[发明专利]具有非常低的光学串扰以及改进的读出的硅光电倍增器

说明书

本发明涉及基于硅的光电倍增器器件以及用于制造基于硅的光电倍增器器件的方法。

本发明总体上涉及半导体光电器件的领域，特别是涉及包括在光谱的可见部分的具有高效率的光检测的光检测器。根据本发明的光检测器能够被用在采用对非常弱且快速的光信号进行检测的广泛的应用领域(如例如，工业和医疗断层扫描(tomography)、生命科学、核、粒子和宇宙粒子物理学等)中。

根据现有技术的基于硅的光电倍增器(SiPM)(参见例如EP 1 755 171 B1)包括单独的单元的阵列。具体地，SiPM包括硅基板以及位于所述基板的表面上的多个单元。每个单元包括内部的单独的猝熄电阻器(quenching resistor)，该猝熄电阻器由例如高阻多晶硅制成并且位于覆盖有所有单元的氧化硅层的顶部上。在操作中，每个单元被提供有超过击穿电压的反向偏置电压。当光子在单元中被吸收时，发生盖革(Geiger)放电，该放电正受猝熄电阻器限制。

这些器件中的一个主要问题可以被描述为“光学串扰”，其中，不同形式的光学串扰可以出现在器件中。一种形式的光学串扰起源于在相邻单元的盖革放电中产生的光子。由本公开解决的另一种形式的光学串扰起源于在第一单元处的处于倾斜角度的倍增器中产生的光子，这些光子正被全内反射在器件的后表面或侧表面，并且从背侧或侧壁撞击到另一个单元中并在这里开始盖革放电。由于全内反射效率是100％，因此背部反射的光子能够在正由这些单元中的一个吸收并且进行烧制之前从SiPM的壁幸存多个反射。另一种类型的串扰(“块串扰(bulk cross-talk)”)可以经由来自在硅基板的体积中的某处产生电荷载体的盖革雪崩的光子而诱发，所述光子可以朝向相邻的单元迁移并且激发所述相邻的单元。

这些器件中的一个进一步的问题是光到电流响应能够使得在被光子击中之后的电荷收集时间(所谓的快分量)可以非常短(仅数个纳秒)，但是，无论如何，由流过猝熄电阻器的放电电流而导致的所谓的慢分量可以是由于被用于驱动器件的电路的RC时间常数以及来自该器件的读出电信号而导致的数10纳秒直到数100纳秒的量级。另一方面，硅光电倍增器器件的像例如PET(正电子发射断层扫描)、HEP(高能物理)检测器等这样的许多潜在应用要求在1ns的量级之上或者甚至更短的时间常数的快速的光到电流响应。

因此，本发明的目的在于提供具有相对于一种或更多种光学串扰的抑制的改进的特性或读出的基于硅的光电倍增器以及用于制造这种光电倍增器的方法。

由从属权利要求的特征来解决该目的。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

本公开的一个总体思想是提供用于制造新颖类型的基于硅的光倍增器器件的任何适当的类型的材料的基板。术语“基于硅”可以仅是指器件的有源层，而不再是指原则上可以由任何材料或构造形成的基板。所述基板可以具有赋予器件机械稳定性的功能，而且其也可以具有作为高效地吸收在单元的盖革雪崩中产生的光子的吸收体的功能。在基板的顶部上，可以沉积一个或更多个特殊层，所述一个或更多个特殊层可以具有放大吸收效果的功能和/或用于从器件读出电信号的附加电极的功能。具体地，该层可以是由导电材料制成，使得其可以用作阱(well)或者单独用作要从器件读出电信号的电极。

因此，第一方面涉及一种基于硅的光电倍增器器件，该光电倍增器器件包括基板、第一导电类型的第一层、以及形成在所述第一层上的第二导电类型的第二层，其中，所述第一层和所述第二层形成p-n结，其中，所述第一层和所述第二层被布置在所述基板上。

根据所述光电倍增器器件的一个实施方式，所述基板是导电类型、半导体类型或绝缘类型中的一种或更多种。

根据所述光电倍增器器件的一个实施方式，所述第一层在所述基板上外延地生长。然后，可以像随后将在实施方式中例示的那样在第一层中或者在第一层上形成第二层。可以按照特殊的方式准备外延地生长有第一层的基板的上表面，使得第一层的外延生长是可能的。具体地，在没有正在由半导体材料制成的基板的情况下，可能有必要沉积像例如半导体层一样的层，使得第一层的随后的外延生长是可能的。

根据所述光电倍增器器件的一个实施方式，第一层和第二层作为整体被沉积，特别是粘合到基板上。具体地，首先可以在硅基板上组装第一层和第二层，此后可以从背部将硅基板减薄，然后可以通过粘合或粘附将第一层和第二层施加到另一基板上。