硅光电倍增探测器

1.本发明涉及光电探测技术领域，尤其是具有单光子分辨和探测灵敏度的硅光电倍增器结构。


背景技术：

2.硅光电倍增探测器(sipm)具有增益高、工作电压低、功耗低、响应速度快、体积小、易集成、不受磁场干扰、可靠性高和成本低的优点，在高能物理、天体物理、核医学成像等微弱光信号的检测领域逐渐替代传统光电倍增管，得到越来越广泛的应用。
3.sipm存在的一个主要问题是高探测效率与大动态范围不可兼得。sipm普遍采用位于器件表面的掺杂多晶硅电阻条来制备雪崩淬灭电阻。若要提高探测效率，需要采取apd单元数量较少，每一个单元面积较大的探测器结构，这样apd单元的填充因子高，探测效率高。但这样容易导致2个或2个以上光子同时被同一个apd单元接收的概率，导致在较低的光子通量密度下探测器输出饱和，动态范围受到限制。若要增大动态范围，就需要采取apd单元面积小、数目多的探测器结构，但这样apd单元之间的“死区”面积占sipm光敏面积的比例随apd单元面积缩小，密度增加而增加，致使光敏面积与探测器总面积之比(即填充因子)降低，必然牺牲探测效率。
4.为了尽可能增大sipm动态范围，g.q.zhang等人(参见“demonstration of a silicon photomultiplier with bulk integrated quenching resistors on epitaxial silicon”，nuclear instruments and methods in physics research a，a,621(2010)116
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120)提出了一种硅光电倍增探测器，其包括由多个apd单元集成在硅外延片上形成的apd阵列，apd单元由其周围的pin结构延伸至衬底的耗尽区所隔离，每个apd单元之下未被耗尽的中性外延层充当雪崩淬灭电阻，所有apd单元的表面由均匀连续的重掺杂层连接，其上为绝缘介质层和引出电极，背面还有1个引出电极。jelena ninkovic等人做了类似的研究(请参见“the first measurements on sipms with bulk integrated quench resistors”,nuclear instruments and methods in physics research a 628(2011)407
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410)，不同的是多个apd单元集成在体硅上形成apd阵列，apd单元之间由体硅上pin结构的耗尽区所隔离。
5.以上sipm器件的缺点是：apd单元的增益均匀性较差，影响单光子分辨能力。发明人在实现本发明的过程中发现：以上sipm器件的结构中，所有apd单元大小形状完全相同，然而由于边缘效应，位于器件最外围apd单元的电场分布与靠近中心内的apd单元的电场分布并不同。这样的sipm器件由于影响单光子分辨能力，适合应用的场合较少。
6.因此，如何提供一种探测效率高、动态范围大、增益均匀、单光子分辨好的硅光电倍增探测器，是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种硅光电倍增探测器，以使其能够
在保持高探测效率的基础上实现大的动态范围，且增益更均匀，并能够具有更好的单光子分辨能力。
8.本发明的一个方面提供了一种硅光电倍增探测器，该硅光电倍增探测器包括探测器主体，所述探测器主体包括：
9.衬底；
10.位于衬底上的第一导电类型的轻掺杂层；
11.在所述轻掺杂层的上表面内形成的第一导电类型的多个重掺杂区，该第一导电类型的多个重掺杂区包括位于轻掺杂层中央区域的表面内的作为多个第一电场增强区的第一导电类型的多个第一重掺杂区以及位于轻掺杂层边缘区域的表面内的作为多个第二电场增强区的第一导电类型的多个第二重掺杂区；
12.覆盖所述多个第一导电类型的重掺杂区的第二导电类型的连续重掺杂层；
13.位于连续重掺杂层上方的第一绝缘介质层，所述第一绝缘介质层中设置有多个通孔，所述多个通孔布置在所述第一电场增强区的四周或顶角位置，或探测器主体的外围四周位置；
