenbusleitungen 657 verbinden sich direkt mit den Ausgängen der Mikrozellen 125. Die Nebenbusleitungen 657 werden dann mit der Hauptbusleitung 655 gekoppelt, die mit den Bondpads 658 verbunden sind, die den Ausleseanschlüssen, wie dem schnellen Ausgangsanschluss 310, zugeordnet sind. In der Regel erstrecken sich die Nebenbusleitungen 657 vertikal zwischen den Spalten von Mikrozellen 125, während sich die Hauptbusleitungen 655 horizontal neben der äußeren Reihe der Mikrozellen 125 erstrecken. Die ESD-Schutzdiode 410 kann unterhalb der Metallpads 158 angeordnet sein, da sie nicht photosensitiv sein muss. Auf diese Weise beeinflusst der Einschluss der ESD-geschützten Elemente die Effizienz des Detektors nicht negativ. Da die ESD-Schutzelemente unterhalb einer Metallschiene oder eines Bondpads angeordnet sein können, wird die Grundfläche der aktiven Bereiche der Detektor-Mikrozellen zur Lichterfassung maximiert. Die ESD-Schutzelemente verschließen die Übertragung von Licht zu den aktiven Bereichen der Detektor-Mikrozellen nicht.
Wenn die ESD-Schutzdiode 410 in Durchlassrichtung bei etwa 0,5 V vorgespannt ist, beginnt die ESD-Schutzdiode 410 Strom zu leiten, wobei ein niederohmiger Pfad zum Entladen der Energie von dem ESD-Ereignis bereitgestellt wird. Die ESD-Schutzdiode 410 begrenzt die Spannung, die sich über den schnellen Ausgangsanschluss 310 aufbauen kann. 7A und 7B stellen typische Strom-Spannungs-Charakteristika für den ESD-geschützten Halbleiter-Photomultiplikator 400A von 4A dar. Die Kurven zeigen, dass der Strom schnell über den Durchlassvorspannungs-Schwellenwert von 0,5 V ansteigt. Wenn an die ESD-Schutzdiode 410 eine Sperrspannung angelegt wird, fließt eine kleine Strommenge im Pikoampere-Bereich, bis die Sperrdurchbruchspannung erreicht ist. Die Durchbruchspannung liegt in der Regel im Bereich von 24 V bis 40 V für SiPMs. Die ESD-Schutzdiode 410, die für den Entwurf modelliert ist, weist eine Sperrdurchbruchspannung von 30 V auf.
Bezugnehmend auf 8, die ein Modell eines n-auf-p-Prozess-SiPMs mit einer externen Vorspannungsversorgung VI, einer schnellen Ausgangsauslesung über einen 50-Ohm-Widerstand R2 und den parasitären Komponenten auf Gehäuseebene C1, C2, L1, L2, L3 und R1 veranschaulicht. Die Vorspannung V1 liegt in der Regel 5 bis 10 V über der Durchbruchspannung, d. h. 35 bis 40 V. C1 und C2 sind die parasitären Kondensatoren, die von den Drahtbondpads der Kathode gebildet werden, und schnelle Ausgaben zu dem p-Typ-Substrat des Siliciums, mit dem die Anode verbunden ist. Die typische Drahtbondkapazität liegt in der Größenordnung von 270 fF. L1, L2 und L3 stellen parasitäre Induktivität aufgrund der Drahtbondverbindung von den SiPM-Bondpads auf der oberen Oberfläche des Siliciums zu den Gehäusestiften der Baugruppe und der Induktivität der Gehäusestifte selbst dar. Die Drahtbondinduktivität wird als 500 pH in Reihe mit der Pad-Induktivität von 150 pF modelliert. R1 stellt den parallelen Via- und Spurwiderstand von dem p-leitenden Siliciumsubstrat des SiPMs zu dem Anodendraht-Bondpad dar und schließt auch eine Komponente des spezifischen Widerstands des Substrats ein. Der in dem Modell verwendete Wert ist 10 Ohm. D 1 enthält das konzentrierte Modell des SiPMs.
