集成制冷的单光子雪崩光电二极管器件的制作方法

本发明属于单光子探测器领域，具体涉及一种集成制冷的单光子雪崩光电二极管器件。

背景技术：

单光子雪崩光电二极管是一种基于半导体材料的单光子探测器件，能实现对单个光子能量的检测，可以应用于量子通信、真随机数发生器、生物荧光探测、dna测序、用于蛋白质折叠的forster谐振能量转换、激光雷达、光时域反射计、单分子光谱分析、荧光寿命测量，以及用于医疗的扩散光学层析等领域。单光子雪崩光电二极管的工作原理是：当一个光子在二极管吸收区被吸收后，会产生初始电子空穴对，然后在电场的作用下，电子或空穴被输运到倍增区产生持续放大，从而产生可以被观测到的宏观电信号。目前，单光子雪崩光电二极管主要基于si、ingaas以及ge等几种材料。

通常情况下，为了抑制噪声以获得更好的单光子灵敏度，需要对单光子雪崩光电二极管进行制冷。根据半导体材料体系不同、器件本身的特性以及实际使用环境的要求，制冷温度通常在-70℃到-20℃。普通的单光子雪崩光电二极管器件通常采用to(transistoroutline，晶体管外形)封装，在使用时需要利用安装夹具将其固定在制冷器冷端面，然后将器件和制冷器整体密封。由于to封装的原因，单光子雪崩光电二极管芯片只能通过to封装外壳的管壁进行热传递，制冷效率不高。这就要求使用功率和体积都较大的制冷器。同时to封装后的雪崩光电二极管器件通常需要将管脚焊接到电路板上使用，因此密封装置不但要为电路板预留一定空间，也要为安装操作过程留出冗余空间。因此，整个密闭装置的体积大、功耗高，不利于小型化，使用也不够方便。

技术实现要素：

本发明提供一种集成制冷的单光子雪崩光电二极管器件，以解决目前采用to封装的单光子雪崩光电二极管器件来制造单光子探测器件时存在的体积大、功耗高且使用不方便的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种集成制冷的单光子雪崩光电二极管器件，包括壳体，所述壳体内的底部与制冷器的热端面连接，所述制冷器的冷端面上设置有陶瓷基板，所述陶瓷基板上设置有电路布线并安装了单光子雪崩光电二极管芯片，所述单光子雪崩光电二极管芯片与所述电路布线连接，所述单光子雪崩光电二极管芯片光敏面与穿入所述壳体的光纤组件正对耦合，所述电路布线的末端延伸至所述陶瓷基板的边沿，所述壳体上设置有与所述电路布线的末端对应的开孔，引脚通过所述开孔穿入所述壳体，与所述电路布线的末端连接，所述单光子雪崩光电二极管芯片在接收到所述光纤组件传输过来的单光子后所产生的电信号依次通过所述电路布线和引脚传输出去；并且所述单光子雪崩光电二极管芯片通过所述陶瓷基板将热量传输给所述制冷器进行制冷。

在一种可选的实现方式中，所述单光子雪崩光电二极管芯片和所述电路布线的连接处设置在所述陶瓷基板的侧壁，所述电路布线沿着所述陶瓷基板的侧壁通过所述陶瓷基板的上表面，延伸至所述陶瓷基板上表面的边沿；对应地，所述开孔设置在所述壳体的侧壁，以使通过所述开孔穿入所述壳体的引脚与所述电路布线的末端连接。

在另一种可选的实现方式中，所述陶瓷基板与所述制冷器之间设置有金属层。

在另一种可选的实现方式中，所述陶瓷基板的上表面还设置有热敏电阻。

在另一种可选的实现方式中，所述光纤组件包括金属化外包层以及穿设在所述金属化外包层内的光纤，所述金属化外包层穿过所述壳体固定在所述制冷器上。

在另一种可选的实现方式中，所述金属化外包层分为金属化外包层前段、金属化外包层中段和光纤接头，所述金属化外包层前段通过安装夹固定在所述制冷器上，或者粘接或者焊接在所述制冷器上；所述金属化包层中段穿过固定在所述壳体侧壁；所述光纤接头用于外接光信号。