14.在所述第一绝缘介质层表面上形成的正面电极，所述正面电极包括金属条以及与金属条连接的一个或多个金属引出电极，所述金属条覆盖第一绝缘介质层中的通孔，并经由通孔与通孔下的重掺杂硅导电层形成欧姆接触；以及
15.位于衬底的背离轻掺杂层的一面的背面电极；
16.其中，所述衬底、轻掺杂层、多个第一电场增强区和连续重掺杂层形成多个第一雪崩光电二极管apd单元；所述衬底、轻掺杂层、多个第二电场增强区和连续重掺杂层形成多个第二雪崩光电二极管apd单元。
17.在本发明一些实施例中，所述第一电场增强区和第二电场增强区之外的轻掺杂层、连续重掺杂层以及衬底构成pin结构，各第一apd单元和第二apd单元由围绕四周的pin结构的耗尽区电学隔离，各第一电场增强区和第二电场增强区之下未被耗尽的中性轻掺杂层分别充当第一apd单元和第二apd单元的雪崩淬灭电阻。
18.在本发明一些实施例中，第一apd单元和第二apd单元的pn结耗尽区穿通各自的电场增强区，进入其下的中性轻掺杂层；或者第一apd单元和第二apd单元的pn结未将电场增强区全耗尽，耗尽区未进入其下的中性轻掺杂层。
19.在本发明一些实施例中，所述第二电场增强区的面积小于所述第一电场增强区的面积，相邻第一电场增强区和第二电场增强区之间的间距为1微米至10微米。
20.在本发明一些实施例中，所述第一电场增强区的形状为方形、矩形、六边形或圆饼形，面积为10平方微米至1万平方微米，数目为1个至1000万个；所述第二电场增强区的形状为方形、矩形、六边形、圆饼形或框形，面积为4平方微米至1000平方微米，数目为1个至1万个。
21.在本发明一些实施例中，所述多个第二电场增强区围绕所述多个第一电场增强区，并彼此并排平行排列。
22.在本发明一些实施例中，所述通孔形状为方形、条形、框形或圆饼形，位于相应第一apd单元的四周或顶角位置，或位于探测器主体外围四周，面积为1平方微米至100平方微米。
23.在本发明一些实施例中，所述正面电极为与第一电场增强区边缘平行的金属条、相互垂直的栅格金属条；与所述金属条连接的一个或多个金属引出电极位于探测器主体四周边缘的中央对称位置。
24.在本发明一些实施例中，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型；或者所述第一导电类型为p型，所述第二导电类型为n型。
25.在本发明一些实施例中，所述金属条的宽度为1微米至10微米，厚度为0.1微米至10微米。
26.在本发明一些实施例中，所述连续重掺杂区、第一电场增强区和第二电场增强区的边角具有圆弧形状，曲率半径为0.5微米至20微米。
27.在本发明一些实施例中，所述衬底为硅外延片衬底或碳化硅外延片衬底；所述第一绝缘介质层为包括二氧化硅、氮化硅或氧化铝的单层结构，或者为多层复合结构，所述多层复合结构的材料选自二氧化硅、氮化硅和氧化铝中的两种或更多种。
28.在本发明一些实施例中，所述第一绝缘介质层为减反射绝缘介质层。
29.在本发明一些实施例中，所述正面电极上还覆盖有保护层，所述保护层为包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝或磷硅玻璃的单层结构，或者为多层复合结构，所述多层复合结构的材料选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝和磷硅玻璃中的两种或更多种。
30.在本发明一些实施例中，所述探测器主体还包括：位于连续重掺杂层上方边缘位置的第二绝缘介质层，所述第二绝缘介质层覆盖连续重掺杂层的边缘以及轻掺杂层的边缘。
31.本发明提供的硅光电倍增探测器具有探测效率高、动态范围大、增益更均匀、单光子分辨能力更好等优点。
32.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
33.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
34.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。
35.图1为本发明一实施例的硅光电倍增探测器的剖面结构示意图。
