[发明专利]一种半导体光电倍增器件

说明书

本发明公开了一种新型半导体光电倍增器件，包括位于部分SOI衬底之上的外延光电二极管阵列，将每一个光电二极管部分隔离的深槽介质层，与每一个光电二极管串联的高阻电阻，以及用于高阻电阻和光电二极管之间相互互连的金属互连线。本发明的有益之处在于，深槽介质层与部分SOI衬底层将每一个光电二极管与其它光电二极管最大幅度的隔离开来，降低了次级光子对临近光电二极管的影响，从而可以显著降低器件的光学串扰，并大幅提升件的单光子分辨能力。

技术领域

本发明涉及光电子和微电子领域，特别是涉及一种用于光子探测的半导体光电倍增器件。

背景技术

半导体光电倍增器是一种利用半导体雪崩倍增机制对光子进行探测的半导体器件。它是由多个探测单元并联排列而成的阵列式探测结构，所有的探测单元共用一个电极用作信号的输出，其探测单元由工作在盖革模式下的雪崩光电二极管串联淬灭电阻组成。当光子入射到二极管中被吸收后,便会在雪崩光电二极管的光敏区内产生电子-空穴对。由于雪崩光电二极管的光敏区内存在较高的电场，漂移的电子会通过雪崩倍增的方式在这个高电场中产生大量电子-空穴对，最终导致击穿形成大电流。与雪崩光电二极管串联的淬灭电阻位于二极管附近，它会抑制雪崩光电二极管的雪崩倍增过程并使它逐渐减弱停止。这样，探测单元便对入射光子发生响应，并最终产生出模拟脉冲信号。各探测单元产生的模拟脉冲响应信号叠加后经半导体光电倍增器的信号端输出。相比于传统的真空电子管探测技术，半导体光电倍增器具有诸多优异特性如高内部增益、单光子响应能力和高速时间响应特性，低工作电压以及绝佳的磁场兼容性和良好的机械性能，使其广泛应用于核医学、分析检测、工业监测、国土安全等国民经济的诸多领域，是未来光电探测器的发展方向，具有巨大的应用前景。

得益于较高的内部增益等特性，半导体光电倍增器在弱光探测领域有着巨大的优势。然而，当前半导体光电倍增器的性能提升还受到一些因素的制约。限制半导体光电倍增器对弱光探测灵敏度的一个重要指标就是器件的光学串扰。所谓光学串扰，是指当半导体光电倍增器的某一探测单元探测到入射光子时，其内部发生雪崩倍增的过程中会产生次级光子并入射到临近的探测单元，从而引起相邻探测单元也发生雪崩倍增并产生脉冲信号，这样根据响应信号便无法区分开入射光子信息和由该入射光子引发的次级光子信息。根据次级光子到达临近的探测单元的路径，可以将光学串扰分为三类：a)直接光学串扰，次级光子由主探测单元直接入射到临近探测单元，从而引起相邻探测单元发生雪崩倍增并产生脉冲信号；b)延迟光学串扰，次级光子激发光电效应产生电子-空穴对，电子-空穴对在扩散作用下进入临近探测单元，从而引起相邻探测单元发生雪崩倍增并产生脉冲信号；c)非直接光学串扰，次级光子经界面反射进入临近探测单元，从而引起相邻探测单元发生雪崩倍增并产生脉冲信号。这三类光学串扰在普通半导体光电倍增器件内同时存在、同时发生，三者的叠加会导致器件具有较高的光学串扰概率。光学串扰属于半导体光电倍增器的本底噪声，当本底噪声幅值高于待测信号幅值时，噪声便会湮没信号，这时半导体光电倍增器就失去了对该信号的探测能力。对于单光子级别的信号探测，就必须要求半导体光电倍增器件具有极低的本底噪声。所以，降低光学串扰对提高半导体光电倍增器件探测能力的下限值，提高其单光子分辨能力有着很重要的影响。

发明内容

本发明旨在解决以上技术问题，而提供一种半导体光电倍增器件，用以降低半导体光电倍增器件的光学串扰，提高其单光子分辨能力。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种半导体光电倍增器件，其特征在于，包括：

部分SOI衬底层；

位于所述部分SOI衬底层之上的第一掺杂类型的半导体外延层；

位于所述第一掺杂类型的半导体外延层内的N(N≥2)个光电二极管；

以及对应所述N个光电二极管一一设置的N个高阻电阻；

所述每一个光电二极管下方对应的部分SOI衬底层上设置有一个硅窗口，所述N个光电二极管对应设置N个硅窗口；