具有改进的脉冲形状读出的固态光电倍增管的制作方法

本专利申请根据35 U.S.C. § 119要求临时专利申请序号62/053454(2014年9月22日提交，标题为“SOLID STATE PHOTOMULTIPLIER WITH IMPROVED PULSE SHAPE READOUT”)的优先权益，通过引用将其完整公开结合到本文中。

背景技术：

固态光电倍增管(SSPM)(通常又称作微像素光子计数器(MPPC)或者微像素雪崩光电二极管(MAPD))越来越普遍地用作光电传感器。例如，SSPM用于基于闪烁器的核检测器。通常，SSPM实现为硅光电倍增管(SiPM)。硅光电倍增管(SiPM)是雪崩光电二极管的多像素阵列，雪崩光电二极管具有在共同衬底上接合在一起并且对共同负载进行工作的数量高达数千的独立微像素(通常大小为10-100微米)。各像素具备大约10⁶的增益来检测光电子。

按常规，SSPM像素的输出连接到前端缓冲放大器，该前端缓冲放大器能够实现为跨阻抗放大器。使用这个常规布置能够产生来自SSPM的读出脉冲，该读出脉冲具有呈现快上升时间(例如< 1 ns)和较慢下降时间(例如10-50 ns)的读出脉冲形状。但是，发明人观察到，随着SSPM的大小增加，读出脉冲形状响应因与各SSPM像素的固有阻抗相结合的增加的寄生电容和电感而显著降级。

因此，发明人提供一种改进的固态光电倍增管。

技术实现要素：

本文提供固态光电倍增管的实施例。在一些实施例中，固态光电倍增管可包括多个像素，其中多个像素的各像素包括：多个子像素；以及缓冲放大器的第一集合，其中缓冲放大器的第一集合的各缓冲放大器分别耦合到多个子像素的子像素。

在一些实施例中，硅光电倍增管阵列可包括：多个子像素，分组设置以形成像素；多个缓冲放大器，分别耦合到多个子像素；以及多个二级缓冲放大器，其中各组子像素耦合到多个二级缓冲放大器的二级缓冲放大器。

在一些实施例中，一种用于监测固态光电倍增管的方法可包括：监测固态光电倍增管的多个子像素的参数，其中多个子像素分组设置以形成像素，并且各子像素具有与其耦合的缓冲放大器；确定是否需要停用多个子像素的子像素或者调整子像素的缓冲放大器的V_bias或增益中的至少一个；以及向缓冲放大器提供信号以停用子像素或者调整缓冲放大器的V_bias或增益中的至少一个。

参照附图和详细描述将会进一步了解本发明的实施例的以上和其他特征。

附图说明

通过参照附图阅读以下详细描述，将会更好地了解本公开的这些及其他特征、方面和优点，附图中，相似标号通篇表示相似部件，其中：

图1示出按照本发明的一些实施例的示范固态光电倍增管(SSPM)阵列的一部分。

图2示出按照本发明的一些实施例的基于SSPM的检测器的示范实施例的框图。

图3示出按照本发明的一些实施例的示范SSPM的一部分。

图4示出图3所示SSPM的部分的部分电气示意图。

图5示出按照本发明的一些实施例的示范SSPM的一部分。

图6示出图5所示SSPM的部分的部分电气示意图。

图7示出按照本发明的一些实施例的示范SSPM的一部分。

图8是示出按照本发明的一些方面的缓冲放大器的电压和/或偏置的调整的流程图。

图9是作为V_bias的函数的增益的第一温度曲线(T1)和第二温度曲线(T2)的图形图示。

图10示出按照本发明的一些实施例的SSPM的一部分的示范反馈环路。

除非另加说明，否则本文所提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可适用于包括本公开的一个或多个实施例的大量系统。因此，附图并不意在包括本领域的技术人员已知的、实施本文所公开实施例所需的所有常规特征。

具体实施方式

本发明的示范实施例针对改进固态光电倍增管(SSPM)的功能性。在一些实施例中，发明的SSPM可包括在子像素级的一个或多个缓冲放大器。此外，可复用缓冲放大器，由此提供上述有益效果，而无需增加读出电子器件的数量或者系统的复杂度。在一些实施例中，缓冲放大器可被监测和/或调整以补偿温度和过程不均一性，或者被停用以关断出故障或失灵的子像素。

