固态光电倍增器装置的制作方法

本发明一般涉及固态光电倍增器（SSPM）装置，且更特定地，涉及操作在宽温度范围上的宽带隙SSPM。

在油井钻探产业中，当前有对伽马射线检测的需要。从地下持有氢（H）的化合物反射的高能量伽马射线可指示可能具有油的具体位点。能够检测此类射线的小的、强健的传感器是高度值得期待的，且对于严酷的井下（down-hole）环境（其中冲击级别接近250重力加速度（G）且温度可从室温以下到超过175摄氏度（℃）广泛地变化）是必要的。

若干当前技术利用包含与闪烁体在谱上匹配的光电倍增器管（PMT）的伽马传感器。闪烁体当被高能量辐射（诸如伽马辐射）激发时，发射UV或蓝光，且PMT被用来将UV或蓝光信号转换成可读级别的电子信号。然而，PMT具有负的温度系数。因而，在温度增加时，PMT变得不那么敏感。PMT常常要求高的操作电压，且当振动级别高时，还是易碎的并倾向于失效。对于某些应用（例如，在温度超过175℃，其中PMT具有小于50%的信号），PMT的寿命可变得过分地（prohibitively）短，因此急剧地抬升了使用它们的成本。

在固态雪崩光电二极管（APD）中，被检测的光子创建的载流子被应用的高电场加速到充分高的动能。它通过碰撞电离创建二次电荷对，从而导致高的增益。工作在线性模式中的APD可被用于一些油井钻探应用。然而，工作在线性模式的APD是非常温度敏感的，因此降低了检测器的敏感性以及能量分辨率。在盖革（Geiger）模式中，APD超出它的击穿电压被操作，导致进一步的碰撞电离和高的增益。单个APD可被限制在射线事件的检测、光汇集、以及检测区域中。在油井钻探应用中，区分低和高光子通量是期望的。APD的阵列能够检测多个光子并成比例扩大到更大的检测区域，但是可用的APD阵列是用硅半导体制造的，其在室温具有好的性能，但随温度的增加可迅速丢失它的敏感性。

因此，存在对具有一种装置的现有需要，该装置能够操作在广泛各种的温度级别（包含在高达或高于175℃的温度）而不带有检测信号的大的衰退。

技术实现要素：

本发明的实施例针对固态光电倍增器装置以及它工作的方法。

在一个实施例中，公开了一种在井下钻探应用中检测高能量辐射的方法。闪烁体通过暴露于所述高能量辐射来产生光子。这些光子被固态光电倍增器装置在大于大约175℃的温度检测，并由关联电子器件在大于大约175℃的温度进行处理来产生对应于所检测光子的信号。所述固态光电倍增器装置包含：多个微单元，其具有在25℃大于大约1.7 eV的带隙；集成抑制（quenching）装置，其与各个微单元的每一个相关联；以及薄膜涂层，其在每一个微单元的半导体表面上。

在一个实施例中，公开了一种方法。所述方法包含由固态光电倍增器装置在范围从大约-40℃到大约275℃的温度检测光子。所述固态光电倍增器装置包含：多个微单元，其具有在25℃大于大约1.7 eV的带隙；集成抑制装置，其与各个微单元的每一个相关联；以及薄膜涂层，其在每一个微单元的半导体表面上。

在一个实施例中，公开了一种方法。所述方法包含由固态光电倍增器装置在200℃或更多的温度变化上检测光子。所述固态光电倍增器装置包含：多个微单元，其具有在25℃大于大约1.7 eV的带隙；集成抑制装置，其与各个微单元的每一个相关联；以及薄膜涂层，其在每一个微单元的半导体表面上。

在一个实施例中，公开了一种用于检测光子的设备。所述设备包含具有多个微单元的固态光电倍增器装置，其中所述微单元具有在25℃大于大约1.7 eV的带隙。所述固态光电倍增器装置进一步包含关联于所述微单元的每一个的集成抑制装置，以及在每一个微单元的半导体表面上的薄膜涂层。本文中公开的所述固态光电倍增器装置在范围从大约-40℃到大约275℃的温度来操作。

