静电放电保护的半导体光电倍增器制造技术

本公开涉及一种半导体光电倍增器，该半导体光电倍增器包括位于衬底上并具有至少一个端子的一个或多个微单元。至少一个ESD保护元件可操作地耦接到至少一个端子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】静电放电保护的半导体光电倍增器
本公开涉及光子检测器。特别地，本公开涉及诸如半导体光电倍增器的高灵敏度光子检测器。特别但非排他地，本公开涉及诸如正电子发射断层扫描[PET](包括飞行时间PET[TOF-PET]、激光测距[LIDAR]应用、生物发光和高能物理[HEP]探测器)等领域中的半导体光电倍增器(SiPM或SPM)。
技术介绍
SiPM是半导体光子敏感器件，其由诸如硅的半导体衬底上的非常小的盖革模式雪崩光电二极管(APD)单元的阵列组成。在附图的图1中示出了示例10×10微单元阵列。每个单元相互连接以形成具有一个信号输出的一个更大的器件。整个器件的尺寸可以小至1×1mm或更大。APD单元的尺寸取决于所使用的掩模而从10微米变化到100微米，并且密度可以高达3000个微单元/平方毫米。雪崩二极管也可以取决于期望的特性由除硅以外的其他半导体制成。硅在可见光和近红外范围内进行检测，且倍增噪声(过量噪声)低。锗(Ge)检测到波长1.7μm的红外线，但是具有高的倍增噪声。InGaAs(砷化铟镓)检测最大波长1.6μm，并且倍增噪声比Ge少。InGaAs通常用于异质结构二极管的倍增区域，与使用光纤的高速电信兼容，并且可以达到大于Gbit/s的速度。氮化镓在紫外线下操作。HgCdTe(碲化汞镉)在红外线、约14μm的最大波长下操作，需要冷却以减少暗电流，并且可以实现非常低水平的过量噪声。硅雪崩二极管通常可以在20至500V的击穿电压下起作用。当施加高的反向偏置电压(硅中大约20-200V，取决于结中的掺杂分布)时，由于碰撞电离或雪崩效应，APD表现出约100-1000的内部电流增益效应。通过使用在大于击穿电压的反向电压下操作的盖革模式APD，并且通过将暗计数事件率保持在足够低的水平，硅光电倍增器或SiPM可以实现105至106的增益。雪崩事件生成的电流必须通过适当的限流方案来淬灭，以使器件在雪崩事件后可以恢复并复位。许多SPM[硅光电倍增器]应用要求快速的光电流响应，其量级为1ns或甚至更短的时间常数。改进的时间响应将有益于诸如时间分辨光谱、LIDAR、TOF[飞行时间]、PET[正电子发射断层扫描]等应用。在美国专利号9,029,772中描述了一种此类SPM，该专利转让给本申请人并且其内容通过引用并入本文。美国专利号9,029,772包括快速输出端子布置，其如本申请图3所示。IC对静电放电(ESD)的稳健性是重要的考虑因素，这由其对ESD事件期间生成的高电流脉冲进行安全放电，而不会产生可以损坏IC上的器件的过量电压电平或发热的能力决定。因此，需要提供一种解决现有技术的至少一些缺点的半导体光电倍增器。
技术实现思路
因此，提供了一种半导体光电倍增器，该半导体光电倍增器包括：一个或多个微单元，该一个或多个微单元位于衬底上并具有至少一个端子；和至少一个ESD保护元件，该至少一个ESD保护元件可操作地耦接到至少一个端子。在一方面，至少一个ESD保护元件不是光敏的。在另一方面，微单元中的至少一个是光敏的。在进一步的方面，微单元中的大部分是光敏的。在一个示例性方面，微单元中的至少一些是伪微单元。在进一步的示例性方面，微单元中的大部分是伪微单元。在另一方面，微单元中的小部分是光敏的。在一方面，微单元被布置为两个或更多个离散阵列，每个阵列具有独立的端子。在进一步的方面，每个端子可操作地耦接到对应的ESD保护元件。在一方面，至少一个ESD保护元件被定位成使得其不接收光。在进一步的方面，至少一个ESD保护元件被不透明材料或不透明涂层覆盖。在另一方面，至少一个ESD保护元件被金属材料覆盖。在一方面，至少一个ESD保护元件位于接合焊盘的下方。在进一步的方面，至少一个ESD保护元件是二极管。在示例性方面，至少一个ESD保护元件耦接到电容性负载。在另一示例性方面，设置两个或更多个ESD保护元件。在一方面，微单元中的至少一些包括光电探测器二极管。在另一方面，光电探测器二极管的击穿电压基本上等于与ESD保护二极管相关联的击穿电压。在另一方面，ESD保护二极管的击穿电压被配置为低于光电探测器二极管的击穿电压。在一方面，ESD保护二极管的击穿电压被配置为高于光电探测器二极管的击穿电压。在另一方面，ESD保护二极管的有源区域小于光电探测器二极管的有源区域。在一方面，ESD保护二极管是雪崩二极管。在进一步的方面，ESD保护二极管可操作地串联耦接到电阻器。在一方面，ESD保护二极管被正向偏置。在另一方面，ESD保护二极管被反向偏置。在一个示例性方面，ESD保护二极管的击穿电压在10伏至150伏的范围内。在另一示例性方面，ESD保护二极管的击穿电压在20伏至70伏的范围内。在进一步的方面，ESD保护二极管的击穿电压在24伏至40伏的范围内。在一方面，至少一个ESD保护二极管和光电探测器二极管是相同类型。在另一方面，至少一个ESD保护二极管为第一类型，而光电探测器二极管为第二类型。在进一步的方面，第一类型具有第一尺寸的有源区域；并且第二类型具有第二尺寸的有源区域。在示例性方面，第一尺寸小于所述第二尺寸。在一方面，第一尺寸的区域使得ESD保护二极管的击穿电压高于每个微单元的最大工作电压。在另一方面，第一尺寸的区域使得ESD保护二极管的击穿电压低于每个微单元的最大工作电压。在一方面，ESD保护二极管的有源区域的掺杂分布不同于光电探测器二极管的有源区域的掺杂分布，使得ESD保护二极管的击穿电压高于光电探测器二极管的击穿电压。在进一步的方面，ESD保护二极管的有源区域的掺杂分布不同于光电探测器二极管的有源区域的掺杂分布，使得ESD保护二极管的击穿电压低于光电探测器二极管的击穿电压。在一方面，ESD保护二极管具有比光电探测器二极管的结限定更高曲率的结。本公开还涉及一种半导体衬底，该半导体衬底包括：一个或多个微单元，该一个或多个微单元具有至少一个端子；和至少一个ESD保护元件，该至少一个ESD保护元件可操作地耦接到至少一个端子。此外，本教导涉及一种制造半导体光电倍增器的方法，该方法包括：在衬底上提供具有至少一个端子的一个或多个微单元；以及提供可操作地耦接到至少一个端子的至少一个ESD保护元件。参照以下被提供以帮助理解本教导的附图，将更好地理解这些和其他特征。附图说明现在将参照附图描述本教导，其中：图1示出了半导体光电倍增器的示例性结构。图2是示例性半导体光电倍增器的示意性电路图。图3是示例性半导体光电倍增器的示意性电路图。图4A至图4D是示例性ESD保护的半导体光电倍增器的示意性电路图。图5A至图5H是根据本教导的可以用于ESD保护的半本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体光电倍增器(100)，所述半导体光电倍增器包括：/n一个或多个微单元(125)，所述一个或多个微单元位于衬底(150)上并具有至少一个端子(310)；和/n至少一个ESD保护元件(410)，所述至少一个ESD保护元件可操作地耦接到所述至少一个端子(310)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171214 US 15/841,8951.一种半导体光电倍增器(100)，所述半导体光电倍增器包括：
一个或多个微单元(125)，所述一个或多个微单元位于衬底(150)上并具有至少一个端子(310)；和
至少一个ESD保护元件(410)，所述至少一个ESD保护元件可操作地耦接到所述至少一个端子(310)。


