[发明专利]硅光电倍增探测器结构、制作及使用

说明书

1.技术领域

本发明涉及一种高增益的半导体光探测器，尤其是具有单光子分辨探测灵敏度的硅光电倍增探测器的结构、制作及使用方法，属于H01L 27/00类半导体器件技术领域。

2.技术背景

弱光探测器技术在高能物理、天体物理及核医学成像等领域具有非常重要的应用。目前应用最广泛的弱光探测器主要是光电倍增管(PMT)。但PMT存在体积大、工作电压和功耗高、容易损坏、受光阴极限制探测效率较低、对磁场敏感以及不适合制作大规模阵列等缺点，限制了它在许多场合的应用。随着半导体光探测器的发展，一种被称为硅光电倍增探测器(Silicon photo-multiplier，SiPM)或者被称为多单元光子计数器(Multi-Pixel PhotonCounters，MPPC)等的高灵敏半导体光探测器在弱光探测领域越来越受到重视，其工作原理和发展历史参阅文献(D.Renker，Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA，Vol.567，pp.48-56，2006)。这种光探测器一般由几百至几千个尺寸为几至上百微米的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)单元单片集成在同一个硅片上构成，每一个APD单元都串联一个约几百千欧姆的电阻(即雪崩淬灭电阻)用以控制APD单元的雪崩淬灭和电压恢复。所有APD单元并联输出，共用1个负载，每一个APD单元工作在盖革模式(Geigermode)下，即偏置电压比其击穿电压高。当某一个APD单元接收到一个光子时，所产生的光生载流子将触发雪崩击穿，光电转换增益可达10⁵-10⁶。一个光子在50欧姆负载上可产生毫伏量级的电压脉冲，其后续放大电路变得非常简单。在动态范围的线性区内，总的输出信号正比于单位时间发生雪崩击穿的APD单元的数目。由于这种器件可以像光电倍增管一样进行单光子探测，因此被称作硅光电倍增探测器。SiPM的增益高(10⁵-10⁶)、工作电压低(＜100V)、功耗低、响应速度快(ns量级)、体积小、易集成、不受磁场干扰、可靠性好、成本低廉。每一个APD单元工作在计数模式下，没有像线性模式APD那样的增益起伏或过剩噪声，具有比PMT更好的单光子分辨本领(参阅D.Renker，Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research A，Vol.567，pp.48-56，2006)。在高能物理(参阅P.Buzhan，et al.，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，Vol.567，pp.78-82，2006)、天体物理(参阅N.Otte，Proceedings of the IX International Symposium on Detectorsfor Particle，Astroparticle and Synchrotron Radiation Experiments，SNIC Symposium，Stanford，California，1，2006)、核医学成像(参阅A.N.Otte，Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A，Vol.545，pp.705-715，2005)、DNA测序(参阅GeorgiyGudkov，et al.，Proc.SPIE，6372，63720C-1，2006)等微弱光信号的检测领域有替代传统光电倍增管的潜力，具有非常广泛的应用前景。

目前SiPM尚处在快速发展阶段，存在的主要问题包括：

(1)探测效率与动态范围之间存在矛盾关系。SiPM的雪崩淬灭电阻普遍采用位于器件表面的掺杂多晶硅电阻条，多晶硅一般采用化学气相沉积(CVD)方法制备。若要提高探测效率，需要采取APD单元数量较少，每一个单元面积较大的探测器结构，但这样容易导致2个或2个以上光子同时被同一个APD单元接收的概率，导致在较低的光子计数率下探测器输出饱和，动态范围受到限制。若要避免光子计数率饱和，就需要采取APD单元面积小、数目多的探测器结构。这样一来探测器表面的多晶硅电阻条、金属Al互联线、保护环占据的“死区”面积比例随APD单元面积缩小而增加，至使光敏面积与探测器总面积之比(几何填充因子)降低，必然牺牲探测效率。