Beispielhafte Reaktionen auf die Impulse des Lichts sind in den 9A und 9B dargestellt. In 9A wird die Reaktion auf 10 % der Auslösungen der Mikrozellen dargestellt. Der Ausgangsimpuls ist negativ und hat eine Amplitude von ungefähr -25 mV und ein Maximum in voller Breite in der Größenordnung von Nanosekunden. 9B zeigt die Reaktion auf das Zünden aller Mikrozellen in dem SiPM. In diesem Fall steigt die Amplitude auf ungefähr -250 mV, während eine ähnliche Impulsbreite beibehalten wird. Intern in dem SiPM weist der schnelle Ausgang eine kapazitive Kopplung mit den APDs in den Mikrozellen auf. Da der externe Lastwiderstand R2 in Bezug auf Masse und den schnellen Ausgang kapazitiv gekoppelt ist, ist der Ausgang ein Wechselstromsignal mit einem durchschnittlichen Massewert. Nach dem anfänglichen scharfen Impuls gibt es ein positives Überschwingen, das langsam zurück auf Massepegel abklingt.
Bezugnehmend auf 10 wird ein äquivalentes Modell der ESD-geschützten Mikrozelle von 4A mit einer positiven Vorspannungskonfiguration veranschaulicht. Wenn der schnelle Ausgangsanschluss 310 schwimmen gelassen wird, besteht die Möglichkeit, dass sich Ladung auf dem Ausgang aufbaut und Potential für elektrostatische Beschädigung vorliegt. Eine ESD-Schutzdiode D2 kann verwendet werden, um den schnellen Ausgangsanschluss 310 zu entladen. Die Diode D2 kann aus dem gleichen Prozess wie die Photo-Detektordiode 155 in der Mikrozelle 325 hergestellt und in der Nähe des Drahtbondpads 158 auf dem schnellen Ausgangsanschluss 310 platziert werden. Für die in den 11A und 11B dargestellten Fälle ist der schnelle Ausgangsanschluss 310 immer kleiner als die Vorwärts-Einschaltspannung der Dioden, so dass die Ausgangscharakteristika durch den Einschluss von D2 nicht signifikant beeinflusst werden sollten. Die 11A und 11B zeigen die Impulsreaktions-Impulssimulationen für 10 % und 100 % der Mikrozellen, die jeweils mit der ESD-Schutzdiode D2 auf dem schnellen Ausgangsanschluss 310 zünden. Durch Vergleichen dieser Figuren mit den äquivalenten Simulationen, die in den 9A und 9B dargestellt sind, ist ersichtlich, dass die Einbeziehung der ESD-Schutzdiode D2 in diesen Fällen keine signifikante Wirkung hat.
Bezugnehmend auf 12 wird ein äquivalentes Modell einer ESD-geschützten Mikrozelle von 4A mit einer negativen Vorspannungskonfiguration veranschaulicht. Die negative Vorspannungskonfiguration ist aus Zuverlässigkeitsperspektive attraktiv, da die Spannung über den schnellen Ausgangskondensatoren unter Ruhebedingungen null Volt beträgt, da die Kathode auf Masse und die Anode auf -Vbias gehalten wird, im Gegensatz zu der Vorspannung in den vorherigen Konfigurationen, die in den 8 und 10 dargestellt sind. Jedoch gibt es in diesem Fall ein Problem mit der ESD-Schutzdiode D2. D2 hat eine ähnliche Durchbruchspannung wie die Mikrozellen des SiPMs und kann bewirken, dass die Diode D2 in den Geiger-Modus versetzt wird, da sie -Vbias an der Anode von sich selbst und dem SiPM aufweist und die Kathode von D2 über L3 und R2 mit Masse verbunden ist. Umgebungslicht oder ein Dunkelrauschereignis würden D2 zum Durchbruch veranlassen und die Diode würde nicht richtig gelöscht werden, da der Wert der Last R2 bei 50 Ohm sehr niedrig ist. In der Regel sind Quench-Widerstände um Größenordnungen höher. Der Nettoeffekt davon besteht darin, dass D2 konstant Strom ziehen würde, wobei ein Spannungsversatz an dem schnellen Ausgangsanschluss 310 platziert werden würde. Simulationen zum Darstellen dessen sind in den 13A und 13B zu finden. 100 % der Mikrozellen zünden in den Simulationen. Der durch D2 fließende Strom wird in 13A dargestellt. Die Simulation stellt dar, dass ein Gleichstrom-Ruhestrom von 155 mA durch D2 fließt. Als Folge des Gleichstrom-Ruhestroms, der durch D2 und R2 fließt, wird ein Spannungsversatz von ungefähr -7,74 V an dem schnellen Ausgang erzeugt, wie in 13B zu sehen ist. Wenn D1 zündet, versucht der Ausgang des SiPMs, die Kathode von D2 negativer zu ziehen, wodurch die Vorspannung über und der Strom durch D2 reduziert wird und ein positiver Impuls an dem schnellen Ausgangsanschluss 310 erzeugt wird.
