硅光电倍增器、光电探测装置和成像系统制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种硅光电倍增器、光电探测装置和成像系统，该硅光电倍增器包括一个像素单元或并联连接的多个像素单元，每个像素单元均包括雪崩光电二极管以及淬灭晶体管，其中，多个像素单元中的雪崩光电二极管的阳极或阴极并联连接以构成硅光电倍增器的阳极或阴极，雪崩光电二极管的阴极或阳极分别与对应的淬灭晶体管的源极或漏极连接；多个像素单元中的淬灭晶体管的漏极或源极并联连接以构成硅光电倍增器的阴极或阳极，淬灭晶体管的栅极并联连接以构成硅光电倍增器的栅极。通过利用本申请提供的技术方案，可以实现高速时间门控、雪崩光电二极管输出状态的调节以及提高像元响应一致性。

【技术实现步骤摘要】
硅光电倍增器、光电探测装置和成像系统
本技术涉及光电传感器
，特别涉及一种硅光电倍增器、光电探测装置和成像系统。
技术介绍
本部分的描述仅提供与本技术公开相关的背景信息，而不构成现有技术。低通量光子探测技术是一种可探测较低光通量密度(例如，10-19～10-6W/mm2)的光信号的光子探测技术，其可应用于许多领域，例如，医学成像(特别是，正电子发射断层成像(PET))、国土安全、高能物理实验和其它成像等关键领域。在低通量光子探测
中，硅光电倍增器(SiliconPhotomultiplier,简称SiPM)由于具有较高的探测效率、卓越的单光子响应和分辨能力、体积小、易于集成、工作电压低、不受磁场干扰、可靠性好、成本低廉等诸多优点而在近年来受到很大关注。现有的硅光电倍增器的结构如图1所示，其主要由雪崩光电二极管(Avalanchephotodiode,简称APD)阵列、与APD阵列对应的淬灭电阻、金属互联线以及电极构成。其中，APD阵列中多个APD的一个电极并联至同一个外部电极以形成SiPM的一个电极，例如，阳极，APD阵列中多个APD的另一个电极与对应的淬灭电阻串联，多个淬灭电阻的另一端并联至另一个外部电极以形成SiPM的另一个电极，例如，阴极。在实际工作中，当对SiPM的阴、阳极施加的反向偏置电压大于APD的击穿电压时，SiPM输出与探测到的光子相关的电流信号。在实现本技术过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在如下问题：(1)由于现有SiPM只有阴极和阳极两个电极，对APD的偏置电压的控制只能通过外部电路控制SiPM的阴极和阳极的电压差来实现，然而受限于APD阵列较大的结电容以及淬灭电阻阻值较大，APD阵列整体的充放电时间较慢、SiPM的阴极和阳极的电压差调整较慢，这导致难以实现高速时间门控。(2)现有SiPM采用的淬灭电阻在器件完成制造后就无法改变预先设计的阻值，这导致APD输出状态不可调节，从而导致针对不同的应用场景不能最大程度的发挥SiPM的性能优势。(3)现有SiPM的淬灭电阻一般采用高阻多晶硅制造，在现有集成电路工艺中，所制造的淬灭电阻的精度较差，波动达到±15％，这导致在同一个SiPM中不同APD像元的响应脉冲的一致性较差，从而导致降低了SiPM的单光子分辨率与时间分辨率。(4)由于SiPM的工作电压一般为二十几伏甚至更高，开启/关闭时需要调整的电压范围也较大，APD阵列的充电电流也相对较大，因此对外部电路要求更高，这导致电路硬件成本增加。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种硅光电倍增器、光电探测装置和成像系统，以解决现有技术中存在的至少一种技术问题。为了解决上述技术问题，本技术提供了一种硅光电倍增器，其包括一个像素单元或并联连接的多个所述像素单元，每个所述像素单元均包括用于探测光子的雪崩光电二极管以及用于在所述雪崩光电二极管发生雪崩击穿效应时对所述雪崩光电二极管进行淬灭的淬灭晶体管，其中，多个所述像素单元中的所述雪崩光电二极管的阳极或阴极并联连接以构成所述硅光电倍增器的阳极或阴极，并且所述雪崩光电二极管的阴极或阳极分别与对应的所述淬灭晶体管的源极或漏极连接；多个所述像素单元中的所述淬灭晶体管的漏极或源极并联连接以构成所述硅光电倍增器的阴极或阳极，并且所述淬灭晶体管的栅极并联连接以构成所述硅光电倍增器的栅极。可选地，所述雪崩光电二极管包括单光子雪崩二极管。可选地，所述淬灭晶体管包括结型场效应晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管。可选地，所述金属-氧化物半导体场效应晶体管包括P沟道场效应晶体管或N沟道场效应晶体管。可选地，在至少一个所述像素单元中，所述雪崩光电二极管与串联连接的多个所述淬灭晶体管对应设置。可选地，位于多个所述像素单元中的对应位置处的所述淬灭晶体管的栅极分别并联连接以构成所述硅光电倍增器的多个栅极。可选地，所述硅光电倍增器还包括：第一电压供应端，其向所述硅光电倍增器的所述阳极和所述阴极提供固定电压；第二电压供应端，其向所述硅光电倍增器的所述栅极提供可调节电压。可选地，所述硅光电倍增器还包括：符合处理电路，其与所述雪崩光电二极管中的与所述淬灭晶体管连接的电极端连接，并且包括用于采集所述雪崩光电二极管的偏置电压并转换为电平信号的第一逻辑门电路以及用于将所述第一逻辑门电路输出的电平信号进行符合逻辑处理的第二逻辑门电路。可选地，所述第一逻辑门电路包括缓冲器或反相器。可选地，当所述电极端为阳极时，所述第二逻辑门电路包括与所述第一逻辑门电路连接的至少一个与门。可选地，所述第二逻辑门电路还包括与所述至少一个与门连接的或门。可选地，当所述电极端为阴极时，所述第二逻辑门电路包括与所述第一逻辑门电路连接的多至少一个或门。本技术实施例还提供了一种光电探测装置，该光电探测装置包括：上述硅光电倍增器。可选地，该光电探测装置包括：计数器，其与所述硅光电倍增器连接以对所述硅光电倍增器输出的电信号进行计数；以及读取电路，其与所述计数器连接以读取所述计数器所记录的计数数据。可选地，该光电探测装置包括：处理器，其与所述读取电路连接以根据所述读取电路输出的计数数据对所述电信号进行幅值采样或阈值甄别处理。本技术的实施例还提供了一种成像系统，该成像系统可以包括上述光电探测装置以及用于对所述光电探测装置输出的探测结果进行图像重建处理的图像重建装置。由以上本技术提供的技术方案可见，本技术通过利用淬灭晶体管对雪崩光电二极管进行淬灭，因而对该硅光电倍增器的偏置电压的控制可以通过调整淬灭晶体管的栅极电压来实现，这可以实现高速时间门控。另外，淬灭晶体管的饱和电流可以受到淬灭晶体管开启时的栅极电压限制，因此该硅光电倍增器可以通过栅极电压调整雪崩光电二极管输出状态，从而针对不同的应用场景，可以最大程度的发挥硅光电倍增器的性能优势。附图说明为了更清楚地说明本技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是现有技术中的一种硅光电倍增器的结构示意图；图2是本技术的一实施例提供的硅光电倍增器的结构示意图；图3是本技术的另一实施例提供的硅光电倍增器的结构示意图；图4是本技术的另一实施例提供的硅光电倍增器的结构示意图；图5是本技术的另一实施例提供的硅光电倍增器的结构示意图；图6是本技术的又一实施例提供的硅光电倍增器的结构示意图；图7是本技术的又一实施例提供的硅光电倍增器的结构示意图；图8是本技术的又一实施例提供的硅光电倍增器的结构示意图；图9是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅光电倍增器，其特征在于，所述硅光电倍增器包括一个像素单元或并联连接的多个所述像素单元，每个所述像素单元均包括用于探测光子的雪崩光电二极管以及用于在所述雪崩光电二极管发生雪崩击穿效应时对所述雪崩光电二极管进行淬灭的淬灭晶体管，/n其中，多个所述像素单元中的所述雪崩光电二极管的阳极或阴极并联连接以构成所述硅光电倍增器的阳极或阴极，并且所述雪崩光电二极管的阴极或阳极分别与对应的所述淬灭晶体管的源极或漏极连接；多个所述像素单元中的所述淬灭晶体管的漏极或源极并联连接以构成所述硅光电倍增器的阴极或阳极，并且所述淬灭晶体管的栅极并联连接以构成所述硅光电倍增器的栅极。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅光电倍增器，其特征在于，所述硅光电倍增器包括一个像素单元或并联连接的多个所述像素单元，每个所述像素单元均包括用于探测光子的雪崩光电二极管以及用于在所述雪崩光电二极管发生雪崩击穿效应时对所述雪崩光电二极管进行淬灭的淬灭晶体管，
其中，多个所述像素单元中的所述雪崩光电二极管的阳极或阴极并联连接以构成所述硅光电倍增器的阳极或阴极，并且所述雪崩光电二极管的阴极或阳极分别与对应的所述淬灭晶体管的源极或漏极连接；多个所述像素单元中的所述淬灭晶体管的漏极或源极并联连接以构成所述硅光电倍增器的阴极或阳极，并且所述淬灭晶体管的栅极并联连接以构成所述硅光电倍增器的栅极。