附图说明

这些以及其它优势和特征将从本发明的优选实施例的以下详细描述更容易地被理解，所述详细描述关于附图被提供。

图1是依据本发明的一实施例的、包含固态光电倍增器装置的设备的透视图；

图2是依据本发明的一实施例的固态光电倍增器装置的示意图；

图3是依据本发明的一实施例的鉴别器的示意图；

图4是依据本发明的一实施例的带有集成多晶硅抑制电阻器的SSPM的个体微单元的示意图；以及

图5是依据本发明的一实施例的带有包含p-n结二极管的集成抑制装置的SSPM的个体微单元的示意图。

具体实施方式

现在将参考如在附图中所示出的本发明的示范实施例来更加详细地描述本发明的方面。尽管本发明在下面参考优选实施例被描述，但应当被理解的是，本发明并不受限于此。取得本文中教导的本领域中那些普通技术人员将认识到如本文中所公开并要求权利的本发明的范畴内的另外实现、修改、和实施例、以及其它使用的领域，以及相对于其，本发明能够具有显著效用。

在以下描述中，无论何时本发明的一实施例的特定方面或特征被称为包括组的至少一个元素以及其的组合或由组的至少一个元素以及其的组合组成，被理解为该方面或特征可或个体地、或以与那个组的其它元素中的任何元素相组合的方式来包括该组的元素中的任何元素或由该组的元素中的任何元素来组成。

在以下的说明书以及随附权利要求中，单数形式“一（a或an）”以及“该（the）”包含多个指示物，除非上下文以其它方式清楚地规定。

如本文中在说明书和权利要求中各处所使用的近似语言，可被应用来修饰任何定量的表示，所述任何定量的表示能够可容许地变化且不导致其所相关的基本功能中的改变。相应地，被术语或多个术语（诸如“大约”或“大体上”）修饰的值，可不被限制于所指定的精确值，且可包含与所指定的值不同的值。在至少一些实例中，近似语言可对应于用于测量该值的器械的精度。

本发明的方面针对用于在严酷的井下环境（其中冲击级别接近250重力加速度（G））中在油井钻探应用中使用的固态光电倍增器（SSPM）装置。进一步地，本文中描述的SSPM装置操作在较低的电压，且可操作在宽温度范围，对温度变化不那么敏感，且比常规使用的PMT更加可靠。

在图1中公开的示范实施例中，系统10可包含光子生成器12，其能够将高能量辐射14转变成光子16。光子生成器12可包含诸如闪烁体或磷光体的任何装置。SSPM装置20可被暴露于所生成的光子16来检测光子16，并将它们转变成电的或电子的信号（未示出），所述电的或电子的信号能够被关联的电子器件所检测，以确定所撞击（impinge）的高能量辐射的时间、能量以及位置。

所公开的SSPM装置配置成检测撞击光子，同时在宽温度窗口来操作，而没有光子检测能力的大体丢失。本文中公开的SSPM装置能够在从室温之下到高温（elevated temperature）的温度范围来操作，诸如，例如-50℃到275℃。在一个实施例中，SSPM装置配置成操作在-40℃到250℃的温度范围。

在一个实施例中，SSPM装置20配置成在高温（诸如，例如大于175℃）来操作。在本文中使用时，SSPM装置“配置成在大于175℃的温度来操作”，指的是装置能够在大于175℃的温度来操作，而不丢失其在小于175℃的温度来操作的能力。在进一步的实施例中，SSPM装置配置成在甚至大于200℃的温度来操作。在另一个实施例中，SSPM装置可被操作在室温以下的温度。在一个实施例中，SSPM可配置成在小于大约-40℃的温度来操作。