Die Schutzdiode kann im Ruhezustand viel Leistung abgeben (Vbias-7,74 V * 0,155 A ~ 5 W) und sie kann sehr schnell durchbrennen. Eine Lösung für dieses Problem bestünde darin, die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode 410 über die Vorspannung zu erhöhen, die für den SiPM verwendet wird, d. h. oberhalb von 40 V für die dargestellten Simulationen. Nachteilig hieran ist jedoch, dass sich der Prozess für die ESD-Diodenherstellung von dem der Dioden in den Mikrozellen unterscheiden müsste. Ein Simulationsergebnis in 13C des schnellen Ausgangs in einer Konfiguration mit negativer Vorspannung unter Verwendung einer ESD-Schutzdiode mit einer Durchbruchspannung von 50 V und einer Zündung von 100 % der Mikrozellen zeigt, dass der schnelle Ausgang in diesem Fall durch die Addition von D2 nicht beeinflusst wird.
Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Widerstand R3 in Reihe mit D2 zu schalten (D2 hat die gleiche Durchbruchspannung wie die SiPM-Mikrozellen), wie in 14 dargestellt. Wenn der Wert des Widerstands R3 einige hundert Kiloohm beträgt, dann trägt dies dazu bei, Avalanche-Ereignisse zu löschen und den Gleichstrom-Vorspannungsstrom zu reduzieren. Die Simulation des Stroms durch D2 zeigt, dass der Ruhestrom von 0,155 A ohne den Widerstand für die Simulation erheblich auf 19,4 uA reduziert wird, wenn alle Mikrozellen zünden. Dieser Strom beträgt ungefähr (Vbias-Vbr)/500 kOhm = (40 V - 30 V) / 500 kOhm = 20 uA. Der schnelle Ausgang ist jetzt durch die Einbeziehung der ESD-Schutzdiode D2 praktisch unbeeinflusst. Jedoch gibt es eine kleine negative Gleichstrom-Versatz-Spannung über die 50-Ohm-Last von -1 mV (20 uA * 50 Ohm = 1 mV). Der Versatz könnte entfernt werden, indem ein externer Kondensator in Reihe mit der Last platziert wird.
Wie mit Bezug auf die negative Vorspannungskonfiguration von 12 detailliert beschrieben, wird die ESD-Schutzdiode über dieselbe Spannung wie die Mikrozellen, die den Detektor selbst bilden, angelegt, was zu Verzerrungen in der Leistung der schnellen Detektorausgabe führt, wenn die ESD-Mikrozellen die gleiche Durchbruchleistung wie die Detektor-Mikrozellen aufweisen. Zur Vermeidung dieses unerwünschten Verhaltens kann die ESD-Schutzdiode 410 modifiziert werden. Der aktive Bereich 710 kann verglichen mit dem aktiven Bereich 720 der Photo-Detektordiode 155 reduziert werden, was die Wirkung hat, die Spannung zu erhöhen, bei der intrinsischer planarer Durchbruch beginnt, wie in 16 dargestellt. Der aktive Bereich 710 ist ausreichend reduziert, um die ESD-Schutzdiode 410 1 über die maximale Betriebsspannung der Photo-Detektordiode 155 selbst anzuheben. Ferner wird die den Übergang 730 definierende Schicht modifiziert, um ihre Krümmung zu verbessern, um die Spannung zu erhöhen, bei der die ESD-Schutzdiode 410 beginnt, einen nicht verteilten (d. h. lokalisierten) Kantendurchbruch an der empfindlichen Silicium-Siliciumdioxid-Grenzfläche zu zeigen. Dies eröffnet ein Betriebsfenster für die ESD-Schutzdiode 410, in dem sie ein ESD-Ereignis durch sie ableiten kann, ohne den Detektor im Normalbetrieb zu beeinflussen.
