光子检测装置和堆叠硅光电倍增器的制造方法
【专利摘要】本申请案涉及一种光子检测装置和堆叠硅光电倍增器。一种光子检测装置包含第一晶片，其具有经分割为布置于所述第一晶片中的多个光子检测块的光子检测单元阵列。还包含第二晶片，其具有布置于其上的多个块读出电路。互连晶片安置于所述第一晶片与所述第二晶片之间。所述互连晶片包含具有大体上相等长度的多个导体。所述多个导体中的每一者耦合于所述第一晶片中的所述多个光子检测块中的对应一者与所述多个块读出电路中的对应一者之间，使得所述多个光子检测块中的每一者与所述多个块读出电路中的每一者之间的信号传播延迟大体上相等。
【专利说明】光子检测装置和堆叠硅光电倍增器
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及光电检测器，且更具体来说，本发明是针对硅光电倍增器。
【背景技术】
[0002]硅光电倍增器(SiPM)是一种类型的光电检测器，其能够检测低达单个光子的低强度信号。SiPM装置可在多种应用中使用，包含例如检测电离辐射或硅化。SiPM是半导体光敏装置，其由盖格(Geiger)模式光子检测单元阵列构成，所述光子检测单元例如为制造于娃衬底上的雪崩光电二极管(APD)。盖格模式APD在被光子撞击时产生具有相同振幅的脉冲。它们具有P-η结，所述p-n结经偏置高于击穿电压，使得每一电子-空穴对可触发雪崩倍增过程，所述过程致使光子检测单元的输出处的电流快速地达到其最终值。此雪崩电流持续直到使用猝熄元件来使雪崩过程猝熄为止。每一光子检测单元是个别光子计数器，且所有光子检测单元并联连接。SiPM的输出是由读出电路处理的所有光子检测单元的总和，且与输入光子脉冲成比例。
[0003]存在许多因素可影响SiPM的计时分辨率。随着SiPM中的光子检测单元阵列中的光敏装置的物理大小增加，由SiPM中的光子检测单元与读出电路之间的不同距离引起的不同信号传播延迟造成不希望的偏斜，其使计时分辨率降级。
【发明内容】
[0004]在一个实施例中，本申请案提供一种光子检测装置，其包括:第一晶片，其具有经分割为布置于所述第一晶片中的多个光子检测块的光子检测单元阵列；第二晶片，其具有布置于其上的多个块读出电路；以及互连晶片，其安置于所述第一晶片与所述第二晶片之间，其中所述互连晶片包含具有大体上相等长度的多个导体，其中所述多个导体中的每一者耦合于所述第一晶片中的所述多个光子检测块中的对应一者与所述多个块读出电路中的对应一者之间，使得所述多个光子检测块中的每一者与所述多个块读出电路中的每一者之间的信号传播延迟大体上相等。
[0005]在另一实施例中，本申请案提供一种堆叠硅光电倍增器，其包括:光子检测单元阵列，其经分割为安置于第一晶片上的多个光子检测块；多个块读出电路，其安置于接近所述第一晶片而堆叠的第二晶片中；以及多个导体，其具有大体上相等长度，其中所述多个导体中的每一者耦合于所述第一晶片上的所述多个光子检测块中的相应一者的输出与安置于所述第二晶片中的所述多个块读出电路中的相应一者的输入之间，使得所述多个光子检测块中的每一者与所述多个块读出电路中的每一者之间的信号传播延迟大体上相等。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]参见附图描述本发明的非限制性且非详尽实施例，其中在各图中相同参考数字指代相同部分，除非另外指定。
[0007]图1A是展示根据本发明的教示的实例性单光子检测单元的示意图。
[0008]图1B是展示根据本发明的教示的实例性光子检测块和块读出电路的示意图。
[0009]图2是展示根据本发明的教示的具有延迟均衡的实例性堆叠芯片SiPM的放置的三维图像。
[0010]图3是展示根据本发明的教示的实例性堆叠芯片SiPM的一部分的实例性横截面表示的示意图。