在一个实施例中，所公开的SSPM装置配置成检测撞击光子，同时在超过200℃的宽温度范围来操作，而没有光子检测能力的大体丢失。在本文中使用时，“检测光子，同时在超过200℃的宽温度范围来操作”，指的是装置的单个布置能够在该温度窗口中操作，而没有该装置的组成或布置对于该温度范围的任何子窗口的操作的任何大体变化。例如，在其一个配置中的装置可能够操作从-25℃到一直到175℃，而不需要替换任何它的部分或没有对装置的任何部分的额外保护的需要。在另一个示范实施例中，在其一个配置中的装置可能够操作从0℃到一直到200℃，而不需要替换任何它的部分或没有对装置的任何部分的额外保护的需要。

在本文中使用时，SSPM装置20“能够操作”或“配置成操作”在温度范围，指的是在公开的温度范围的任何温度窗口，在SSPM装置的活跃区域的峰值量子效率中没有大体的变化。SSPM装置的活跃区域在本文中被定义为该装置的光敏感区域。在该申请中的本文中使用时，如果在操作温度范围中的10℃温度窗口中在活跃区域的峰值量子效率中的变化多于邻近10℃温度窗口的峰值量子效率的大约5%，则SSPM装置被称为具有在量子效率中的大体变化。通过调节半导体层62、64、66的厚度和掺杂浓度以及抗反射涂层72的组成和厚度来设计对应于峰值量子效率的值以及波长。

本文中公开的SSPM装置20可配置成用高量子效率来操作。在一个实施例中，固态光电倍增器装置的活跃区域具有大于40%的峰值量子效率。在另一个实施例中，固态光电倍增器装置的活跃区域的峰值量子效率大于50%。

在一个方面中，SSPM装置20使用宽带隙半导体材料（具有在25℃大于大约1.7 eV的带隙）来构筑，且能够检测宽范围的光子，所述宽范围的光子包含可见光以及UV光子。比较于其它候选固态装置，诸如操作在线性状态中的雪崩光电二极管或工作在盖革模式中的单个光子雪崩二极管，公开的SSPM装置20还提供了优秀的光子分辨能力（resolving power）以用于弱的光子脉冲。

在一个实施例中，如图2中所示，SSPM装置20包含操作在盖革模式中的雪崩光电二极管（APD）34的单个像元（pixel）（微单元）32的阵列30。在本文中，阵列30被偏置在击穿电压之上，且单个的吸收和捕获光子能够触发雪崩。雪崩引起存储在每一个APD 34中的电荷以快速电流脉冲进行放电。抑制装置46限制再充电电流。在一个实施例中，SSPM装置20是在图2中描述的具有雪崩光电二极管微单元32（其具有在25℃大于大约1.7 eV的带隙）的阵列30。

系统10可包含覆盖了相当大的区域的、邻近于彼此铺设（tile）的大量的固态光电倍增器装置20。在一个实施例中，固态光电倍增器装置的阵列在系统10中邻近于彼此铺设以覆盖5 mm2或更大的区域。

用于处理电流脉冲信号的电路可包含高电压电源36、一个或更多前置放大器38、整形放大器40或整合器（integrator）、以及比较器或鉴别器42。鉴别器42的输出在每次光子16被检测时可以是以逻辑脉冲44的形式。放大器38可被用来放大小幅值和短持续期脉冲37，以及整形放大器40可被用来放大和过滤要进一步被处理的信号。整形放大器40可在设置的时间段上汇集或整合来自SSPM装置20的信号，因为来自单个高能量辐射事件的光子的撞击可在比SSPM装置20的响应时间更长的时间常数上被展开。来自高能量辐射事件的光子发射的这种展开可依赖于连同SSPM装置20和连同操作温度使用的光子生成器12的材料。通过在一系列时间段上汇集光子信号，整体的信号对噪声比得到改善且电路在区分入射的高能量辐射的能量级别中变得有效率，因为在光子生成器12中生成的光子的数量正比于入射的辐射的能量。在一个实施例中，光子信号在横越从大约1纳秒到10微秒的时间段中被汇集。在一个实施例中，该时间范围从大约10纳秒到大约1微秒。

