一种单光子成像探测器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及光电成像探测技术领域，尤其涉及一种单光子成像探测器及其制造方法。所述制造方法，包括如下步骤：制备硅基底微通道板，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列；制备CMOS成像传感器阵列；在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试。本发明专利技术采用晶圆级封装处理技术，利用光电阴极、硅基底微通道板和CMOS成像传感器阵列直接耦合，形成高灵敏、高速、高分辨率、低成本、低功耗、高帧频、无需冷却、尺寸紧凑的单光子成像探测器。

A Single Photon Imaging Detector and Its Manufacturing Method

The invention relates to the field of photoelectric imaging detection technology, in particular to a single photon imaging detector and its manufacturing method. The manufacturing method comprises the following steps: preparing a silicon-based microchannel plate with a micro-through array on the silicon-based microchannel plate; preparing a CMOS imaging sensor array; preparing and testing a photocathode in a packaging device, and integrating the silicon-based microchannel plate, the CMOS imaging sensor array and the photocathode into a device wafer-level structure to form a single photon. The imaging detector is then tested. The invention adopts wafer-level packaging processing technology and directly couples photocathode, silicon-based microchannel plate and CMOS imaging sensor array to form a single photon imaging detector with high sensitivity, high speed, high resolution, low cost, low power consumption, high frame frequency, no need of cooling and compact size.

【技术实现步骤摘要】
一种单光子成像探测器及其制造方法
本专利技术涉及光电成像探测
，尤其涉及一种单光子成像探测器及其制造方法。
技术介绍
随着生物医学、空间探测以及环境辐射检测技术的发展，对微弱光的检测要求越来越高，而由于极微弱目标无法使用传统的相机和常规的探测技术得到图像，特别是当光微弱到单个光子发射时，一般的弱光成像器件更是不能满足需求，因而单光子成像探测技术已成为当前国际科技界一个研究热点。基于电荷耦合器件(CCD，Charge-coupledDevice)和互补金属氧化物半导体(CMOS，ComplementaryMetalOxideSemiconductor有源像素传感器(APS，ActivePixelSensor体系结构的传统成像器件一直在努力提高速度和灵敏度。然而，极低的光子计数采用这些技术通常检测不到或需要深度冷却和高度优化的超低噪声读取电路。近二十年，单光子成像探测器的研制取得了长足的发展。目前可以用来做单光子成像的探测器主要有增强电荷耦合器件(ICCD,IntensifiedCharge-coupledDevice)、电子轰击电荷耦合器件(EBCCD,Electron-BombardedCharge-coupledDevice)、电子倍增电荷耦合器件(EMCCD,Electron-MultiplyingCharge-coupledDevice)以及微通道板(MCP，Micro-channelPlate)与电荷耦合器件(CCD，Charge-coupledDevice)或互补金属氧化物半导体(CMOS，ComplementaryMetalOxideSemiconductor)直接耦合的复合光子探测器件等。不同的单光子成像探测器有着各自的优缺点。ICCD因荧光屏降低空间分辨率，体积大和成本高使其不能够适用于大众市场。EBCCD在ICCD基础上取消荧光屏和中继系统，即光阴极将输入光子转换成光电子，在静电电压的加速下，光电子直接轰击CCD。与ICCD相比，既减小了体积和重量，又提高了信噪比和成像分辨力，然而其寿命短的特点限制其推广。EMCCD是采用电子倍增技术的CCD，在读出寄存器和输出放大器之间加入倍增存储器，信号电荷在读出之前实现了倍增，极大的提高了信噪比。相比ICCD和EBCCD，EMCCD具有成像分辨力高、成本低、寿命长等优点。但EMCCD需要制冷，所以体积大、功耗高，而且增益后的信噪比不够高，不能达到单光子探测的水平。传统微通道板(MCP，Micro-channelPlate)以玻璃薄片为基底，形成数微米到十几微米周期的微孔。与电荷耦合器件(CCD，Charge-coupledDevice)或互补金属氧化物半导体(CMOS，ComplementaryMetalOxideSemiconductor)直接耦合后形成的成像探测器件，具有耦合性差的缺点。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种高灵敏、高速、高分辨率、低成本、低功耗、高帧频、无需冷却、尺寸紧凑的单光子成像探测器及其制造方法。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种单光子成像探测器的制造方法，包括如下步骤：制备硅基底微通道板，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列；制备CMOS成像传感器阵列；在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试。进一步地，所述制备硅基底微通道板，包括如下步骤：以硅晶圆为基底，采用硅微通孔刻蚀成形技术在所述基底上形成微孔阵列，再采用化学气相沉积法在所述微孔阵列上制备微通道内壁功能层，形成硅基底微通道板。进一步地，所述制备CMOS成像传感器，包括如下步骤：在衬底上形成梯度掺杂的PinnedPhotodiode结构；采用深注入P-Well工艺，在所述衬底上形成自顶向下贯穿的像素串扰保护注入层；将所述衬底翻转倒置在转台上，采用化学机械抛光方法去除多余的衬底厚度至PinnedPhotodiode结构的底部；采用高剂量低能硼注入并通过激光退火进行杂质激活，形成对化学机械抛光晶格缺陷的钝化层。进一步地，所述在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试，包括如下步骤：在所述封装设备的光电阴极制造腔装入光电阴极玻璃基底，在所述封装设备的检测腔装入所述硅基底微通道板和所述CMOS成像传感器阵列；清理所述光电阴极玻璃基底表面杂质，将所述封装设备抽真空；在所述光电阴极玻璃基底上蒸镀阴极，获得光电阴极；检测所述光电阴极光谱响应特性；对所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，并对整合后的器件进行测试。进一步地，所述清理所述光电阴极玻璃基底表面杂质，包括如下步骤：对所述光电阴极制造腔抽真空，使真空系统内大气压小于10-6Pa；升温烘焙，用加热灯的热辐射对所述光电阴极制造腔的腔体加温，使所述光电阴极玻璃基底的温度达到270～300°，这样所述光电阴极玻璃基底表面杂质和残留气体可以清理干净。进一步地，所述在所述光电阴极玻璃基底上蒸镀阴极，包括如下步骤：在阴极材料池，对阴极材料加热到能够使光电阴极材料蒸发，阴极气态分子到达所述光电阴极玻璃基底，并附着在所述光电阴极玻璃基底表面，当所述光电阴极玻璃基底的透过率下降到经验阈值时停止蒸镀。进一步地，所述检测所述光电阴极光谱响应特性，包括如下步骤：所述封装设备中的操作机械手将蒸镀好的光电阴极移至单色仪下方的检测处，单色仪扫描光谱，测试制作的光电阴极的光谱响应特性，如果达到预期的响应曲线，移至检测腔。进一步地，所述对所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，并对整合后的器件进行测试，包括如下步骤：操作机械手将光电阴极移至检测位置，与已安装好的所述硅基底微通道板和所述CMOS成像传感器阵列对准，组装成完整的器件结构；根据分辨力要求，可以选择相应倍率的显微镜作为中继透镜将紫外点光源缩小成像在整合后的器件上，检测所述器件读出的光斑强度和尺寸，最终达到检测所述器件的增益和分辨力的目的。一种单光子成像探测器，通过上述制造方法得到，包括硅基底微通道板、CMOS成像传感器阵列和光电阴极，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列，所述CMOS成像传感器阵列为若干个成像传感器阵列排布在硅基片上，所述光电阴极为半透明的；当光照射到半透明的所述光电阴极上，所述光电阴极与所述硅基底微通道板间的电场将所述光电阴极表面释放的电子推入所述硅基底微通道板，所述硅基底微通道板将以104-108数量级放大电子数量，通过调节所述硅基底微通道板两端的放大电压来控制放大倍数，离开所述硅基底微通道板的电子撞击所述CMOS图像传感器阵列来产生电子图像。本专利技术的技术方案产生的有益效果如下：采用晶圆级封装处理技术，利用光电阴极、硅基底微通道板和CMOS成像传感器直接耦合，形成高灵敏、高速、高分辨率、低成本、低功耗、高帧频、无需冷却、尺寸紧凑的单光子成像探测器。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种快速单光子成像探测器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单光子成像探测器的制造方法，包括如下步骤：制备硅基底微通道板，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列；制备CMOS成像传感器阵列；在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试；其中，所述制备CMOS成像传感器，包括如下步骤：在衬底上形成梯度掺杂的Pinned Photodiode结构；采用深注入P‑Well工艺，在所述衬底上形成自顶向下贯穿的像素串扰保护注入层；将所述衬底翻转倒置在转台上，采用化学机械抛光方法去除多余的衬底厚度至Pinned Photodiode结构的底部；采用高剂量低能硼注入并通过激光退火进行杂质激活，形成对化学机械抛光晶格缺陷的钝化层。