36.图2为本发明另一实施例的示出了硅光电倍增探测器的部分结构的俯视示意图。
37.附图标号说明：
38.1：apd1单元的电场增强区；
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2：apd2单元的电场增强区；
39.3：连续重掺杂区；
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4：第一绝缘介质层(减反射绝缘介质层)；
40.5：第二绝缘介质层；
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6：接触通孔；
41.7：正面电极；
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8：引出电极；
42.9：轻掺杂层；
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10：衬底；
43.11：背面电极。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
45.需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
46.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
47.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
48.图1所示为本发明一实施例的硅光电倍增探测器的剖面结构示意图。如图1所示，本实施例提供的硅光电倍增探测器包括探测器主体。该探测器主体包括：
49.位于底部的衬底10，该衬底为第一导电类型的重掺杂层；
50.位于衬底10上的第一导电类型的轻掺杂层9；
51.在轻掺杂层9的上表面(远离衬底10的表面)内形成的第一导电类型的多个重掺杂区1和2，该第一导电类型的重掺杂区可简称电场增强区，且该第一导电类型的多个重掺杂区包括位于轻掺杂层9中央区域的表面内的作为多个第一电场增强区1的第一导电类型的多个第一重掺杂区以及位于轻掺杂层9边缘区域的表面内的作为多个第二电场增强区2的第一导电类型的多个第二重掺杂区；作为示例，重掺杂区1和2的掺杂浓度高于轻掺杂层9，低于作为衬底10的重掺杂层。
52.位于第一导电类型的重掺杂区1、2的上方且覆盖第一导电类型的多个重掺杂区的第二导电类型的连续重掺杂层(或称连续重掺杂区)3；
53.位于连续重掺杂层3上方的第一绝缘介质层4，该第一绝缘介质层4中设置有多个通孔(接触通孔)6，该多个通孔6布置在第一电场增强区的四周或顶角位置，或探测器主体的外围四周位置；
54.在第一绝缘介质层表面上形成的正面电极7，该正面电极包括金属条以及与金属条连接的一个或多个金属引出电极；所述金属条位于接触通孔6的上方并完全覆盖第一绝缘介质层中的接触通孔6，并经由接触通孔与接触通孔下的重掺杂硅导电层形成欧姆接触；以及
55.位于衬底10的背离轻掺杂层9的一面的背面电极11。
56.其中，衬底10、轻掺杂层9、多个第一电场增强区1和连续重掺杂层3形成探测器主体中央区域的多个第一雪崩光电二极管apd单元，简称第一apd单元，或中间区域apd单元，可表示为“apd1”；衬底10、轻掺杂层9、多个第二电场增强区2和连续重掺杂层3形成位于探测器主体的外围边缘的多个第二雪崩光电二极管apd单元，简称第二apd单元，或边缘区域
apd单元，可表示为“apd2”。
57.在本发明一实施例中，该衬底10为重掺杂的硅衬底，也可以是碳化硅衬底。
58.绝缘介质层4位于连续重掺杂区3上方的中间区域，作为一示例，第一绝缘介质层4可为减反射绝缘介质层，以减少反射光，增加探测器的透光量。在本发明一些实施例中，探测器主体还可包括位于连续重掺杂层3上方边缘位置的第二绝缘介质层5，该第二绝缘介质层5位于绝缘介质层4的边缘且覆盖连续重掺杂层3的边缘以及位于连续重掺杂区3外缘部分的轻掺杂层9边缘。该第二绝缘介质层5为第一绝缘介质层外围的绝缘介质层，不需要减反射，起钝化保护器件的作用。
59.在本发明一实施例中，第一导电类型指的是n型，第二导电类型指的是p型，但本发明并不限于此。在本发明另一实施例中，第一导电类型指的是p型，第二导电类型指的是n型。