在另一种可选的实现方式中，所述金属化外包层前段和金属化外包层中段为一体的金属化包层段。

在另一种可选的实现方式中，所述金属化外包层与所述制冷器之间设置有支撑物，用于调整耦合对准高度。

在另一种可选的实现方式中，所述壳体上设置有与所述热敏电阻输出端对应的开孔，对应引脚通过所述开孔穿入所述壳体。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过改变单光子雪崩光电二极管芯片的封装结构，使封装后的单光子雪崩光电二极管器件具备了制冷的功能，用户在购买到该款单光子雪崩光电二极管器件后，直接将单光子雪崩光电二极管器件的引脚连接到电路板即可，使用非常方便，并且用户不必使用额外的制冷装置，也不必在制冷器所在密闭装置内执行安装操作，密闭装置不必为电路板预留空间，因而可以减小制冷器所在密闭装置的体积，密闭装置体积的减小将会使得制冷器的制冷效率提高，因而可以降低能耗；

2、本发明将单光子雪崩光电二极管芯片和电路布线的连接处设置在陶瓷基板的侧壁(而非顶部)，使光纤组件从壳体的侧面穿入对准单光子雪崩光电二极管，可以方便整个器件安装热沉，连接电路板；此外，本发明采用陶瓷基板作为电路布线的载体，一方面可以保证电信号的顺利输出，另一方面可以保证对单光子雪崩光电二极管制冷的顺利进行；

3、本发明在陶瓷基板与制冷器之间设置有金属层，可以使雪崩光电二极管产生的热量通过金属层快速传输给制冷器冷端面，提高对单光子雪崩二极管制冷效果；

4、本发明通过将热敏电阻设置在陶瓷基板的上表面，使用者可以根据热敏电阻的变化情况，对制冷器的制冷功率进行调节可以避免单光子雪崩二极管温度处于非设定值时而影响其正常工作；

5、本发明通过对光纤组件进行设计，可以保证光纤组件始终与雪崩光电二极管的光敏面正对耦合。

附图说明

图1是本发明集成制冷的单光子雪崩光电二极管器件的一个实施例结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是单光子雪崩光电二极管芯片、温敏电阻在陶瓷基板上安装的结构示意图；

图4是光纤组件的侧视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明集成制冷的单光子雪崩光电二极管器件的一个实施例结构示意图。结合图2和图3所示，该集成制冷的单光子雪崩光电二极管器件可以包括壳体5，所述壳体5内侧的底部与制冷器7的热端面连接，所述制冷器7的冷端面上设置有陶瓷基板6，所述陶瓷基板6上设置有电路布线并安装了单光子雪崩光电二极管芯片3，所述单光子雪崩光电二极管芯片3的光敏面与穿入所述壳体5的光纤组件1正对耦合，所述电路布线的末端延伸至所述陶瓷基板6的边沿，所述壳体5上设置有与所述电路布线的末端对应的开孔8，引脚9通过所述开孔穿入所述壳体5，与所述电路布线的末端连接，所述单光子雪崩光电二极管芯片3在接收到所述光纤组件1传输过来的单光子后，所产生的电信号依次通过所述电路布线和引脚9传输出去；并且所述单光子雪崩光电二极管芯片3通过所述陶瓷基板6将热量传输给所述制冷器7进行制冷。

本实施例中，制冷器7可以使用热电制冷器，壳体5气密封装，陶瓷基板6可以为氧化铝或氮化铝陶瓷基板，单光子雪崩光电二极管芯片3可以合金粘接或者倒装焊接在陶瓷基板上，引脚9与电路布线的末端之间可以通过压焊的金丝连接。在使用时，可以直接将外接光信号与光纤组件1的一端连接，然后将引脚9与电路板连接，由于引脚9与陶瓷基板6上电路布线末端对应，因此单光子雪崩光电二极管芯片3在探测到单光子后所产生的电信号可以依次通过电路布线、引脚9传输给电路板，从而实现单光子的探测。单光子雪崩光电二极管3在探测过程中产生的热量通过陶瓷基板6传输给制冷器7，从而实现单光子雪崩光电二极管3的制冷。

