专利名称：硅光电倍增探测器结构、制作及使用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高增益的半导体光探测器，尤其是具有单光子分辨探测灵敏度的硅光电倍增探测器的结构、制作及使用方法，属于H)1L 27/00类半导体器件技术领域。
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背景技术：
弱光探测器技术在高能物理、天体物理及核医学成像等领域具有非常重要的应用。目前应用最广泛的弱光探测器主要是光电倍增管(PMT)。但PMT存在体积大、工作电压和功耗高、容易损坏、受光阴极限制探测效率较低、对磁场敏感以及不适合制作大规模阵列等缺点，限制了它在许多场合的应用。随着半导体光探测器的发展，一种被称为硅光电倍增探测器(Silicon photo-multiplier, SiPM)或者被称为多单元光子计数器(Multi-PixelPhotonCounters,MPPC)等的高灵敏半导体光探测器在弱光探测领域越来越受到重视,其工作原理和发展历史参阅文献(D. Renker, Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA, Vol. 567, pp. 48-56, 2006) 这种光探测器一般由几百至几千个尺寸为几至上百微米的雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode, APD)单元单片集成在同一个娃片上构成，每一个AH)单元都串联一个约几百千欧姆的电阻(即雪崩淬灭电阻)用以控制APD单元的雪崩淬灭和电压恢复。所有AH)单元并联输出，共用I个负载，每一个Aro单元工作在盖革模式(Geigermode)下，即偏置电压比其击穿电压高。当某一个APD单元接收到一个光子时，所产生的光生载流子将触发雪崩击穿，光电转换增益可达105_106。一个光子在50欧姆负载上可产生毫伏量级的电压脉冲，其后续放大电路变得非常简单。在动态范围的线性区内，总的输出信号正比于单位时间发生雪崩击穿的APD单元的数目。由于这种器件可以像光电倍增管一样进行单光子探测，因此被称作硅光电倍增探测器。SiPM的增益高(IO5-IO6)、工作电压低(< 100V)、功耗低、响应速度快(ns量级)、体积小、易集成、不受磁场干扰、可靠性好、成本低廉。每一个Aro单元工作在计数模式下，没有像线性模式APD那样的增益起伏或过剩噪声，具有比PMT更好的单光子分辨本领(参阅D. Renker,Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research A, Vol. 567, pp.48-56,2006)。在高能物理(参阅 P. Buzhan, et al. , Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearch A, Vol. 567, pp. 78-82, 2006)、天体物理(参阅 N. Otte, Proceedings of the IXInternational Symposium on Detectorsfor Particle,Astroparticle and SynchrotronRadiation Experiments, SNIC Symposium, Stanford, California, I, 2006)、核医学成像(参阅 A. N. Otte, Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A, Vol. 545,pp. 705-715,2005)、DNA 测序(参阅 GeorgiyGudkov, et al.，Proc. SPIE，6372，63720C-1，2006)等微弱光信号的检测领域有替代传统光电倍增管的潜力，具有非常广泛的应用前景。目前SiPM尚处在快速发展阶段，存在的主要问题包括(I)探测效率与动态范围之间存在矛盾关系。SiPM的雪崩淬灭电阻普遍采用位于器件表面的掺杂多晶娃电阻条，多晶娃一般米用化学气相沉积(CVD)方法制备。