[0011]对应参考字符在附图的全部若干图中指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，图中的元件是为了简单和清楚而图解说明，且不一定按比例绘制。举例来说，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件而夸大，以帮助改善对本发明的各种实施例的理解。而且，经常不描绘在商业可行实施例中有用或必要的常见但众所周知的元件，以便有利于本发明的这些各种实施例的较无阻碍的视图。
【具体实施方式】
[0012]在以下描述中，陈述许多具体细节以便提供对本发明的详尽理解。然而所属领域的技术人员将了解，无需采用所述具体细节来实践本发明。在其它实例中，未详细描述众所周知的材料或方法，以避免混淆本发明。
[0013]贯穿本说明书对“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”的参考意味着结合所述实施例或实例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”、“在一实施例中”、“ 一个实例”或“ 一实例”贯穿本说明书在各处的出现不一定全部指代同一实施例或实例。此外，特定特征、结构或特性在一个或一个以上实施例或实例中可以任何合适的组合和/或子组合而组合。特定特征、结构或特性可包含在提供所描述功能性的集成电路、电子电路、组合逻辑电路或其它合适组件中。另外了解到，与本发明一起提供的图式是为了向所属领域的技术人员进行阐释的目的，且附图不一定按比例绘制。
[0014]根据本发明的教示的实例描述具有延迟均衡的经分割堆叠芯片SiPM。如将论述，根据本发明的教示，延迟均衡是通过具有堆叠芯片方案来实现，所述方案具有第一晶片上的光子检测单元阵列、第二晶片上的读出电路，以及将第一和第二晶片耦合在一起的互连曰曰曰/T ο
[0015]举例来说，在一个实例中，将光子检测单元阵列分割为形成于第一晶片上的多个光子检测块，其中所述检测块中的每一者耦合到第二晶片上的相应读出电路。所述多个光子检测块中的每一者包含多个光子检测单元，其中每一者可包含盖格模式雪崩光电二极管(APD)或单光子雪崩二极管(SPAD)。每一光子检测块中的光子检测单元的输出并联连接在一起。每一光子检测块输出表不每一光子检测块内的光子检测单兀的输出之和。多个块读出电路包含在第二晶片中且每一块读出电路耦合到相应光子检测块输出。光子检测块中的每一光子检测单元的输出与块读出电路的输入之间的金属互连件的长度大体上相等，其根据本发明的教示大体上均衡了信号传播延迟且减少了偏斜。在一个实例中，互连晶片提供了所述多个块读出电路中的每一者与光子检测块输出之间的电连接。
[0016]为了图解说明，图1A是展示根据本发明的教示的实例性单光子检测单元100的示意图。在一个实例中，光子检测单元100包含光子检测区110和猝熄元件120。光子检测区110耦合在光子检测单元输出130与猝熄元件120之间。猝熄元件120耦合在光子检测区110与电源140之间。在一个实例中，光子检测区110包含在SiPM装置中，所述SiPM装置在暴露于光子脉冲时在光子检测单元130的输出处产生雪崩电流。猝熄元件120用以使光子检测区的雪崩过程猝熄。在一个实例中，猝熄元件120可包含电阻器，从而得到无源猝熄电路。在其它实例中，猝熄元件120可包含电容器、电阻器和/或晶体管。
[0017]图1B是展示根据本发明的教示的耦合到块读出电路160的实例性光子检测块150的示意图。在图解说明的实例中，根据本发明的教示，光子检测块150是已从背侧照明(BSI)晶片的光子检测单元阵列100分割的多个光子检测块中的一者。如实例中所示，光子检测块150包含多个光子检测单元100。应注意，图1B中的光子检测单元100可为图1A的光子检测单元100的实例。因此应了解，下文参考的类似地命名和编号的元件是如上文所述而耦合且起作用。在一个实例中，来自光子检测块150的每一光子检测单元100的检测器单元输出130 (如例如在图1A中描述)通过金属互连件150—起并联耦合到微穿硅通孔(TSV) 154，所述微穿硅通孔耦合到光子检测块150的输出155。在一个实例中，将相应光子检测单元100耦合到光子检测块150的输出155的金属互连件152中的每一者具有大体上相等的金属长度，使得光子检测单元100中的每一者的输出与光子检测块输出155之间的信号传播延迟大体上相等。