16 zeigt eine Veranschaulichung eines beispielhaften Betriebsspannungsbereichs der Photo-Detektordiode 155 und der ESD-Schutzdiode 410. Diese Anordnung ermöglicht, dass selbst das negative Vorspannungsschema trotz des Hinzufügens der ESD-Schutzdiode unbeeinflusst bleibt. 17 veranschaulicht ein Layout einer Standard-Photo-Detektordiode 155, während 18 ein Layout einer beispielhaften ESD-Schutzdiode 410 veranschaulicht. Der aktive Bereich 710 der ESD-Schutzdiode weist eine Vielzahl von Kontakten/Vias 750 auf, die gleichmäßig verteilt sind, um sicherzustellen, dass ein ESD-Ereignis effizient an Masse abgeleitet wird.
Der Fachmann erkennt, dass der Silicium-Photomultiplikator auf dem Substrat unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterverarbeitung hergestellt werden kann und zum Beispiel, aber nicht nur, Abscheidung, Ionen-Implementierung, Streuung, Strukturierung, Dotierung, und Ätzen einschließen kann. Strukturierte Schichten aus leitendem Material, isolierendem Material und dotierten Halbleiterbereichen bilden die Struktur der Mikrozellen. Das Herstellungsverfahren kann die Schritte des Bereitstellens eines Arrays von miteinander verbundenen photosensitiven Mikrozellen umfassen; wobei das Array mindestens einen ersten Typ von Mikrozelle mit einem ersten Übergangsbereich einer ersten geometrischen Form aufweist; und einen zweiten Typ von Mikrozelle mit einem zweiten Übergangsbereich einer zweiten geometrischen Form. Mindestens ein ESD-Schutzelement kann so positioniert sein, dass es kein Licht empfängt. Beispielsweise kann mindestens ein ESD-Schutzelement mit einem opaken Material oder einer opaken Beschichtung bedeckt sein. In einem anderen Beispiel ist mindestens ein ESD-Schutzelement mit einem Metallmaterial bedeckt. In der beispielhaften Ausführungsform befindet sich das mindestens eine ESD-Schutzelement unterhalb eines Bondpads.
Es versteht sich, dass die Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode im Wesentlichen gleich der Durchbruchspannung sein kann, die der ESD-Diode zugeordnet ist. Alternativ ist die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode so konfiguriert, dass sie niedriger als die Durchbruchspannung der Photo-Detektordioden ist. In einer anderen Anordnung ist die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode so konfiguriert, dass sie höher als die Durchbruchspannung der Photo-Detektordioden ist.
Wie in 18 veranschaulicht sind die aktiven Bereiche der ESD-Schutzdiode kleiner als die aktiven Bereiche der Photo-Detektordioden 155. Mindestens eine ESD-Schutzdiode ist von einem ersten Typ, wie in 18 veranschaulicht, während die Photo-Detektordioden 155 von einem zweiten Typ sind, wie in 17 dargestellt. Der erste Typ weist einen aktiven Bereich einer ersten Größe auf; und der zweite Typ weist einen aktiven Bereich einer zweiten Größe auf. Die erste Größe kann kleiner als die zweite Größe sein. Die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode 410 kann in dem Bereich von 10 Volt bis 150 Volt liegen. Alternativ liegt die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode 410 im Bereich von 20 Volt bis 70 Volt. In einer anderen Anordnung liegt die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode im Bereich von 24 Volt bis 40 Volt. Das Dotierungsprofil des aktiven Bereichs der ESD-Schutzdiode 410 kann sich von dem Dotierungsprofil des aktiven Bereichs der Photo-Detektordiode 155 unterscheiden, so dass die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode 410 höher ist als die Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode. Alternativ unterscheidet sich das Dotierungsprofil des aktiven Bereichs der ESD-Schutzdiode 410 von dem Dotierungsprofil des aktiven Bereichs der Photo-Detektordiode 155, so dass die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode niedriger ist als die Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode.