图1示出按照本发明的一些实施例的示范SSPM阵列110(例如SiPM)的一部分。阵列110能够包括像素区域112，以及各像素区域112能够包括SSPM(像素114)。各像素114能够由微单元116的阵列来形成。形成像素114的微单元116能够实现为二维阵列，该二维阵列具有例如从大约10至大约100微米的指定尺寸以及例如大约100至大约10000个/平方毫米的指定空间密度。在一些实施例中，SSPM阵列110能够结合到高能量检测器、例如基于闪烁器的检测器中，或者能够用于检测单光子或者任何其他光脉冲(多个光子)。

图2示出包括图1的像素114的一个或多个的检测器的示范实施例。检测器能够在核检测器(例如X射线成像系统)和/或光学检测器(例如光检测器)中实现。像素的各微单元116能够由工作在盖革模式的雪崩光电二极管(APD)218和雪崩元件220来形成。在示范实施例中，微单元116的APD 218能够使用一个或多个半导体材料(例如硅(Si)、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、砷化铟镓(InGaAs)、氮化镓、碲镉汞(MCT)和/或(一个或多个)任何其他适当材料)来形成。在一个实施例中，微单元116的阵列能够在单个半导体衬底上形成，以形成像素114。

微单元116中的各APD 218能够具有例如大约20至大约2000伏特的击穿电压(V_br)，以及偏置电压224能够施加到微单元116，以便按照具有过电压(V_ov)(即，偏置电压V_bias与击穿电压V_br之间的差)的反向偏置模式来配置APD 218。反向偏置APD 218能够具有在低于击穿的偏置电压下产生于APD中的雪崩效应的大约100至大约1000的内部电流增益。当它们工作在盖革模式时，各微单元116的增益与微单元的过电压和电容成比例。

各微单元116中的雪崩元件220能够串联设置在偏置电压与APD 218之间或者APD 218与公共读出总线232之间，并且能够操作以确保APD 218在检测到光子之后转变到静止状态。在示范实施例中，雪崩元件能够是电阻器、晶体管、电流控制源和/或在APD 218检测到光子之后使APD 218转变成静止状态的一个或多个任何适当装置。微单元116相互并联连接，并且共用公共偏置电压和公共读出端子。各微单元116的输出用来生成像素114的输出222，该输出222能够由读出电子器件230来处理。

微单元116的输出能够从像素114输出并且经由缓冲放大器226来处理。像素114的输出222能够采取一个或多个电脉冲(“读出脉冲”)的形式。读出脉冲能够具有关联放电时间(读出脉冲的幅值在该放电时间增加)和关联再充电时间(读出脉冲的幅值在该再充电时间减小)。

幅值在再充电时间减小的速率(即，再充电速率)一般能够通过与SSPM的APD 218关联的电容以及雪崩元件220的阻抗来确定。例如，当雪崩元件是电阻器时，速率能够通过APD 218的电容和雪崩电阻器的电阻所形成的RC时间常数来定义。在SSPM的常规读出配置中，时间常数能够使读出脉冲的再充电部分具有长尾部(例如大约10-50 ns)。

在一些实施例中，频率相关输入阻抗电路228能够设置在像素114的输出222与缓冲放大器226的输入之间，以提供频率相关阻抗。在一些实施例中，频率相关输入阻抗电路228能够是缓冲放大器226的组成部分。当存在时，输入阻抗电路228能够配置成对读出脉冲的再充电部分进行整形。例如，输入阻抗电路228能够用来控制在缓冲放大器226的输入除所接收的电压，以便使来自像素114的读出脉冲的再充电部分的放大为最小。

如上所述，缓冲放大器226接收来自像素114的输出。在一些实施例中，缓冲放大器能够实现为跨阻抗放大器。缓冲放大器能够向缓冲放大器226下游的读出电子器件230输出放大信号，以供读出电子器件230(其能够包括放大器、模数转换器和/或任何其他适当电子器件)进一步处理。

在常规SSPM/像素114配置中，微单元116的输出能够以单个累加信号(例如以上针对图1和图2所述)从像素114输出到缓冲放大器226。但是，发明人观察到，随着像素114的大小增加，提供给读出电子器件的所产生读出脉冲降级。虽然不是意在通过理论来限制，但是发明人认为，这种降级可通过与各像素114及关联封装的固有阻抗相结合的增加的寄生电容和电感所引起。