[0018]在所描绘的实例中，将每一光子检测块150图解说明为包含16个光子检测单元100，以4x4阵列布置。在其它实例中，每一光子检测块150可包含以正方形、矩形、多边形形状或类似形状布置的2个或2个以上光子检测单元100。举例来说，在另一实例中，根据本发明的教示，具有5x5或更小的尺寸的正方形形状用于光子检测块150。
[0019]继续图1B中图解说明的实例，块读出电路160的输入经由光子检测块150的输出155耦合到光子检测块150。应注意在图1B中描绘的实例中，块读出电路160耦合到单光子检测块150。应了解，在其它实例中，根据本发明的教示，块读出电路160可耦合到两个或两个以上光子检测块150。
[0020]如所描述实例中先前提到，来自光子块150中的每一光子检测单元100的光子检测器输出130与穿硅通孔(TSV) 154和光子检测块输出155 —起并联耦合到块读出电路160的输入。如所描绘实例中所不，块读出电路160包含接地兀件161、第一放大器162、比较器163、逻辑块164和第二放大器165。如所描绘实例中所示，接地元件161耦合在光子检测块输出155与接地之间。第一放大器162的输入也I禹合到光子检测块输出155。第一放大器162的输出耦合到比较器163且与阈值电平TH166进行比较以确定是否检测到光子脉冲输入。比较器163的输出耦合到逻辑块164。在一个实例中，逻辑块164响应于比较器163的输出的信号处理而产生光子检测块150的数字输出Dott167。在一个实例中，根据本发明的教示，逻辑块164包含模/数转换器电路和时间/数字转换器以响应于比较器163的输出而确定检测到光子脉冲输入的时间。
[0021]如所描绘实例中所示，第二放大器165的输入耦合到第一放大器162的输出且提供光子检测块150的模拟经放大输出AQUT168。在各种实例中,第二放大器165的输出AQUT168可用于芯片上或芯片外模拟处理。在一个实例中，接地元件161可为电阻器。在其它实例中，接地元件161可耦合到不同于接地的电压。在再其它实例中，接地元件161是任选的且可省略。
[0022]图2是展示根据本发明的教示的具有延迟均衡的实例性堆叠芯片SiPM200的放置的三维图像。如所描绘实例中所示，堆叠芯片SiPM200包含第一晶片210、第二晶片220以及堆叠在第一晶片210与第二晶片220之间的互连晶片230，如图示。在图解说明的实例中，第一晶片210包含多个光子检测块211和212。在一个实例中，第一晶片210是背侧照明(BSI)晶片。因此，多个光子检测块211和212中的每一者是通过第一晶片210的背侧而照明。第二晶片220包含多个块读出电路221和222。应注意，为了简单起见，在图2的堆叠芯片SiPM200中图解说明仅两个光子检测块211和212以及两个块读出电路221和222，且根据本发明的教示，其它实例可包含数百或数千个光子检测块和块读出电路。在图解说明的实例中，每一块读出电路耦合到一个光子检测块。在其它实例中应了解，根据本发明的教示，每一块读出电路可耦合到两个或两个以上光子检测块。
[0023]如图2中图解说明的实例中所示，光子检测块211和212中的每一者的相应输出经由互连晶片230分别经由导体231和232耦合到对应块读出电路221和222的相应输入。在一个实例中，导体231和232包含金属。如实例中所示，导体231和232全部具有大体上相等的金属长度。因此，根据本发明的教示，多个光子检测块211和212中的每一者的输出与多个块读出电路221和222中的每一者的输入之间的信号传播延迟大体上相等。因此，根据本发明的教示，堆叠芯片SiPM200中的传播延迟均衡是通过以下方式实现:在第一晶片210的光子检测块与第二晶片220的块读出电路之间布置互连晶片230中的金属互连件，使得从光子检测块211和212中的每一光子检测单元到其相应块读出电路221和222的导体231和232的长度大体上相等。