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，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，导致在较低的光子计数率下探测器输出饱和，动态范围受到限制。若要避免光子计数率饱和，就需要采取APD单元面积小、数目多的探测器结构。这样一来探测器表面的多晶硅电阻条、金属Al互联线、保护环占据的“死区”面积比例随AH)单元面积缩小而增加，至使光敏面积与探测器总面积之比(几何填充因子)降低，必然牺牲探测效率。(2)对温度较为敏感。掺杂多晶硅的电阻(即雪崩淬灭电阻)随温度增加而增大，同时SiPM的雪崩击穿电压也随温度的增加而增大。当工作电压保持恒定，温度增加导致淬灭电阻增大，其分压增大，降落在APD结构上的电压减小。加之雪崩击穿电压随温度的增加而增大，致使SiPM过偏压(即APD上的电压降与雪崩击穿电压之差)减小，SiPM的增益减小。反之温度降低亦然。(3) SiPM的暗计数率较高。SiPM的暗计数率一般为400kHZ-lMHz/mm2，远比一般PMT的大，导致SiPM对于极微弱光信号的探测以及大面积SiPM的制作受到限制。
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发明内容
针对目前SiPM探测效率与动态范围之间存在矛盾的问题，本发明提出一种新的具有高单元密度的结构。其特征是采用与Aro单元相连的硅外延片外延层体电阻来代替一般位于表面的掺杂多晶娃条电阻，来控制APD单兀的雪崩淬灭和电压恢复(参见G. Q. Zhang,etal. ,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，Vol. 621，pp. 116-120,2010)。这种结构可以消除位于表面的电阻材料及其互联铝线对光的遮挡和吸收，减小光敏区中的“死区”面积，使得Aro单元面积小、密度高、填充因子高，探测效率与动态范围能够较好地得到兼顾。针对目前SiPM对温度较为敏感的问题，本发明提出一种新的雪崩淬灭电阻制备方法。其特征是采用覆盖在非晶硅膜上的金属铝(Al)膜以及热处理来诱导非晶硅晶化(参见 DongliZhang, et al. , IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 55,pp. 2181-2186，2008)，得到掺杂多晶或单晶硅，并通过控制Al膜的厚度及退火条件来调节多晶硅膜的电阻率。用这种方法制备的薄膜电阻具有负温度系数，即电阻随温度增加而减小，反之亦然。因此，当工作电压保持恒定，温度增加导致淬灭电阻减小，其分压减小，降落在APD结构上的电压增大。加之雪崩击穿电压随温度的增加而增大，致使SiPM过偏压(即AH)上的电压降与雪崩击穿电压之差)保持相对稳定。另外，与常规掺杂多晶硅电阻工艺比较，铝诱导非晶硅晶化方法制作工艺的温度较低，条形电阻的制备可以采用光刻剥离(Lifi-off)工艺，容易实现细线条制备，不需要额外掺杂步骤，工艺更简单。针对目前SiPM暗计数率较高，限制了它对微弱光信号的探测以及大面积SiPM的制作问题，本发明提出一种“叉指”型双子SiPM器件结构。其特征是SiPM由2个面积较小、完全独立的子SiPM构成，所述2个子SiPM成“叉指”状排列。当用SiPM测量一个包含多个光子的微弱光脉冲时(例如一个伽马光子打在闪烁体上产生包含数个至数百个光子的荧光脉冲)，由于SiPM的暗计数是由半导体硅材料内热电子产生的随机噪声信号，而光脉冲所含各个光子是时间相关的，它们产生的脉冲信号几乎同时产生。基于所述新结构SiPM本发明提出一种新的双路符合测量光信号的方法。其特征是、
当且仅当2个子SiPM在一个很短的时间窗口(例如50皮秒至500纳秒)内同时产生脉冲信号输出时则判定所述2个子SiPM探测到有效光信号，并予以测量和记录；若不然则认为所述2个子SiPM分别输出的是暗计数或杂散光等无效信号，予以忽略。由于在所述很短的时间窗口内2个子SiPM同时出现暗计数的概率大为减小，SiPM暗计数的影响将得到有效削减，探测器的面积将能够做得更大。
