硅光电倍增探测器制造技术

本发明专利技术提供一种硅光电倍增探测器，包括：探测器主体，其包括由多个APD单元集成在衬底上形成的APD阵列，每个APD单元串联一个雪崩淬灭电阻，在探测器主体外围还设有另外的APD单元，所有APD单元的表面由均匀连续的重掺杂硅导电层连接，其上为绝缘介质层；正面电极，其位于探测器主体正面的绝缘介质层表面，正面电极包括平行金属条或相互垂直的栅格金属条，及与金属条连接的一个或多个金属引出电极；背面电极，其位于整个硅光电倍增探测器背面硅衬底的外侧。在绝缘介质层相应APD单元的顶角位置设有通孔，正面电极的金属条完全覆盖通孔，并与通孔下的重掺杂硅导电层形成欧姆接触。本发明专利技术具有探测效率高、动态范围大、增益均匀、单光子分辨好等优点。分辨好等优点。分辨好等优点。

【技术实现步骤摘要】
硅光电倍增探测器


[0001]本专利技术涉及光电探测
，尤其是具有单光子分辨和探测灵敏度的硅光电倍增器结构。

技术介绍

[0002]硅光电倍增探测器(SiPM)具有增益高、工作电压低、功耗低、响应速度快、体积小、易集成、不受磁场干扰、可靠性高和成本低的优点，在高能物理、天体物理、核医学成像等微弱光信号的检测领域逐渐替代传统光电倍增管，得到越来越广泛的应用。
[0003]SiPM存在的一个主要问题是高探测效率与大动态范围不可兼得。SiPM普遍采用位于器件表面的掺杂多晶硅电阻条来制备雪崩淬灭电阻。若要提高探测效率，需要采取APD单元数量较少，每一个单元面积较大的探测器结构，这样APD单元的填充因子高，探测效率高。但这样容易导致2个或2个以上光子同时被同一个APD单元接收的概率，导致在较低的光子通量密度下探测器输出饱和，动态范围受到限制。若要增大动态范围，就需要采取APD单元面积小、数目多的探测器结构，但这样APD单元之间的“死区”面积占SiPM光敏面积的比例随APD单元面积缩小，密度增加而增加，致使光敏面积与探测器总面积之比(即填充因子)降低，必然牺牲探测效率。
[0004]为了尽可能增大SiPM动态范围，G.Q.Zhang等人(参见“Demonstration of a silicon photomultiplier with bulk integrated quenching resistors on epitaxial silicon”，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，A,621(2010)116
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120)提出了一种硅光电倍增探测器，其包括由多个APD单元集成在硅外延片上形成的APD阵列，APD单元由其周围的PIN结构延伸至衬底的耗尽区所隔离，每个APD单元之下未被耗尽的中性外延层充当雪崩淬灭电阻，所有APD单元的表面由均匀连续的重掺杂层连接，其上为绝缘介质层和引出电极，背面还有1个引出电极。Jelena Ninkovic等人做了类似的研究(请参见“The first measurements on SiPMs with bulk integrated quench resistors”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 628(2011)407
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410)，不同的是多个APD单元集成在体硅上形成APD阵列，APD单元之间由体硅上PIN结构的耗尽区所隔离。
[0005]以上SiPM器件的缺点是：APD单元的增益均匀性较差，影响单光子分辨能力。专利技术人在实现本专利技术的过程中发现：以上SiPM器件的结构中，所有APD单元大小形状完全相同，然而由于边缘效应，位于器件最外围APD单元的电场分布与靠近中心内的APD单元的电场分布并不同。这样的SiPM器件由于影响单光子分辨能力，适合应用的场合较少。
[0006]因此，如何提供一种探测效率高、动态范围大、增益均匀、单光子分辨好的硅光电倍增探测器，是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术中存在的问题，提出了一种硅光电倍增探测器，以使其能够
在保持高探测效率的基础上实现大的动态范围，且增益更均匀，并能够具有更好的单光子分辨能力。
[0008]本专利技术的一个方面提供了一种硅光电倍增探测器，该硅光电倍增探测器包括探测器主体，所述探测器主体包括：
[0009]衬底；
[0010]位于衬底上的第一导电类型的轻掺杂层；
[0011]在所述轻掺杂层的上表面内形成的第一导电类型的多个重掺杂区，该第一导电类型的多个重掺杂区包括位于轻掺杂层中央区域的表面内的作为多个第一电场增强区的第一导电类型的多个第一重掺杂区以及位于轻掺杂层边缘区域的表面内的作为多个第二电场增强区的第一导电类型的多个第二重掺杂区；
[0012]覆盖所述多个第一导电类型的重掺杂区的第二导电类型的连续重掺杂层；
[0013]位于连续重掺杂层上方的第一绝缘介质层，所述第一绝缘介质层中设置有多个通孔，所述多个通孔布置在所述第一电场增强区的四周或顶角位置，或探测器主体的外围四周位置；