因此，在一些实施例中，各像素114还可划分为子像素302，其中各子像素302耦合到相应缓冲放大器304，例如图3所示。如本文所使用的子像素302和缓冲放大器304的耦合可包括本领域已知的任何已知耦合机制，例如经由独立导电元件的耦合或者子像素302的制作期间将缓冲放大器304集成到子像素302中。

像素114可划分为适合促进像素114的改进的脉冲形状响应的任何数量的子像素302。例如，参照图3的单像素114的部分视图，在一些实施例中，各像素114可包括四个或更多子像素302，子像素302各具有与其耦合的相应缓冲放大器304。参照图4，在这类实施例中，缓冲放大器304可相互并联耦合，并且具有单个输出402，以便向阵列的一个或多个其他组件(例如，读出电子器件230、阻抗电路228、阵列级缓冲放大器226等)来提供经处理的信号。按照这种方式耦合缓冲放大器304允许包含缓冲放大器304，而无需增加读出电子通道的数量和系统复杂度。

在一些实施例中，缓冲放大器可经由一个或多个二级或三级缓冲放大器来复用或者一起编组。例如，参照图5，在一些实施例中，缓冲放大器304的编组502可耦合到二级缓冲放大器504。缓冲放大器304可按照适合促进改进阵列的读出脉冲形状的任何方式来编组。例如，缓冲放大器304的各编组502可包括来自一个子像素302或者多于一个子像素302的缓冲放大器304。

参照图6，在一些实施例中，二级缓冲放大器504可相互并联耦合，具有单个输出602，以便向阵列的一个或多个其他组件(例如，读出电子器件230、阻抗电路228、阵列级缓冲放大器226等)来提供经处理的信号。

虽然图6中仅示出缓冲放大器的两级(缓冲放大器304和二级缓冲放大器504)，但是要理解，任何级数可用来促进改进阵列的读出脉冲形状。例如，在一些实施例中，二级缓冲放大器504可按照与缓冲放大器304相似的方式来编组，并且耦合到三级缓冲放大器(在604以虚像示出)或者缓冲放大器的第三集合。参照图7，在这类实施例中，缓冲放大器(例如缓冲放大器304、二级缓冲放大器504、三级缓冲放大器604等)可按照适合促进改进阵列的读出脉冲形状的任何方式来编组。例如，在一些实施例中，各编组502可包括耦合到二级缓冲放大器504的多个缓冲放大器304(例如，多于1个，例如2、4个等)，其中多个二级缓冲放大器504(例如，多于1个，例如2、4个等)可耦合到三级缓冲放大器604，例如图中所示。

在上述实施例的任一个中，缓冲放大器(例如缓冲放大器304、二级缓冲放大器504或三级缓冲放大器604)可经由本领域已知的任何过程来制作。例如，在一些实施例中，缓冲放大器将在通常用来制作SSPM阵列的一个或多个组件的半导体制作过程(例如CMOS、MOSFET等)的一个或的期间来产生。在这类实施例中，各个缓冲放大器的预期安置和耦合可经过结构的一层或多层中形成的各种特征来实现。另外，这类制作技术可促进在子像素、像素或阵列级将缓冲放大器集成到SSPM。

发明人观察到，由于过程和温度变化，各缓冲放大器(例如上述缓冲放大器304、504、604)的增益和/或SSPM阵列110的击穿电压(V_br)可改变，由此引入跨像素的增益和信号响应不均一性以及脉冲形状读出的降级。因此，在一些实施例中，可监测和/或调整SSPM子像素和缓冲放大器的各个的一个或多个参数，以便提供SSPM子像素与缓冲放大器之间的基本上均一的增益和信号响应。

例如，在一些实施例中，SSPM(例如上述像素114)/SPAD(例如击穿电压(V_br))与缓冲放大器之间的基本上均一的增益可以是合乎需要的，以便促进改进信号响应均一性。在这类实施例中，可通过改变缓冲放大器所提供的阳极电压或者缓冲放大器的增益的直接调整，来促进增益调整。这类调整可通过本领域已知的任何适当机制来实现。在一些实施例中，调整可作为集成反馈环路(例如利用反馈电路)的函数来执行，因而提供用于提供SPPM与缓冲放大器之间的均一性的自动化系统。在上述实施例的任一个中，在校准各缓冲器和子像素的增益之后，可保持增益，以及可使用具有与反馈电路中的V_br基本上相似的温度系数(TempCo)的组件来监测和补偿。