一旦光子信号被汇集且脉冲形状被整形放大器40所整形，则鉴别器42将信号转变成二进制逻辑信号。如果信号在设置阈值之下，则可没有从鉴别器的任何输出，然而，如果信号在设置阈值之上，则鉴别器42可生成一定脉冲周期的逻辑脉冲44，以用于随后电路对脉冲44进行计数并因而表示高能量辐射事件的计数。如图3中所示出的，鉴别器42电路可进一步具有一阵列的或一系列的不同阈值电压48，其中入射的高能量辐射能量能够被识别并分类成多于2个能量级别。

对于诸如在石油以及天然气勘探中的应用来说，且特定地在钻探时测量（MWD）中，传感器以及电子器件一般是电池操作的，因此SSPM信号处理电路被制造成操作在尽可能低的功率中是值得期望的。进一步地，由于这些应用将传感器和关联的电子器件暴露于严酷且高温度环境，且被使得跨宽范围的温度操作，故电子电路需要解决跨操作温度范围的在SSPM装置20的输出特性中的改变。在一个实施例中，放大器38是可变增益放大器，被用于温度补偿。该可变增益放大器可响应SSPM装置的信号级别来调整它的增益。进一步地，整形器40的时间常数可随温度可变，因为SSPM装置的响应时间可随温度改变。在一个实施例中，鉴别器42具有与跨操作的温度范围的在SSPM装置20暗（dark）计数以及输出级别中的变化相匹配的可变阈值设置。

依赖于装置的操作的温度，SSPM装置20可由不同的高温度承受材料制成。通常，SSPM装置的高温度操作可通过使用基于碳化硅（SiC）、磷化镓（GaP）、或氮化镓（GaN）的材料来辅助。在一个实施例中，SiC、或GaN材料被用于SSPM装置。在一个实施例中，铟镓氮（InxGal-xN）的合金、铝铟镓氮（AlxInyGal-x-yN）的合金、铝镓砷（Al_xGa_1-xAs）的合金（0x, y 1）可被使用。在一个实施例中，SSPM装置使用SiC、GaP、GaN、InxGa1-xN的合金、AlxInyGa1-x-yN的合金、AlxGa1-xAs的合金、或其的组合被构筑。

一旦电流开始在电路中流动，则它应当然后在下一个高能量辐射脉冲之前被停止或‘抑制’。盖革模式操作可通过反向偏置中的微单元32光电二极管34的无源抑制被达到。在一个实施例中，无源抑制通过将芯片上抑制装置46与光电二极管34的每一个集成被达到。集成抑制装置46可以是电阻器、二极管、晶体管、电容器、或其的组合。进一步地，集成抑制装置46可包含半导体、多晶（poly）宽带隙半导体、多晶硅、金属、陶瓷、或其的组合。光电检测器30的输出是各个像元32的和。依赖于激活的各个像元32的数量，阵列30的脉冲的高度改变。

在一个实施例中，集成抑制装置46是抑制电阻器。抑制电阻器可由高电阻率材料构成，其中高电阻率材料带有在从大约101到109欧姆/每平方米的范围中的薄层电阻。在一示范实施例中，抑制电阻器由多晶硅材料构成，所述多晶硅材料具有在从大约106到109欧姆/每平方米的范围中的薄层电阻。图4示出带有集成多晶硅抑制电阻器70的SSPM的个体微单元。示范微单元60包含由多个外延层构成的PN结二极管，其中层62具有第一掺杂类型，且层64和66具有第二掺杂类型。层62、64、和66中的每一个可由另外的外延层构成，以用于达到光吸收和APD操作的目的。外延层被生长在衬底上（未示出）。盖革模式操作通过抑制层68被达到，抑制层68被嵌入在电介质中但通过触点（未示出）以及其它层的材料（未示出）恰当地被连接到APD以及其余的电路。