[0024]图3是展示根据本发明的教示的实例性堆叠芯片SiPM300的一部分的实例性横截面表示的示意图。在所描绘实例中，图3中图解说明的堆叠芯片SiPM300的分区包含制造于第一晶片320上的光子检测块315。在所描绘的实例中，为了简单，将光子检测块315图解说明为包含仅四个光子检测单元311、312、313和314。应了解，在其它实例中，包含在堆叠芯片SiPM300中的光子检测块315可包含以4x4正方形形状布置的16个光子检测单元的阵列。在其它实例中，每一光子检测块315可包含以正方形、矩形、多边形形状或类似形状布置的两个或两个以上光子检测单元，例如具有5x5或更小的尺寸的正方形形状。
[0025]图3中所示的实例图解说明节点315，其表示第一晶片320与互连晶片330之间的互连点。如先前提到，根据本发明的教示，互连晶片330包含通孔和/或金属互连件的布置，其可经堆叠以提供耦合在制造于第一晶片320上的光子检测块315与制造于第二晶片350上的块读出电路340之间的一个或一个以上电连接325。在实例中，光子检测单元311的输出与节点316之间的金属互连的长度等于LI。类似地，光子检测单元312、313和314的输出与节点316之间的金属互连的相应长度分别等于L2、L3和L4。应了解，根据本发明的教示，虽然光子检测单元311、312、313和314的输出与节点316之间的金属互连在图3中不一定按比例绘制，但长度L1、L2、L3和L4全部大体上彼此相等。由此,根据本发明的教示，经由互连晶片330在第一晶片320中的光子检测单元311、312、313和314与第二晶片350中的对应块读出电路340之间大体上不存在传播延迟差异，这因此增加了 SiPM300的计时分辨率。
[0026]另外，应了解，在图解说明的实例中，存在大体上类似于图3中图解说明的实例分区的堆叠芯片SiPM300的额外分区。因此，根据本发明的教示，其它大体上类似分区中的每一者还包含具有大体上等于L1、L2、L3和L4的长度的对应金属互连件，使得经由互连晶片330在第一晶片320中的其它大体上类似分区的相应光子检测单元与第二晶片350中的对应块读出电路之间大体上不存在传播延迟差异。
[0027]本发明的所图解说明实例的以上描述，包含摘要中描述的内容，既定不是详尽的或不限于所揭示的精确形式。虽然本文为了说明性目的而描述本发明的特定实施例和实例，但在不脱离本发明的较宽精神和范围的情况下，各种等效修改是可能的。
[0028]鉴于以上详细描述可对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应阐释为将本发明限于在说明书和权利要求书中揭示的特定实施例。而是，范围将完全由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据已确立的权利要求解释的教条来阐释。因此本说明书和附图应视为说明性的而非限制性的。
【权利要求】
1.一种光子检测装置，其包括: 第一晶片，其具有经分割为布置于所述第一晶片中的多个光子检测块的光子检测单元阵列； 第二晶片，其具有布置于其上的多个块读出电路；以及 互连晶片，其安置于所述第一晶片与所述第二晶片之间，其中所述互连晶片包含具有大体上相等长度的多个导体，其中所述多个导体中的每一者耦合于所述第一晶片中的所述多个光子检测块中的对应一者与所述多个块读出电路中的对应一者之间，使得所述多个光子检测块中的每一者与所述多个块读出电路中的每一者之间的信号传播延迟大体上相等。
2.根据权利要求1所述的光子检测装置，其中所述互连晶片中的所述多个导体中的每一者具有大体上相等的金属长度。
3.根据权利要求1所述的光子检测装置，其中所述多个光子检测块中的每一者包含穿硅通孔TSV，所述TSV耦合到所述多个光子检测块中的每一者的相应输出。
4.根据权利要求1所述的光子检测装置，其中所述多个光子检测块中的每一者包含具有大体上相等长度的多个金属互连件，所述多个金属互连件耦合于所述光子检测单元中的每一者与所述多个光子检测块中的每一者的相应输出之间。