2.根据权利要求1所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述至少一个ESD保护元件(410)不是光敏的。


3.根据权利要求2所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述微单元(125)中的至少一个是光敏的。


4.根据权利要求2所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述微单元(125)中的大部分是光敏的。


5.根据权利要求2所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述微单元(100)中的至少一些是伪微单元(403A/403B)。


6.根据权利要求2所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述微单元(100)中的大部分是伪微单元(403A/403B)。


7.根据权利要求2所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述微单元(125)中的小部分是光敏的。


8.根据权利要求2所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述微单元(125)被布置为两个或更多个离散阵列(425A/425B)，每个阵列具有独立的端子(312A/312B)。


9.根据权利要求8所述的半导体光电倍增器(100)，其中每个端子(312A/312B)可操作地耦接到对应的ESD保护元件(410)。


10.根据权利要求1所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述至少一个ESD保护元件(410)中的每个被定位成使得其不接收光。


11.根据权利要求1所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述至少一个ESD保护元件(410)被不透明材料或不透明涂层覆盖。


12.根据权利要求1所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述至少一个ESD保护元件(410)被金属材料覆盖。


13.根据权利要求1所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述至少一个ESD保护元件(410)位于接合焊盘(658)的下方。


14.根据权利要求1所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述至少一个ESD保护元件(410)是ESD保护二极管。


15.根据权利要求1所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述至少一个ESD保护元件(410)联接到电容性负载。


16.根据权利要求1所述的半导体光电倍增器(100)，其中设置两个或更多个ESD保护元件(410)。


17.据权利要求14所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述微单元(125)中的至少一些包括光电探测器二极管(155)。


18.根据权利要求17所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述光电探测器二极管(155)的击穿电压基本上等于与所述ESD保护二极管相关联的击穿电压。


19.根据权利要求17所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述ESD保护二极管的击穿电压被配置为低于所述光电探测器二极管(155)的击穿电压。


20.根据权利要求17所述的半导体光电倍增器(100)，其中所述ESD保护二极管的击穿电压被配置为高于所述光电探测器二极管(155)的击穿电压。


21.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·M·戴利，J·C·杰克逊，B·P·麦加维，S·J·贝里斯，
申请(专利权)人：森斯尔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：爱尔兰;IE