Die ESD-Schutzdiode 410 befindet sich idealerweise so nahe wie möglich an dem Ausgangspad/dem Ausgangsanschluss. Zum Beispiel, kann sie sich an dem oder unter dem Pad befinden. Alternativ könnte sie zwischen dem Ausgangspad und den photosensitiven SiPM-Mikrozellen angeordnet sein. In einem Beispiel könnte sie sich näher an dem Ausgangspad als an den photosensitiven SiPM-Mikrozellen befinden. In einem anderen Beispiel, im Fall eines Bauelements vom Typ Through Silicon Via (TSV) (bei dem sich das Ausgangspad auf der Unterseite des Substrats befindet, das durch die TSVs und die Metallisierung der Unterseite mit der oberen aktiven Seite verbunden ist), auf der aktiven Oberseite in der Nähe eines oder mehrerer der TSVs und zwischen dem TSV und den photosensitiven SiPM-Mikrozellen. Je nach Mikrozellengröße und SiPM-Größe und -Typ kann sich das Ausgangspad in einem Abstand von etwa 10 bis 50 Mikrometer von den aktiven photosensitiven SiPM-Mikrozellen befinden. Der ESD-Schutz sollte näher an dem Ausgangspad liegen als dieser minimale Abstand, um zu versuchen sicherzustellen, dass die Ladung durch die ESD-Schutzdiode anstatt durch die aktive Mikrozelle abgeleitet wird.
Der Fachmann erkennt, dass verschiedene Modifikationen an den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Auf diese Weise versteht es sich, dass die Lehre nur soweit eingeschränkt werden soll, wie es im Licht der beiliegenden Ansprüche als notwendig erachtet wird. Der Begriff Halbleiter-Photomultiplikator soll jede Festkörper-Photomultiplikator-Vorrichtung, wie z. B. Silicium-Photomultiplikator [SiPM]; MicroPixel-Photonen-Zähler [MPPC]; MicroPixel-Avalanche-Photodioden [MAPD], jedoch nicht nur beschränkt darauf, abdecken. Der Begriff Anschluss soll eine elektrische Verbindung zur externen Verbindung der Vorrichtung abdecken. Zum Beispiel werden der Anodenanschluss, der Kathodenanschluss, der schnelle Ausgangsanschluss zur externen Verbindung der SiPM-Vorrichtung verwendet.
In ähnlicher Weise werden die Wörter umfasst/umfassend bei der Verwendung in der Patentschrift zum Spezifizieren des Vorhandenseins von genannten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten oder Komponenten verwendet, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einem oder mehreren weiteren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Komponenten oder Gruppen davon aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9029772 [0005, 0053]

Claims

Halbleiter-Photomultiplikator (100), umfassend: eine oder mehrere Mikrozellen (125) auf einem Substrat (150) mit mindestens einem Anschluss (310); und mindestens ein ESD-Schutzelement (410), das funktionsfähig mit dem mindestens einen Anschluss (310) gekoppelt ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine ESD-Schutzelement (410) nicht photosensitiv ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 2, wobei mindestens eine der Mikrozellen (125) lichtempfindlich ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 2, wobei eine Mehrheit der Mikrozellen (125) lichtempfindlich ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 2, wobei mindestens einige der Mikrozellen (100) Platzhalter-Mikrozellen (403A/403B) sind.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 2, wobei eine Mehrheit der Mikrozellen (100) Platzhalter-Mikrozellen (403A/403B) sind.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 2, wobei eine Minderheit der Mikrozellen (125) lichtempfindlich ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 2, wobei die Mikrozellen (125) in zwei von mehreren diskreten Arrays (425A/425B) angeordnet sind, wobei jedes Array einen unabhängigen Anschluss (312A/312B) aufweist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 8, wobei jeder Anschluss (312A/312B) funktionsfähig mit einem entsprechenden ESD-Schutzelement (410) gekoppelt ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 1, wobei jedes der mindestens einen ESD-Schutzelemente (410) so positioniert ist, dass es kein Licht empfängt.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine ESD-Schutzelement (410) mit einem opaken Material oder einer opaken Beschichtung bedeckt ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine ESD-Schutzelement (410) mit einem Metallmaterial bedeckt ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 1, wobei sich das mindestens eine ESD-Schutzelement (410) unter einem Bondpad (658) befindet.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine ESD-Schutzelement (410) eine ESD-Schutzdiode ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine ESD-Schutzelement (410) an eine kapazitive Last gekoppelt ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 1, wobei zwei oder mehr ESD-Schutzelemente (410) bereitgestellt werden.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 14, wobei mindestens einige der Mikrozellen (125) eine Photo-Detektordiode (155) umfassen.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 17, wobei eine Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode (155) im Wesentlichen gleich einer Durchbruchspannung ist, die der ESD-Schutzdiode zugeordnet ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 17, wobei eine Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode so konfiguriert ist, dass sie niedriger ist als eine Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode (155).