5.根据权利要求1所述的光子检测装置，其中所述光子检测单元中的每一者包括耦合到猝熄元件的光子检测区。
6.根据权利要求1所述的光子检测装置，其中所述光子检测单元中的每一者包括耦合到猝熄元件的单光子雪崩二极管SPAD。
7.根据权利要求1所述的光子检测装置，其中所述第一晶片是背侧照明BSI晶片，使得所述多个光子检测块中的每一者是通过所述第一晶片的背侧照明。
8.根据权利要求1所述的光子检测装置，其中所述多个块读出电路中的每一者包括: 第一放大器，其具有耦合到来自所述第一晶片的所述多个光子检测块中的相应一者的输入；以及 比较器，其经耦合以将所述第一放大器的输出与阈值电平进行比较以确定是否检测到光子脉冲输入。
9.根据权利要求8所述的光子检测装置，其中所述多个块读出电路中的每一者进一步包括逻辑块，所述逻辑块耦合到所述比较器的输出以产生数字输出。
10.根据权利要求9所述的光子检测装置，其中所述逻辑块包括模/数转换器电路，所述模/数转换器电路耦合到时间/数字转换器以响应于比较器的所述输出而确定检测到所述光子脉冲输入的时间。
11.根据权利要求1所述的光子检测装置，其中所述多个块读出电路中的每一者包括第二放大器，所述第二放大器耦合到所述第一放大器的输出以提供模拟放大输出。
12.—种堆叠硅光电倍增器，其包括: 光子检测单元阵列，其经分割为安置于第一晶片上的多个光子检测块； 多个块读出电路，其安置于接近所述第一晶片而堆叠的第二晶片中；以及 多个导体，其具有大体上相等长度，其中所述多个导体中的每一者耦合于所述第一晶片上的所述多个光子检测块中的相应一者的输出与安置于所述第二晶片中的所述多个块读出电路中的相应一者的输入之间，使得所述多个光子检测块中的每一者与所述多个块读出电路中的每一者之间的信号传播延迟大体上相等。
13.根据权利要求12所述的堆叠硅光电倍增器，其进一步包括堆叠于所述第一晶片与所述第二晶片之间的互连晶片，其中所述多个导体包含于所述互连晶片中。
14.根据权利要求12所述的堆叠硅光电倍增器，其中所述多个光子检测块中的每一者包含穿硅通孔TSV，所述TSV耦合到所述多个光子检测块中的每一者的相应输出。
15.根据权利要求12所述的堆叠硅光电倍增器，其中所述多个光子检测块中的每一者包含具有大体上相等长度的多个金属互连件，所述多个金属互连件耦合于所述光子检测单元中的每一者与所述第一晶片上的所述多个光子检测块中的相应一者的输出之间。
16.根据权利要求12所述的堆叠硅光电倍增器，其中所述光子检测单元中的每一者包括耦合到猝熄元件的光子检测区。
17.根据权利要求12所述的堆叠硅光电倍增器，其中所述光子检测单元中的每一者包括耦合到猝熄元件的单光子雪崩二极管SPAD。
18.根据权利要求12所述的堆叠硅光电倍增器，其中所述第一晶片是背侧照明BSI晶片，使得所述多个光子检测块中的每一者是通过所述第一晶片的背侧照明。
19.根据权利要求12所述的堆叠硅光电倍增器，其中所述多个块读出电路中的每一者包括: 第一放大器，其具有耦合到来自所述第一晶片的所述多个光子检测块中的相应一者的输入；以及 比较器，其经耦合以将所述第一放大器的输出与阈值电平进行比较以确定是否检测到光子脉冲输入。
20.根据权利要求19所述的堆叠硅光电倍增器，其中所述多个块读出电路中的每一者进一步包括逻辑块，所述逻辑块耦合到所述比较器的输出以产生数字输出。
21.根据权利要求20所述的堆叠硅光电倍增器，其中所述逻辑块包括模/数转换器电路，所述模/数转换器电路耦合到时间/数字转换器以响应于比较器的所述输出而确定检测到所述光子脉冲输入的时间。
22.根据权利要求12所述的堆叠硅光电倍增器，其中所述多个块读出电路中的每一者包括第二放大器，所述第二放大器耦合到所述第一放大器的输出以提供模拟放大输出。
【文档编号】H01L31/02GK104377250SQ201410005758
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2013年8月12日
【发明者】艾瑞克·A·G·韦伯斯特 申请人:全视科技有限公司