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图I、本发明衬底体电阻淬灭SiPM结构示意图。图2、本发明“叉指”型双子SiPM结构示意图。SiPM I和SiPM 2分别为所述2个子 SiPM。
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具体实施例方式对于利用衬底体电阻淬灭的新结构SiPM，本发明采取以下技术方案一种SiPM探测器，由许多(例如10至10万个)雪崩光电二极管(APD)单元集成在同一个硅外延片上组成，每个Aro单元都串联一个雪崩淬灭电阻，雪崩淬灭电阻由所述硅外延片外延层制备，所有APD单元并联输出，共用一个负载，其特征是所述硅外延片为低电阻率衬底上的单晶硅外延片，外延层的电阻率与其厚度的乘积为 0. 04 Q cm2 至 25 Q cm2。所述外延层的电阻率为2-22 Q .cm或29-1000 Q cm ;外延层厚度为250-31 y m或 24-1u m0所述APD 尺寸为 20 ii m2 至 35 ii m2 或 37 ii m2 至 2500 u m2。对于采用金属铝(Al)诱导非晶硅晶化来制备淬灭电阻的新结构SiPM，本发明采取以下技术方案一种SiPM，由许多(例如10至10万个)APD单元集成在同一个硅片上组成，每个APD单元都串联一个雪崩淬灭电阻，雪崩淬灭电阻位于器件表面，并且具有条形形状，所有AH)单元并联输出，共用一个负载，其特征是采用金属铝诱导非晶硅晶化方法制备雪崩淬灭电阻。所述金属铝诱导非晶硅晶化制作雪崩淬灭电阻的方法，其特征在于在覆盖有二氧化硅或氮化硅绝缘介质膜的器件表面用正性光刻胶光刻出与条形电阻形状一致的图形，采用电子束蒸发或磁控溅射方法依次制备厚度分别为5-500nm非晶硅膜和5_50nm铝膜，在去胶溶液中剥离掉不需要保留的非晶硅和铝膜，留下制作电阻条的非晶硅和铝膜，在300-700°C以及氮气或氩气保护下退火10-150分钟，在含有磷酸的铝腐蚀液中浸泡去除残留的招。所述金属铞诱导非晶硅晶化制作雪崩淬灭电阻的方法，其特征在于在覆盖有二氧化硅或氮化硅绝缘介质膜的器件表面采用电子束蒸发或磁控溅射方法依次制备厚度分别为5-500nm非晶硅膜和5_50nm铝膜，光刻出与电阻条形状相一致的图形，用干法或湿法或二者结合刻蚀掉不需要保留的非晶硅和铝膜，留下制作电阻条的非晶硅和铝膜，经去胶和清洗，在300-700°C以及氮气或氩气保护下退火10-150分钟，在含有磷酸的铝腐蚀液中浸泡去除残留的铝。
所述制作器件的硅片为单晶硅片或硅外延片。对于“叉指”型双子SiPM器件新结构，本发明采取以下技术方案一种SiPM，由许多(例如10至10万个)APD单元集成在同一个硅片上组成，每个APD单元都串联一个雪崩淬灭电阻 ，雪崩淬灭电阻位于器件表面，并且具有条形形状，所有APD单元并联输出，共用一个负载，其特征是=SiPM由2个面积较小、完全独立的子SiPM构成。所述2个子SiPM成“叉指”状排列。所述SiPM的雪崩淬灭电阻由硅外延片外延层制备，即前述衬底体电阻淬灭SiPM。所述SiPM的雪崩淬灭电阻是Al诱导非晶硅晶化方法制备的条形电阻。所述SiPM的雪崩淬灭电阻是常规掺杂多晶硅条形电阻。本发明使用所述“叉指”型双子SiPM探测光信号的方法，其特征是2个子SiPM采取符合测量技术，即在一个很短的时间窗口(例如50皮秒至500纳秒)内同时有脉冲输出时则判定所述2个子SiPM探测到有效光信号，并予以测量和记录；若在50皮秒至500纳秒时间间隔内只有I个子SiPM有脉冲信号输出，或2个子SiPM都没有脉冲信号输出，则判定所述2个子SiPM没有探测到有效光信号，其测量予以忽略。以下结合实例具体说明本发明。图I所示为衬底体电阻淬灭SiPM结构示意图。其中I-N型重掺杂区，2-P型重掺杂区(高电场区)，3_雪崩淬灭电阻区，4-耗尽隔离区，5-P型阻挡区。采用单面抛光、〈111〉晶向、P型低阻衬底材料和P型外延层的硅外延片，外延层厚度是25 iim，电阻率是22 Q *cm0 APD单元的面积(由高电场区限定)为40 y m2，高电场区由硼离子注入形成。器件面积ImmX 1mm。