[0014]在所述第一绝缘介质层表面上形成的正面电极，所述正面电极包括金属条以及与金属条连接的一个或多个金属引出电极，所述金属条覆盖第一绝缘介质层中的通孔，并经由通孔与通孔下的重掺杂硅导电层形成欧姆接触；以及
[0015]位于衬底的背离轻掺杂层的一面的背面电极；
[0016]其中，所述衬底、轻掺杂层、多个第一电场增强区和连续重掺杂层形成多个第一雪崩光电二极管APD单元；所述衬底、轻掺杂层、多个第二电场增强区和连续重掺杂层形成多个第二雪崩光电二极管APD单元。
[0017]在本专利技术一些实施例中，所述第一电场增强区和第二电场增强区之外的轻掺杂层、连续重掺杂层以及衬底构成PIN结构，各第一APD单元和第二APD单元由围绕四周的PIN结构的耗尽区电学隔离，各第一电场增强区和第二电场增强区之下未被耗尽的中性轻掺杂层分别充当第一APD单元和第二APD单元的雪崩淬灭电阻。
[0018]在本专利技术一些实施例中，第一APD单元和第二APD单元的PN结耗尽区穿通各自的电场增强区，进入其下的中性轻掺杂层；或者第一APD单元和第二APD单元的PN结未将电场增强区全耗尽，耗尽区未进入其下的中性轻掺杂层。
[0019]在本专利技术一些实施例中，所述第二电场增强区的面积小于所述第一电场增强区的面积，相邻第一电场增强区和第二电场增强区之间的间距为1微米至10微米。
[0020]在本专利技术一些实施例中，所述第一电场增强区的形状为方形、矩形、六边形或圆饼形，面积为10平方微米至1万平方微米，数目为1个至1000万个；所述第二电场增强区的形状为方形、矩形、六边形、圆饼形或框形，面积为4平方微米至1000平方微米，数目为1个至1万个。
[0021]在本专利技术一些实施例中，所述多个第二电场增强区围绕所述多个第一电场增强区，并彼此并排平行排列。
[0022]在本专利技术一些实施例中，所述通孔形状为方形、条形、框形或圆饼形，位于相应第一APD单元的四周或顶角位置，或位于探测器主体外围四周，面积为1平方微米至100平方微米。
[0023]在本专利技术一些实施例中，所述正面电极为与第一电场增强区边缘平行的金属条、相互垂直的栅格金属条；与所述金属条连接的一个或多个金属引出电极位于探测器主体四周边缘的中央对称位置。
[0024]在本专利技术一些实施例中，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型；或者所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
[0025]在本专利技术一些实施例中，所述金属条的宽度为1微米至10微米，厚度为0.1微米至10微米。
[0026]在本专利技术一些实施例中，所述连续重掺杂区、第一电场增强区和第二电场增强区的边角具有圆弧形状，曲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅光电倍增探测器，其特征在于，该硅光电倍增探测器包括探测器主体，所述探测器主体包括：衬底，该衬底为第一导电类型的重掺杂层；位于衬底上的第一导电类型的轻掺杂层；在所述轻掺杂层的上表面内形成的第一导电类型的多个重掺杂区，该第一导电类型的多个重掺杂区包括位于轻掺杂层中央区域的表面内的作为多个第一电场增强区的第一导电类型的多个第一重掺杂区以及位于轻掺杂层边缘区域的表面内的作为多个第二电场增强区的第一导电类型的多个第二重掺杂区；覆盖所述多个第一导电类型的重掺杂区的第二导电类型的连续重掺杂层；位于连续重掺杂层上方的第一绝缘介质层，所述第一绝缘介质层中设置有多个通孔，所述多个通孔布置在所述第一电场增强区的四周或顶角位置，或探测器主体的外围四周位置；在所述第一绝缘介质层表面上形成的正面电极，所述正面电极包括金属条以及与金属条连接的一个或多个金属引出电极，所述金属条覆盖第一绝缘介质层中的通孔，并经由通孔与通孔下的重掺杂硅导电层形成欧姆接触；以及位于衬底的背离轻掺杂层的一面的背面电极；其中，所述衬底、轻掺杂层、多个第一电场增强区和连续重掺杂层形成多个第一雪崩光电二极管APD单元；所述衬底、轻掺杂层、多个第二电场增强区和连续重掺杂层形成多个第二雪崩光电二极管APD单元。2.根据权利要求1所述的硅光电倍增探测器，其特征在于，所述衬底、所述第一电场增强区和第二电场增强区之外的轻掺杂层以及连续重掺杂层构成PIN结构，各第一APD单元和第二APD单元由围绕四周的PIN结构的耗尽区电学隔离，各第一电场增强区和第二电场增强区之下未被耗尽的中性轻掺杂层分别充当第一APD单元和第二APD单元的雪崩淬灭电阻。3.根据权利要求2所述的硅光电倍增探测器，其特征在于，第一APD单元和第二APD单元的PN结耗尽区穿通各自的电场增强区，进入其下的中性轻掺杂层；或者第一APD单元和第二APD单元的PN结未将电场增强区全耗尽，耗尽区未进入其下的中性轻掺杂层。4.根据权利要求1所述的硅光电倍增探测器，其特征在于，所述第二电场增强区的面积小于所述第一电场增强区的面积，相邻第一电场增强区和第二电场增强区之间的间距为1微米至10微米。5.根据权利要求3所述的硅光电倍增探测器，其特征在于，所述第一电场增强...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩德俊，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：