在一个实施例80中，如图5中所示出的，集成抑制装置46（图2）含有P-N结二极管的使用。在这种情况中，层82和86具有第一掺杂类型且层84具有第二掺杂类型，使得第二PN结形成在层84和86之间，该第二PN结与APD的PN结串联且得到前向偏置并对装置进行抑制。

依据本发明的一实施例，如图4中所示出的，SSPM装置20（图1）可包含在微单元中的每一个的半导体表面上的薄膜涂层72。在一个实施例中，薄膜涂层72充当钝化层，以用于将表面钝化提供到装置。在另一个实施例中，它可被用作抗反射层，以增加在感兴趣的波长范围中SSPM装置的光汇集效率和整体检测效率。薄膜涂层还可被用作光滤波器来选择地通过预定范围的波长的光。进一步地，该薄膜涂层可在10 nm到10微米的厚度范围中。

在一个实施例中，二氧化硅（SiO2）层可被用作薄膜涂层。在进一步的实施例中，SiO2层被用作抗反射层。在其它实施例中，SiO2 HfO2、Al2O3、GaF2、MgF2或这些的组合可被用作薄膜涂层，其可以起抗反射涂层的作用。在另一个实施例中，抗反射层可以是纳米结构的或织构的（textured）表面。另外，磷硅酸盐玻璃（PSG）层（未示出）可被沉积在装置上来以其它方式控制被移动离子影响的电性质。在一个实施例中，微单元的活跃区域通常被薄膜层所覆盖。在本文中使用时，“微单元的活跃区域”，被定义为光敏感区域，与微单元的几何无关。

进一步地，各个微单元二极管60可具有倾斜的台（mesa）侧壁，从而最小化在台的边缘附近出现的电荷的量，因此减弱了在那个紧接区域中的电场。台可具有一阶刻蚀或二阶刻蚀侧壁。在一阶台的一实施例中，整个台具有倾斜侧壁，其可在从5度到80度的倾斜度中变化。在二阶台中，侧壁可具有竖直段（section），以及倾斜段。光致抗蚀剂、离子刻蚀过程、或基于氟的化学处理可被用来形成SSPM装置的倾斜的侧壁台。

SSPM装置结构可在制作期间采用具体晶向来构建，诸如离轴4度。例如，当SiC材料的4H的具体晶相被使用时，SSPM装置注意具有正的温度系数，由于在雪崩过程中的离子化的要求，这对于SiC光电二极管是特别有吸引力的。4H SiC是带有宽带隙（^~3.2 eV）以及强健的化学属性的材料。该材料能够吸收UV光射线。至少部分地由于宽带隙，本发明的实施例的装置可在高的温度来操作。装置进一步使用经由第一类型掺杂物的外延表面与第二类型掺杂物的接触表面得到的p-n结。一旦高的反向偏置被应用到装置，这可以是用于雪崩的位点。

进一步地，在SSPM装置的材料中的缺陷可引起一些像元具有较高的暗电流，造成更大的暗计数。消除这些坏像元将提升SSPM装置的功能效率。在一个实施例中，本发明的SSPM装置的坏像元使用到像元输出（未示出）中的每一个的集成微保险丝元件来被消除。可实行晶圆级别筛选来识别坏像元，且连接那个像元输出到阵列的微保险丝可被热量、跨该保险丝的过电流、或被激光脉冲所熔解，因而将那个像元从阵列断开连接。在另一个实施例中，通过使用高强度的激光来处理坏像元，来将它们从电路完全切除。