在其它实施例中所述硅外延片还可以是P型低阻衬底上的N型外延层，N型低阻衬底上的N型外延层，N型低阻衬底上的P型外延层。SiPM的形状还可以为条形、圆饼形或六边形。图2所示为本发明“叉指”型双子SiPM结构示意图。SiPM I和SiPM 2分别为所述2个子SiPM，各有30个APD单元，SiPM共有60个APD单元。雪崩淬灭电阻由Al诱导非晶硅晶化方法制备。制作器件的半导体材料为单晶硅片，具有〈100〉晶向，单面抛光。在其它实施中也可以采用硅外延片，硅片晶向可以是〈111〉或〈110〉。SiPM可以有10-10万个Aro单元，淬灭电阻可以由常规掺杂多晶硅或前述硅外延片外延层体电阻制备。SiPM的形状可以为条形、圆饼形、六边形或正方形。需要说明的是，上述实施例仅为说明本发明而非限制本发明的专利范围，任何基于本发明等同变换技术，均应在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种硅光电倍增探测器(SiPM)，由10至10万个雪崩光电二极管(APD)单元集成在同一个硅外延片上组成，每个Aro单元都串联一个雪崩淬灭电阻，雪崩淬灭电阻由所述硅外延片外延层制备，所有APD单元并联输出，共用一个负载，其特征是所述硅外延片外延层的电阻率与其厚度的乘积为0. 04 Q cm2至25Q cm2。
2.如权利要求I所述的SiPM，其特征在于所述硅外延片外延层的电阻率为2Q cm至 22 Q cm 或 29 Q cm 至 1000 Q cm,厚度为 250 umM31iimjiJc24iimM lum。
3.如权利要求I所述的SiPM，其特征在于所述APD单元面积为20ii m2至35 ii m2或37 u m2 至 2500 u m2。
4.一种SiPM，由10至10万个APD单元集成在同一个硅片上组成，每个APD单元都串联一个雪崩淬灭电阻，雪崩淬灭电阻位于器件表面，并且具有条形形状，所有APD单元并联 输出，共用一个负载，其特征是采用金属铝诱导非晶硅晶化方法制备雪崩淬灭电阻。
5.如权利要求4所述的金属铝诱导非晶硅晶化制作雪崩淬灭电阻的方法，其特征在于在覆盖有绝缘介质膜的器件表面采用电子束蒸发或磁控溅射方法依次制备厚度分别为5nm至500nm非晶娃膜和5nm至50nm招膜，在300°C至700°C以及氮气或U1气保护下退火10分钟至150分钟，在腐蚀铝的化学溶液中浸泡去除残留的铝。
6.如权利要求4所述的SiPM，其特征在于条形电阻结构采用光刻剥离技术或光刻刻蚀技术制备。
7.一种SiPM，由10至10万个APD单元集成在同一个硅片上组成，每个APD单元都串联一个雪崩淬灭电阻，雪崩淬灭电阻位于器件表面，并且具有条形形状，所有Aro单元并联输出，共用一个负载，其特征是=SiPM由2个面积较小、完全独立的子SiPM构成。
8.如权利要求7所述的SiPM，其特征在于所述2个子SiPM成“叉指”状排列。
9.如权利要求7所述的SiPM，其特征在于所述SiPM的雪崩淬灭电阻由硅外延片外延层制备，或由金属铝诱导非晶硅晶化方法制备，或由掺杂多晶硅条制备。
10.一种使用权利要求7所述的SiPM探测光信号的方法，其特征在于 所述2个子SiPM在50皮秒至500纳秒时间间隔内同时有脉冲信号输出时则予以测量和记录；若在50皮秒至500纳秒时间间隔内只有I个子SiPM有脉冲信号输出，或2个子SiPM都没有脉冲信号输出，则所述2个子SiPM的测量予以忽略。
全文摘要
本发明涉及采用与APD单元相连的衬底体电阻来制备硅光电倍增探测器(SiPM)的雪崩淬灭电阻，其目的是为了解决SiPM的探测效率与动态范围不可兼顾的矛盾，可以在保证高探测效率的同时依然保证高的动态范围。提出采用铝诱导非晶硅晶化方法制备雪崩淬灭电阻，以简化SiPM的制作工艺。提出采用“叉指”型双子SiPM器件结构及其双路符合测量光信号的方法，以期克服SiPM暗计数率较高的问题。
文档编号G01J11/00GK102735350SQ20111008781
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月8日 优先权日2011年4月8日
发明者殷登平, 胡小波, 胡春周, 韩德俊 申请人:北京师范大学