发明人还观察到，像素的温度的变化可引起像素所提供的信号的失灵或降级。因此，在一些实施例中，可调整V_bias和/或增益，以补偿子像素的温度变化。温度可经由适合准确检测温度的任何机制(例如以下针对图10所述的传感器)来感测。一旦温度信息被提取并且转换成电信号，反馈控制电路可自动调整缓冲放大器的增益，以补偿闪烁器所引起的影响以及因温度变化引起的V_br变化。例如，参照如图9所示作为V_bias函数的增益的第一温度曲线(T1)和第二温度曲线(T2)的图形图示，可通过在保持恒量增益(例如G1)的同时调整V_bias(例如从V1到V2)或者在保持恒量V_bias(例如V1)的同时调整放大器的增益(例如从G1到G2)，来促进或补偿从T1到T2的偏移。

在一些实施例中，温度的监测和V_bias和/或增益的调整可以是连续的、例如诸如反馈环路的组成部分。例如，参照图10，在一些实施例中，像素114的温度可经由传感器1002连续监测，传感器1002又向缓冲放大器304提供反馈，以促进缓冲放大器304的增益或V_bias的调整，例如以上所述。

参照图8中用于监测SSPM 110的示范过程流程，在一些实施例中，可监测像素114或者子像素(例如上述子像素302)的一个或多个参数(在802示出)。一个或多个参数可包括指示SSPM的操作的任何参数，例如以上所述的参数(例如温度、V_bias、增益等)。随后，在804，确定是否需要调整像素114的V_bias和/或增益。如果不需要这种调整，则一个或多个参数可在802连续监测。如果需要调整，则调整的幅值在806来确定，并且提供给控制电路810。控制电路810然后处理与调整相关的信息，并且提供信号808，其指示这种调整。基于信号808，调整缓冲放大器304、504、226/604的增益或V_bias。

在一些实施例中，上述过程流程可以是连续的、例如诸如反馈环路的组成部分。虽然示为独立组件，但是要理解，控制电路810可在任一级(例如像素级、子像素级等)集成到阵列中。

因此，本文提供了改进的固态光电倍增管。在至少一些实施例中，发明的SSPM可包括在子像素级的一个或多个缓冲放大器，这与常规配置的SSPM相比，可有利地改进SSPM的脉冲形状读出。另外，在至少一些实施例中，可监测和/或调整缓冲放大器，以补偿温度和过程不均一性。

本文所公开的范围是包括两端的并且是可组合的(例如，“大约10-50 ns”的范围包含“大约10-50 ns”的范围的端点和所有中间值等)。“组合”包含混和、混合物、合金、反应产物等。此外，本文中的术语“第一”、“第二”等并不是表示任何顺序、量或重要性，而是用来区分一个元件与另一个元件，以及本文中的术语“一”、“一个”并不是表示量的限制，而是表示存在引用项的至少一个。与量结合使用的修饰语“大约”包含状态值，并且具有上下文所规定的含意(例如包括与特定量的测量关联的误差程度)。本文所使用的“(一个或多个)”意在包括它修饰的项的单数和复数，由此包括那个项的一个或多个(例如，(一个或多个)着色剂包括一个或多个着色剂)。说明书中通篇提到“一个实施例”、“一些实施例”、“另一个实施例”、“一实施例”等表示结合该实施例所述的具体元件(例如特征、结构和/或特性)包含在本文所述的至少一个实施例中，并且可以或者可以不存在于其他实施例中。另外要理解，所述元件在各个实施例中可按照任何适当方式相结合。

在描述示范实施例中，为了清楚起见而使用具体术语。为了便于描述，各具体术语意在至少包括按照与实现相似目的进行操作的全部技术和功能等效体。另外，在一具体示范实施例包括多个系统元件、装置组件或方法步骤的一些情况下，那些元件、组件或步骤可采用单个元件、组件或步骤来取代。同样，单个元件、组件或步骤可采用用于相同目的的多个元件、组件或步骤来取代。此外，虽然示范实施例参照其具体实施例来示出和描述，但是本领域的技术人员将会理解，形式和细节上的各种置换和变更可在其中进行，而没有背离本发明的范围。更进一步，其他方面、功能和优点也处于本发明的范围之内。