2.根据权利要求1所述的硅光电倍增器，其特征在于，所述雪崩光电二极管包括单光子雪崩二极管。


3.根据权利要求1所述的硅光电倍增器，其特征在于，所述淬灭晶体管包括结型场效应晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管。


4.根据权利要求3所述的硅光电倍增器，其特征在于，所述金属-氧化物半导体场效应晶体管包括P沟道场效应晶体管或N沟道场效应晶体管。


5.根据权利要求1所述的硅光电倍增器，其特征在于，在至少一个所述像素单元中，所述雪崩光电二极管与串联连接的多个所述淬灭晶体管对应设置。


6.根据权利要求5所述的硅光电倍增器，其特征在于，位于多个所述像素单元中的对应位置处的所述淬灭晶体管的栅极分别并联连接以构成所述硅光电倍增器的多个栅极。


7.根据权利要求1所述的硅光电倍增器，其特征在于，所述硅光电倍增器还包括：
第一电压供应端，其向所述硅光电倍增器的所述阳极和所述阴极提供固定电压；
第二电压供应端，其向所述硅光电倍增器的所述栅极提供可调节电压。


8.根据权利要求1所述的硅光电倍增...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玺，徐青，王麟，
申请(专利权)人：湖北京邦科技有限公司，
类型：新型
国别省市：湖北;42