由上述实施例可见，本发明通过改变单光子雪崩光电二极管芯片的封装结构，使封装后的单光子雪崩光电二极管器件便自备制冷的功能，用户在购买到该款单光子雪崩光电二极管器件后，直接将单光子雪崩光电二极管器件的引脚连接到电路板即可，使用非常方便，并且用户不必使用额外的制冷器，也不用在制冷器所在密闭装置内执行安装操作，密闭装置不必为电路板预留空间，因而可以减小制冷器所在密闭装置的体积，密闭装置体积的减小将会导致制冷器的制冷效率提高，因而可以降低能耗。

另外，结合图2和图3所示，所述单光子雪崩光电二极管芯片3和所述电路布线的连接处设置在所述陶瓷基板6的侧壁，所述电路布线沿着所述陶瓷基板6的侧壁通过所述陶瓷基板6的上表面，延伸至所述陶瓷基板6上表面的边沿；对应地，所述开孔设置在所述壳体的侧壁，以使通过所述开孔穿入所述壳体的引脚与所述电路布线的末端连接。本发明将单光子雪崩光电二极管芯片和电路布线的连接处设置在陶瓷基板的侧壁(而非顶部)，使光纤组件从壳体的侧面穿入对准单光子雪崩光电二极管，可以方便整个器件安装热沉，连接电路板。由于制冷器位于单光子雪崩光电二极管的下方，电路布线位于单光子雪崩光电二极管的上方，如果仅仅让电路布线沿着陶瓷基板的侧壁延伸至陶瓷基板的边沿，则可能因电路布线中金属槽的导热能力优于陶瓷基板的导热能力，而导致雪崩光电二极管产生的大部分热量沿着金属槽传输，这样不仅会使单光子雪崩光电二极管无法正常散热，而且会对电信号的传输造成影响。本发明使陶瓷基板上的电路布线沿着陶瓷基板的侧壁通过陶瓷基板的上表面，延伸至陶瓷基板上表面的边沿，可以提高单光子雪崩光电二极管的制冷效果，并且可以降低单光子雪崩光电二极管散发出的热量对电信号传输的影响。此外，本发明采用陶瓷基板作为电路布线的载体，一方面可以保证电信号的顺利输出，另一方面可以保证散热的顺利进行。

本发明在所述陶瓷基板6与所述制冷器7之间设置有金属层。在金属层的作用下，雪崩光电二极管产生的热量会通过金属层快速传输给制冷器冷端面，提高热传导效率，从而可以降低能耗，提高对雪崩二极管制冷效果。

为了实现制冷器的制冷效果的自动控制，所述陶瓷基板6的上表面还设置有热敏电阻4。同样地，所述壳体5上设置有与所述热敏电阻4输出端对应的开孔，对应引脚9通过所述开孔穿入所述壳体5。在使用时，将该对应引脚9与电路板的控制端连接即可检测到热敏电阻的变化，使用者根据热敏电阻的变化情况，便可对制冷器7的制冷功率进行调节。通常情况下会认为热敏电阻距离单光子雪崩光电二极管芯片越近，越能准确地检测出单光子雪崩光电二极管芯片的温度变化情况，但是经申请人研究发现，当热敏电阻距离单光子雪崩光电二极管芯片很近时，热敏电阻很难检测出壳体内环境温度变化。本发明通过将热敏电阻设置在陶瓷基板的上表面，并基于热敏电阻的变化情况来对制冷器的制冷功率进行调节，可以避免单光子雪崩光电二极管处于非设定温度时影响其正常工作，并且可以提高单光子雪崩光电二极管芯片温度检测的精确度，提高制冷控制的灵敏度。

为了保证光纤组件始终与雪崩光电二极管的光敏面正对耦合，结合图4所示，所述光纤组件1可以包括金属化外包层以及穿设在所述金属化外包层内的光纤，所述金属化外包层穿过所述壳体5固定在所述制冷器7上。其中，所述外壳可以分为金属化外包层前段1.3、金属化外包层中段1.2和光纤接头1.1，所述金属化外包层前段1.3可以通过安装夹2固定在所述制冷器7上，或者粘接或者焊接在所述制冷器7上；所述金属化外包层中段1.2穿过并固定在所述壳体5侧壁上；所述光纤接头1.1用于外接光信号。所述金属化外包层前段1.3和金属化外包层中段1.2为一体的金属化包层段。此外，所述金属化外包层与所述制冷器之间设置有支撑物，用于调整所述金属化外包层的高度，以利于耦合对准。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。