【技术特征摘要】
1.一种单光子成像探测器的制造方法，包括如下步骤：制备硅基底微通道板，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列；制备CMOS成像传感器阵列；在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试；其中，所述制备CMOS成像传感器，包括如下步骤：在衬底上形成梯度掺杂的PinnedPhotodiode结构；采用深注入P-Well工艺，在所述衬底上形成自顶向下贯穿的像素串扰保护注入层；将所述衬底翻转倒置在转台上，采用化学机械抛光方法去除多余的衬底厚度至PinnedPhotodiode结构的底部；采用高剂量低能硼注入并通过激光退火进行杂质激活，形成对化学机械抛光晶格缺陷的钝化层。2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述制备硅基底微通道板，包括如下步骤：以硅晶圆为基底，采用硅微通孔刻蚀成形技术在所述基底上形成微孔阵列，再采用化学气相沉积法在所述微孔阵列上制备微通道内壁功能层，形成硅基底微通道板。3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试，包括如下步骤：在所述封装设备的光电阴极制造腔装入光电阴极玻璃基底，在所述封装设备的检测腔装入所述硅基底微通道板和所述CMOS成像传感器阵列；清理所述光电阴极玻璃基底表面杂质，将所述封装设备抽真空；在所述光电阴极玻璃基底上蒸镀阴极，获得光电阴极；检测所述光电阴极光谱响应特性；对所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，并对整合后的器件进行测试。4.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述清理所述光电阴极玻璃基底表面杂质，包括如下步骤：对所述光电阴极制造...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成敏，严冬，刘健鹏，刘涛，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11