阵列式光电探测装置的制作方法

本实用新型涉及辐射测量技术领域，特别涉及一种阵列式光电探测装置。

背景技术：

pin半导体光电探测器是利用半导体材料的光电效应来接受和探测光信号的器件，它通过吸收光子产生电子-空穴对，从而在外电路产生与入射光强度成正比的光电流以方便测量入射光。pin半导体光电探测器由于体积小、重量轻、响应速度快、灵敏度高、易于与其它半导体器件集成，是最理想的光源探测器，可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。

已有研究表明，通过增加灵敏层的厚度和面积，可以有效提高pin半导体光电探测器的灵敏度，从而有利于以较小统计涨落进行低强度射线源测量和精确粒子计数测量。但是受制于高阻硅材料的选择和制作工艺等因素，pin半导体光电探测器的灵敏层(或称为耗尽层)厚度仅为300μm左右，且灵敏面的面积较小。目前国内商业化的pin半导体光电探测器，灵敏层的灵敏面一般为六边形或圆形，以圆形灵敏面为例，其直径一般为大面积的直径以较为常见，灵敏度一般可达到10^-16～10^-18c·cm²。近几年国内已研制出了灵敏面的直径达到全耗尽层厚度达600μm的单个pin半导体光电探测器，其灵敏度可达到约10^-15c·cm²。随着高阻硅材料质量的提升以及制作工艺的进步，现在已能够加工出灵敏面直径达全耗尽层厚度达800μm的单个pin半导体光电探测器。

理论上来说，按照当前的工艺水平，再进一步增大pin半导体光电探测器灵敏层的面积并不存在技术障碍。然而，探测面积与pin半导体光电探测器的结电容c、漏电流等特征参数息息相关，一般而言，探测面积越大，pin半导体光电探测器的结电容c就越大，输出的脉冲信号幅度就越低；此外探测面积的增大还会导致pin半导体光电探测器漏电流的增大，使得pin半导体光电探测器自身噪声变大。因此，如何在不增大探测面积的前提下进一步提高灵敏度，仍旧是目前有待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供一种阵列式光电探测装置，能够在不增大探测面积的前提下得到灵敏度更高的探测装置。

为实现上述目的，本实用新型提供一种阵列式光电探测装置，包括：光电探测器阵列，包括沿着光入射方向堆叠成阵列且彼此绝缘的多个pin半导体光电探测器，多个pin半导体光电探测器用于收集光信号并将其转换成多个电信号；信号处理模块，用于采集多个电信号并进行叠加以获得检测信号。

优选地，信号处理模块包括：asic芯片，用于对多个电信号进行放大和整形；模数转换器，与asic芯片连接，用于将放大和整形后的多个电信号转换为多个数字信号；数字信号处理器，与模数转换器连接，用于对多个数字信号进行叠加处理，得到检测信号。

优选地，信号处理模块还包括与数字信号处理器连接的pc(个人电脑)。

优选地，沿着光入射方向，pin半导体光电探测器包括依次层叠设置的隔离层、第一硅死层、硅灵敏层和第二硅死层。

优选地，隔离层为聚四氟乙烯层。

优选地，硅灵敏层的表面形状为圆形或多边形。

优选地，硅灵敏层的表面形状为正多边形，且正多边形的边数至少为八个。

本实用新型提供的阵列式光电探测装置，将多个pin半导体光电探测器彼此绝缘串接在一起形成光电探测器阵列，使构成的阵列式光电探测装置的灵敏度较单个pin半导体光电探测器可以得到有效提高，再通过信号处理模块将每个pin半导体光电探测器所输出的电信号进行叠加，使阵列式光电探测装置的灵敏度得以进一步提升。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了单一pin半导体光电探测器的结构示意图；

图2示出了光电探测器阵列的结构示意图；

图3示出了阵列式光电探测装置的工作原理示意图；

图4示出了信号处理模块的结构示意图。

附图标记说明：

100-光电探测器阵列；110-pin半导体光电探测器；

111-隔离层；112-第一硅死层；

113-硅灵敏层；114-第二硅死层；

200-信号处理模块；210-asic芯片；

220-模数转换器；230-数字信号处理器；

240-pc。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

图1示出了单一pin半导体光电探测器的结构示意图；图2示出了光电探测器阵列的结构示意图；图3示出了阵列式光电探测装置的工作原理示意图。如图1至图3所示，本实施例提供一种阵列式光电探测装置，包括光电探测器阵列100和信号处理模块200。

光电探测器阵列100包括沿着光入射方向(即沿着图3中箭头指示的方向)堆叠成阵列且彼此绝缘的多个pin半导体光电探测器110；pin半导体光电探测器110用于收集光信号并将其转换成电信号。信号处理模块200用于分别采集前述多个pin半导体光电探测器110所发出的电信号并将采集到的多个电信号进行叠加以获得检测信号。

