[发明专利]一种彩色数字硅光电倍增器像素单元

说明书

本发明公开了一种彩色数字硅光电倍增器像素单元，自上而下依次由对蓝光、绿光和红光敏感的三层探测器及位于探测器层下方的信号处理电路层构成。本发明的有益效果是，1、在单个像素单元内即可探测到红、绿、蓝三基色，利用一个像素就能感应全部色彩信息；2、由于探测单元位于表面而处理电路位于探测单元下方，处理电路并未占用光敏感区域的面积，所以像素单元具有较高的填充因子，因而具有较高的灵敏度，可以方便地应用于较低光通量探测领域；3、得益于单光子雪崩光电二极管的高内部增益，像素数据读出并不需要复杂的读出电路；4、由于在像素级别即实现了输出信号的数字化，从而也大大简化了后续信号处理电路的复杂程度。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种用于光子探测的彩色数字硅光电倍增器像素单元。

背景技术

将硅基技术应用于低光子通量传感器的研究最早始于20世纪70年代后期，研究人员在空间上设置的均匀分布的金属-电阻-半导体(Metal-Resistor-Semiconductor,MRS)微传感器阵列具有单独的淬灭和共同的输出，实现了对低通量光子的探测。这种传感器就是后来被人们所熟知的硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier，SiPM)。从那时起，SiPM的研发就占据了低光子通量探测器研究领域的半壁江山，许多研究者的协同工作为SiPM的发展做出了独特的贡献。现代的SiPM是由工作在盖革模式的PN结(也称微元)构成的阵列式结构，每个微元均串联独立的被动淬灭电阻。SiPM在室温下可以表现出清晰的单光子响应以及显著的光子数目分辨能力。同一时期，单光子雪崩二极管(Single Photon AvalancheDiode，SPAD)也出现在了单光子探测领域。SPAD也是工作在盖革模式的单光子探测器，它的光探测部分等效于SiPM的一个微元。SPAD的版图与SiPM的版图是不同的，这是因为SPAD还包括集成的主动淬灭电子电路部分。换句话说，SiPM等效于一个被动淬灭形式的SPAD阵列。SiPM和SPAD取代光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)作为低光子通量传感器已经应用于诸多领域,例如从基于闪烁晶体的高能物理到核医学设备、辐射探测器，从激光雷达系统到可穿戴设备等都有它们应用的踪迹。

SiPM和SPAD最新的研究方向是探究在标准CMOS工艺条件下能否实现光子探测。这意味着CMOS工艺可能允许将读出电路和光电探测器集成在单个芯片上，从而大幅降低功耗并简化探测器的操作条件。此外，采用CMOS工艺还会降低传感器的制造成本，从而允许有效稳定的商业化批量生产。在标准CMOS工艺条件下生产现代SiPM对开发先进的低通量光子和离子辐射集成探测器具有很重要的影响。而且将来还可将CMOS 3D互连技术应用于SiPM的研发，这会显著提高探测效率，正如Globalfoundries/Tezzaron 130nm工艺节点所展现的产品那样。采用3D互连技术，还可以进一步开发新的数字雪崩像素结构，这种结构可以实现每一个像素的单独读出。采用3D互连技术，并分别用于低通量光子探测以及离子辐射探测的雪崩像素影像器以及雪崩像素追踪器已经有了相关报道。将CMOS雪崩光电二极管的方案应用于数字硅光电倍增器的解决方法已经在800nm和350nm工艺节点有了展示。

受限于CMOS的工艺规则，由CMOS工艺技术开发的传感器性能受到一定限制。SiPM和SPAD在结边缘处会由于高电场聚集而出现局部的击穿现象。沿着每个微元的光敏区四周设置保护环结构可以在整个光敏区域内获得均匀的电场，从而缓解局部击穿问题。CMOS工艺提供了几种实现这样的保护环结构的方案，在800nm到90nm的CMOS工艺节点上，均有SPAD，或SPAD阵列，或SiPM探测结构利用版图设计技术实现了保护环方案，并被用于在雪崩击穿偏置条件下进行单光子信号的探测。但是，采用CMOS技术依然有两个主要的限制条件：即与基于客户定制工艺制造的商业SiPM相比，采用CMOS工艺制造的SiPM具有较高的暗计数率和较低的探测效率。一种可能的解决方案是，对标准CMOS工艺的阱浓度分布进行调整，并调整掩膜允许高掺杂区与低掺杂区可以相互交叠。