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 17, wobei eine Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode so konfiguriert ist, dass sie höher ist als eine Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode (155).
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 17, wobei ein aktiver Bereich der ESD-Schutzdiode kleiner ist als ein aktiver Bereich der Photo-Detektordiode (155).
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 17, wobei die ESD-Schutzdiode eine Avalanche-Diode ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 22, wobei die ESD-Schutzdiode funktionsfähig in Reihe mit einem Widerstand gekoppelt ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 17, wobei die ESD-Schutzdiode in Durchlassrichtung vorgespannt ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 17, wobei die ESD-Schutzdiode in Sperrrichtung vorgespannt ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 17, wobei eine Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode in einem Bereich von 10 Volt bis 150 Volt liegt.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 17, wobei eine Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode in einem Bereich von 20 Volt bis 70 Volt liegt.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 17, wobei eine Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode in einem Bereich von 24 Volt bis 40 Volt liegt.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 17, wobei die ESD-Schutzdiode und die Photo-Detektordiode (155) vom gleichen Typ sind.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 17, wobei die ESD-Schutzdiode von einem ersten Typ und die Photo-Detektordiode (155) von einem zweiten Typ ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 30, wobei der erste Typ einen aktiven Bereich einer ersten Größe aufweist und der zweite Typ einen aktiven Bereich einer zweiten Größe aufweist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 31, wobei die erste Größe kleiner als die zweite Größe ist.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 32, wobei die erste Größe einen Bereich aufweist, der so bemessen ist, dass die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode über der maximalen Betriebsspannung jeder Mikrozelle (125) liegt.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 32, wobei die erste Größe einen Bereich aufweist, der so bemessen ist, dass die Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode unter der maximalen Betriebsspannung jeder Mikrozelle (125) liegt.
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 30, wobei ein Dotierungsprofil eines aktiven Bereichs der ESD Schutz Diode anders als ein Dotierungsprofil eines aktiven Bereichs der Photo-Detektordiode (155) ist, so dass eine Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode höher ist als eine Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode (155).
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 30, wobei ein Dotierungsprofil eines aktiven Bereichs der ESD Schutz Diode anders als ein Dotierungsprofil eines aktiven Bereichs der Photo-Detektordiode (155) ist, so dass eine Durchbruchspannung der ESD-Schutzdiode niedriger ist als eine Durchbruchspannung der Photo-Detektordiode (155).
Halbleiter-Photomultiplikator (100) nach Anspruch 33, wobei die ESD-Schutzdiode einen Übergang aufweist, der eine erhöhte Krümmung im Vergleich zu dem Übergang der Photo-Detektordiode (155) definiert.
Halbleitersubstrat (150), umfassend: eine oder mehrere Mikrozellen (125) mit mindestens einem Anschluss (310); und mindestens ein ESD-Schutzelement (410), das funktionsfähig mit dem mindestens einen Anschluss (310) gekoppelt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Photomultiplikators (100), das Verfahren umfassend: Bereitstellen einer oder mehrerer Mikrozellen (125) auf einem Substrat (150) mit mindestens einem Anschluss (310); und Bereitstellen mindestens eines ESD-Schutzelements (410), das funktionsfähig mit dem mindestens einen Anschluss (310) gekoppelt ist.