本实施例通过图2和图3示出了由四个pin半导体光电探测器110所组成的光电探测器阵列100；在其他实施例中，pin半导体光电探测器110的数量可以根据测量或研究等实际使用需要设置为其他个数。

本实施例对于pin半导体光电探测器110不做特别限定，可以是本领域常规的硅pin半导体光电探测器。优选地，如图1所示，沿着光入射的方向(即沿着图1中箭头指示的方向)，pin半导体光电探测器110包括依次层叠设置的隔离层111、第一硅死层112、硅灵敏层113和第二硅死层114，即在传统硅pin半导体光电探测器的基础上增设了朝向光入射方向的隔离层111。

在pn结中，由于载流子浓度的梯度，空穴、电子会通过扩散作用分别向掺杂浓度低的n区、p区移动。pn交界面处空穴与电子复合，剩余的正负离子产生一个内在电场。这个电场会使载流子发生漂移运动，这一运动与扩散的方向正好相反，二者会达成动态平衡。这两种作用的结果是在pn结处形成一个电子、空穴都很稀少的耗尽层，即硅灵敏层113。耗尽层的作用是沉积能量。耗尽层的两侧为硅死层，硅死层的作用是对入射光进行筛选，需要进行测量的入射光可穿透硅死层，不需要进行测量的入射光则被反射回去而无法穿透硅死层。

本实施例中，为方便区分硅灵敏层113两侧的硅死层，将相对更靠近隔离层111的硅死层命名为第一硅死层112，将另一硅死层命名为第二硅死层114。在pin半导体光电探测器110工作时，γ射线(图1中箭头的方向代表γ射线入射的方向)依次穿过隔离层111和第一硅死层112到达硅灵敏层113。

通过在传统硅pin半导体光电探测器的基础上增设了隔离层111，因此上述pin半导体光电探测器110，实际为效率增强型pin半导体光电探测器，γ射线从隔离层111进入传统硅pin半导体光电探测器内，在其中产生的次级电子穿过第一硅死层112而将能量沉积在硅灵敏层113，提高了pin半导体光电探测器110的灵敏度。

在计算上述效率增强型pin半导体光电探测器的绝对灵敏度时，可以采用蒙特卡罗方法，应用mcnp程序分析计算传统硅pin半导体光电探测器和效率增强型pin半导体光电探测器的γ绝对灵敏度，进而得到效率增强型pin半导体光电探测器的增强效果。根据次级电子在硅灵敏层113沉积的能量ed，可以得到效率增强型pin半导体光电探测器的γ绝对灵敏度s(eγ)：

s(eγ)＝(ede×10⁶)/(eγeep)，c/mev

其中，e为电子电荷，eep为硅中产生一对电子空穴对所需能量，eγ为入射γ射线能量，具体的，e＝1.6×10^-19c，eep≈3.67ev。

通过在传统硅pin半导体光电探测器的基础上增设了隔离层111，则在光电探测器阵列100中，相当于每相邻两个传统硅pin半导体光电探测器之间以隔离层111隔开，因此，本实施例中，可以通过隔离层111实现pin半导体光电探测器110之间的彼此绝缘。具体的，隔离层111为聚四氟乙烯层，即隔离层111的材质为聚四氟乙烯。当然，隔离层111也可以选择其它绝缘材料。

本实施例对于硅灵敏层113的厚度以及硅灵敏层113表面(即灵敏面)的形状、尺寸不做特别限定，比如灵敏面可以为圆形，其直径为等；当然灵敏面也可以为多边形，比如六边形。硅灵敏层113的厚度也可以是传统硅pin半导体光电探测器中耗尽层的常规厚度。

优选地，硅灵敏层113的表面形状为正多边形，比如灵敏面为正六边形、正八边形、正十二边形，尤其可以是边数不少于八个的正多边形，比如正八边形、正九边形、正十边形、正十二边形。图2所示的光电探测器阵列100中，pin半导体光电探测器110的灵敏面采用正八边形(或可称为八角形)的设计。采用八角形的设计，比传统六边形的设计增大了灵敏面积，比传统圆形灵敏面的设计降低了制作工艺的难度。

当然，第一硅死层112、第二硅死层114以及隔离层111的形状和尺寸最好均与硅灵敏层113表面的形状和尺寸保持一致。

进一步参考图2和图3，多个pin半导体光电探测器110沿光入射方向堆叠起来而形成光电探测器阵列100，且相邻pin半导体光电探测器110之间彼此绝缘，入射光先后与各pin半导体光电探测器110中的隔离层111的聚四氟乙烯作用后继续与对应传统硅pin半导体光电探测器作用，使每个pin半导体光电探测器110均产生输出信号，例如图3中四个pin半导体光电探测器110的输出信号分别记为out1至out4；信号处理模块200对上述输出信号out1至out4进行采集和叠加，得到阵列式光电探测装置的检测信号outsum。