在大型SSPM阵列中，将阵列分成众多的子阵列可以是必要的，且来自每一个子阵列的信号采用分开的放大器、整形器、和鉴别器来被处理。这里的目的是避免将来自SSPM装置的该集合的噪声信号或暗计数组合到一个单个通道中。通过分开处理SSPM子阵列信号，阈值能够在分开的鉴别器中被设置更低且更小的光子通量能够被检测。相应地，在一个实施例中，SSPM的阵列30（图2）使用多个子阵列（未示出）被构筑。代替将SSPM的所有像元连接在一起，子阵列被连接并配置成如果来自一个子阵列的暗计数被发现在晶圆筛选期间是高的，则要从阵列30的其余中被消除。求和电路（未示出）可被添加来解释来自众多鉴别器的众多信号脉冲，且将它们以一种方式组合来生成只有一个脉冲作为最终输出。

在一个实施例中，多个闪烁体被耦合到SSPM子阵列。子阵列可独立处理从关联的闪烁体检测的光子，且处理以被组合为SSPM装置的输出。

在一个实施例中，SSPM装置在策略上（strategically）被设计成邻近于光学耦合器（未示出），以用于从关联的闪烁体的改善光汇集。

在一个实施例中，SSPM装置可被用作密度计（densitometer）。在一个实施例中，密度计可被使用在伽马射线密度记录工具中。密度计可由宽带隙SSPM装置20（其检测波长小于大约500 nm的光）构成，并连同高能量辐射源一道来检查（interrogate）记录工具周围的钻孔和形成、或样本。

在本发明的一个方面中，公开了一种用于通过使用SSPM装置在宽温度范围中检测光子的方法。SSPM装置操作在其中的温度范围可以是200℃或更多。SSPM装置包含：多个微单元，其具有在25℃大于大约1.7 eV的带隙；集成抑制装置，其与各个微单元的每一个相关联；以及抗反射涂层，其在微单元中的每一个的半导体表面上。

SSPM装置可在高温度和高振动的严酷环境来操作，且可进一步包含在200℃或更多的温度变化上处理所检测的光子的关联电子器件。在一个实施例中，使用该SSPM装置检测光子的该方法可进一步包含关联的可变增益放大器和噪声降低电子器件。噪声降低电子器件可进一步包含复用和求和电路。该关联的可变增益放大器的增益可配置成依据SSPM装置的信号级别来动态地设置。

在该方法中操作SSPM可进一步允许对至少两个不同能量级别的被检测高能量辐射的区别。所述不同能量级别可进一步对于每一个能量级别采用不同计数来指派。在一个实施例中，对于在从大约50 keV到大约10 MeV的范围中的辐射来说，所检测的高能量辐射可通过小于大约50%的能量分辨率来区别。在进一步的实施例中，对于在从大约50 keV到大约10 MeV的范围中的辐射来说，该能量分辨率小于20%。

本发明的实施例的SSPM装置的目标含有从被伽马射线、中子、或X射线激发的闪烁体（或其它装置）来检测低级别的紫外（UV）光子，以及将信号转换成电信号。本发明的实施例的SSPM装置可被使用特别是在要求强健的材料的严酷（例如，高振动、高温度等）环境中。本发明的方面针对n-p类型雪崩光电二极管阵列，而不是p-n类型装置，后者考虑到其对材料缺陷的高敏感性而更加难以达到。本发明的SSPM装置可在SiC半导体材料的击穿区（例如，1-3 MV/cm的电场）内操作。

相应地，用于在严酷环境、井下钻探、或有线线路应用中检测高能量辐射的方法，包含将闪烁体暴露于高能量辐射并产生光子、以及由固态光电倍增器装置在大于大约175℃的温度来检测光子。使用在大于大约175℃的温度来操作的关联电子器件，所检测的光子进一步被处理来被转变成电信号。

尽管本发明已经关于仅有限数量的实施例详细地被描述，但应当容易理解的是，本发明不被限制于此类公开的实施例。相反，本发明能够被修改，以结合此前没有被描述但与本发明的精神和范畴相称的任何数量的变化、改造、置换、或等效布置。另外，尽管本发明的各种实施例已经被描述，但要理解的是，本发明的方面可包含所描述的实施例中的仅一些。相应地，本发明不要被看成被前面的描述所限制，而是仅被随附权利要求的范畴所限制。