具有改进的工作电压范围的半导体光电倍增器的制作方法

本公开涉及光子检测器。具体地，本公开涉及高灵敏度光子检测器，诸如半导体光电倍增器。具体地但非排他地，本公开涉及在诸如正电子发射断层扫描[pet](包括飞行时间pet[tof-pet]、激光测距[lidar]应用、生物发光、高能物理[hep]检测器)的领域中的半导体光电倍增器(sipm或spm)。

背景技术：

1、sipm是半导体光子敏感装置，由在诸如硅的半导体衬底上的非常小的盖革模式雪崩光电二极管(apd)单元阵列组成。在附图的图1中示出示例性10χ10微单元阵列。每个单元相互连接以形成具有一个信号输出的一个更大装置。整个装置大小可以小至1χ1mm或更大。附图的图2是常规硅光电倍增器的示意图。

2、apd单元的尺寸取决于所使用的掩模在10微米至100微米之间变化，并且其密度可以高达3000个微单元/sq.mm。雪崩二极管也可以由硅以外的其他半导体制成，这取决于所需的特性。硅在低倍增噪声(过量噪声)的情况下在可见且近红外范围内进行检测。锗(ge)检测红外线，波长为1.7μm，但是具有高倍增噪声。ingaas(砷化铟镓)进行检测，最大波长为1.6μm，并且具有比ge少的倍增噪声。ingaas通常用于异质结构二极管的倍增区域，与使用光纤的高速通信兼容，并且可以达到大于gbit/s的速度。氮化镓在紫外光的作用下工作。hgcdte(碲镉汞)在红外光下工作，最大波长约为14μm，需要冷却以减少暗电流，并且可以实现非常低水平的过量噪声。

3、硅雪崩二极管可以在通常为20v至500v的击穿电压下起作用。当施加高的反向偏压(硅中大约20v至200v，取决于结中的掺杂分布)时，由于碰撞电离或雪崩效应，apd表现出约100-1000的内部电流增益效应。通过使用在大于击穿电压的反向电压下工作的盖革模式apd并且将暗计数事件发生率维持在足够低的水平，硅光电倍增器或sipm可以实现105至106的增益。由雪崩事件产生的电流必须通过适当的电流限制方案来淬灭，以使得装置在雪崩事件之后可以恢复并复位。

4、噪声最终对可以测量的最小信号施加限制。sipm中的主要噪声源是暗计数率(dcr)，这主要归因于热产生的电子，所述电子继续在高场区域中产生雪崩。

5、非光敏感边缘击穿的开始限制雪崩光电二极管的有用的工作电压范围。为了使雪崩概率达到允许实现相当大的pde的能级，足够的过电压(超过初始击穿的偏压)是必需的。当足够的过电压由于非光敏感边缘击穿的开始而不可能时，随后pde从装置最终能够达到的能级降低。装置的工作电压可以被限制到可能不允许在装置内实现高雪崩概率的水平，并且架构的全电势可能未实现。

6、因此，需要提供解决现有技术的至少一些缺点的半导体光电倍增器。

技术实现思路

1、因此，本公开涉及半导体光电倍增器，其包括：

2、互连微单元的阵列；其中所述阵列至少包括：具有第一几何形状的第一结区的第一类型的微单元；以及具有第二几何形状的第二结区的第二类型的微单元。

3、在一个方面，与位于阵列的在其中具有电场低于预定电平的区域的位置处的微单元相比，位于阵列的在其中具有电场高于预定电平的区域的位置处的微单元具有更低的击穿。有利地，预定电平在20伏至60伏的范围内。

4、在其他方面，与具有较高击穿电压的微单元的击穿电压相比，具有较低击穿电压的微单元的击穿电压由以下方程式给出：

5、

6、其中

7、vbd是具有较高击穿的微单元的击穿电压；

8、vsp是具有较低击穿的微单元的击穿电压；

9、n～＝rj/wdm；

10、其中wdm等于平面结的耗尽区宽度；并且

11、rj是结的曲率半径。

12、在示例性方面，第一类型的微单元和第二类型的微单元中的一个位于阵列的第一位置处，而第一类型的微单元和第二类型的微单元中的另一个位于阵列的第二位置处。

13、在另一方面，第一位置和第二位置与不同的电场相关联。

14、在一个方面，与第一位置和第二位置中的一个相关联的电场大于与第一位置和第二位置中的另一个相关联的电场。

15、在其他方面，位于阵列的外周边处的位置处的一个或多个微单元与未位于阵列的外周边处的位置处的一个或多个微单元相比，与更高的电场相关联。

16、在一个方面，位于阵列的外周边的拐角位置处的一个或多个微单元与未位于阵列的外周边的拐角位置处的一个或多个微单元相比，与更高的电场相关联。

17、在另一方面，第一几何形状和第二几何形状中的至少一个限定弓形形状。

18、在一个方面，第一几何形状和第二几何形状两者限定弓形形状。

19、在另一方面，第一几何形状和第二几何形状限定不同半径的弓形形状。

20、在一个方面，具有比阵列的其他位置更高的电场的阵列的位置设置有微单元，所述微单元的结区的面积大于位于其他位置的微单元的结区。

21、在示例性方面，具有比阵列的其他位置更高的电场的阵列的位置设置有微单元，所述微单元的结区的半径大于位于其他位置的微单元的结区。

22、在一个方面，第一几何形状和第二几何形状中的至少一个限定弓形形状；而第一几何形状和第二几何形状中的另一个限定非弓形形状。

23、在示例性方面，第一结区和第二结区与不同的击穿电压相关联。

24、在其他方面，第一结区和第二结区具有不同水平的光敏度。

25、在示例性方面，与位于阵列的第二位置处的微单元相比，位于阵列的第一位置处的微单元具有较低的光敏度。

26、在一个方面，第一结区和第二结区具有不同水平的增益。

27、在其他方面，与位于阵列的第二位置处的微单元相比，位于阵列的第一位置处的微单元具有较低的增益。

28、在另一方面，第一结区和第二结区具有不同水平的电容。

29、在一个方面，与位于阵列的第二区域处的微单元相比，位于阵列的第一位置处的微单元具有较低的电容。

30、在示例性方面，与覆盖位于第一位置处的微单元的一层或多层材料相关联的透射率低于与覆盖位于第二位置处的微单元的一层或多层材料相关联的透射率。

31、在一个方面，弓形形状包括圆柱形和球形中的至少一种。

32、在另一方面，弓形形状具有预定的半径。

33、在其他方面，微单元中的至少两个具有半径不同的弓形结。

34、在一个方面，第一结区和第二结区的面积不同。

35、在其他方面，位于第一位置处的微单元的结面积小于位于第二位置处的微单元的结面积。

36、在一个方面，位于第一位置处的至少两个微单元的结面积不同。

37、本公开还涉及衬底，其包括：

38、互连微单元的阵列；其中所述阵列至少包括：具有第一几何形状的第一结区的第一类型的微单元；以及具有第二几何形状的第二结区的第二类型的微单元。

39、参考以下附图将更好地理解这些和其他特征，提供所述附图以有助于理解本教导。