在测点注量率相同的情况下，辐射使pin半导体光电探测器110输出的线性电流越大，探测器对应的灵敏度越高。采用某种电路方式将这些输出电流以某种方式叠加在一起，理想的效果可以达到总的电流输出为i1+i2+……，而多个pin半导体光电探测器110所组合形成的光电探测器阵列100与单一pin半导体光电探测器110所测量的注量率是相同的，而阵列式光电探测装置的总输出电流是多个pin半导体光电探测器110输出电流的某种叠加，因此阵列式光电探测装置的线性电流将大于单一pin半导体光电探测器110的线性电流，当然对应的灵敏度也得以提高。

由于outsum是多个pin半导体光电探测器110输出信号out1至out4经过叠加后的输出信号，因此阵列式光电探测装置的灵敏度的提高情况除了与构成光电探测器阵列100的单一pin半导体光电探测器110的灵敏度有关，还与信号处理模块200有关。

图4示出了信号处理模块的结构示意图。如图4所示，在一种可选的实施方式中，信号处理模块200具体包括asic(applicationspecificintegratedcircuit，专用集成电路)芯片210、模数转换器(analogtodigitalconverter，adc)220以及数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)230。

asic芯片210是用于供专门应用的集成电路芯片。asic芯片210主要包含了电荷灵敏前置放大器和能量测试通路。电荷灵敏前置放大器采用cascode(共源-共栅级)结构，与通常运放中采用的差分输入和两级放大结构相比，cascode结构单级就可以获得较大的开环增益(>60db)，并且在相同偏置电流下，其输入端等效电压噪声只有差分输入级的1/2。

能量测试通路包括主放(用于信号的放大成形)和track&hold电路(用于单路能量信号的保持和输出)。从pin半导体光电探测器110发出到的电信号被asic芯片210接收，先经过asic芯片210的电荷灵敏前置放大器，完成对pin半导体光电探测器110输出的正负极性电荷的收集。经过前置放大器后，再将信号送到能量测试通路中进行信号的放大和整形。

具体的，asic芯片210的数量可根据光电探测器阵列100中pin半导体光电探测器110的数量及选用的asic芯片210的通道数共同决定。比如asic芯片210为单通道，则asic芯片210的数量与pin半导体光电探测器110的数量一致且二者一一对应；再比如asic芯片210为多通道，则每一asic芯片210可对应多个pin半导体光电探测器110。

模数转换器220是将模拟信号转变为数字信号的电子元件。模数转换是进行数字信号处理的第一步。经由asic芯片210放大和整形后的模拟信号送入模数转换器220，并被转换为数字信号。

数字信号处理器230是一种进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。由模数转换器220输出的数字信号送入数字信号处理器230进行叠加处理，可以得到阵列式光电探测装置的总输出outsum。

参考图1至图4，本实施例中，阵列式光电探测装置的工作过程大致归纳如下：

光电探测器阵列100的多个pin半导体光电探测器110对入射光进行探测，并将光信号转换成电信号输出，分别得到输出信号out1、out2、out3和out4。

信号处理模块200中，asic芯片210接收多个pin半导体光电探测器110的输出信号out1至out4，多个输出信号先经过asic芯片210的电荷灵敏前置放大器，完成对输出信号out1至out4的正负极性电荷的收集，然后再通过能量测试通路进行信号的放大和整形。

经由asic芯片210放大和整形后的多个模拟信号送入模数转换器220，并分别被转换为数字信号。由模数转换器220输出的多个数字信号送入数字信号处理器230进行叠加处理，最终得到阵列式光电探测装置的检测信号outsum。

在另一种可选的实施方式中，信号处理模块200包括依次连接的放大器(未图示)、整形器(未图示)、模数转换器220和数字信号处理器230。其中放大器和整形器分别用于对多个pin半导体光电探测器110所输出的电信号out1至out4进行放大和整形处理，模数转换器220用于将放大和整形处理后的多个电信号分别转换为数字信号；由模数转换器220输出的数字信号送入数字信号处理器230进行叠加处理，可以得到阵列式光电探测装置的总输出outsum。

进一步参考图4，阵列式光电探测装置的信号处理模块200还可以包括pc240，pc240与数字信号处理器230连接，用于接收由数字信号处理器230输出的检测信号outsum，并对检测信号outsum进行数字化或图像化处理和显示，以便于对检测信号outsum进行观察和分析。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。