60.在本发明实施例中，apd1的个数与第一电场增强区1的个数相对应；衬底10、电场增强区之外的轻掺杂层9和连续重掺杂区3构成pin结构，该pin结构即是在p型半导体与n型半导体之间夹上一层较厚的本征层(i型层)而构成的一种特殊形式的pn结。各第一apd单元(apd1)由围绕四周的pin结构延伸至衬底的耗尽区电学隔离，apd1电场增强区之下未被耗尽的中性轻掺杂层充当雪崩淬灭电阻。所有apd单元(包括第一apd单元和第二apd单元)的表面由均匀连续的重掺杂硅导电层3连接，其上为绝缘介质层4。各第二apd单元(apd2)由围绕四周的pin结构的耗尽区电学隔离，apd2电场增强区之下未被耗尽的中性轻掺杂层充当雪崩淬灭电阻。在本发明一些实施例中，多个第二电场增强区2可围绕多个第一电场增强区1，并彼此并排平行排列。在本发明一些实施例中，第二电场增强区2的面积被设计为小于第一电场增强区1的面积，相邻第一电场增强区和第二电场增强区之间的间距可以是1微米至10微米。
61.在本发明一些实施例中，第一电场增强区的形状可以为方形、矩形、六边形或圆饼形，面积可以为10平方微米至1万平方微米，数目可以是1个至1000万个，例如为22500个。第二电场增强区的形状可以是方形、矩形、六边形、圆饼形或框形，面积可以为4平方微米至1000平方微米，数目可以是1个至1万个，例如为450个；第二电场增强区由于位于外围，因此面积较小。在此，第一电场增强区和第二电场增强区的形状、大小以及数量仅为示例，本发明并不限于此。在本发明实施例中，将apd1所在区域定义为探测主体内；apd1区域以外，包括apd2及部分连续重掺杂层，定义为探测器主体外围。连续重掺杂层连贯探测器主体内外，通过连续重掺杂层连接各apd1，收集光电信号。
62.在本发明实施例中，在绝缘介质层4内接触通孔6的位置可以基于各apd的位置而布置，例如，各接触通孔6可以布置在各apd1的四周或顶角位置(即apd1的电场增强区的四周或顶角位置)，或位于探测器主体外围四周，多个接触通孔6可形成接触通孔阵列。位于apd1阵列四周位置的接触通孔可被布置为与apd2相邻。在本发明实施例中，接触通孔形状可为方形、条形、框形或圆饼形，接触通孔6的面积可以是1平方微米至100平方微米，但本发明并不限于此。
63.在本发明一些实施例中，正面电极7可以是与第一电场增强区边缘平行的金属条，或者是沿着第一电场增强区的不同边相互垂直的栅格金属条。此外，与金属条连接的一个或多个金属引出电极可位于探测器主体四周边缘的中央对称位置。
64.在在本发明一些实施例中，金属条的宽度为1微米至10微米，厚度为0.1微米至10微米，但本发明并不限于此。
65.在本发明一些实施例中，连续重掺杂区3和第一电场增强区1可以被设计为方形，由此便于形成apd1的阵列，第二电场增强区2可以被设计为条形，以使得其面积小于第一电场增强区1的面积。在本发明一些实施例中，连续重掺杂区3和第一电场增强区1和第二电场增强区2的边角可被设计为具有圆弧形状，曲率半径为0.5微米至20微米，以减小边角的电场强度。
66.在本发明一些实施例中，第一绝缘介质层4为包括二氧化硅、氮化硅或氧化铝的单层结构，或者为多层复合结构，所述多层复合结构的材料选自二氧化硅、氮化硅和氧化铝中的两种或更多种，具有减反射层结构。第二绝缘介质层5为包括二氧化硅、氮化硅或氧化铝的单层结构，或者为多层复合结构，其厚度与第一绝缘介质层不同，不必具有减反射层结构。
67.此外，在本发明一些实施例中，正面电极7上还可覆盖有保护层，该保护层可以是包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝或磷硅玻璃的单层结构，或者为多层复合结构，若为多层复合结构，其材料可选自二氧化硅、氮化硅、氧化铝和磷硅玻璃中的两种或更多种。
68.上述描述可知，本发明的探测器主体的apd单元有主体内外之分，探测器的特性由主体内apd单元(即apd1)决定，探测器主体外围的apd单元(即apd2)面积小于主体内apd单元(即apd1)的面积，apd2的电场增强区围绕探测器主体内apd1的电场增强区四周，并与探测器主体内的apd1的电场增强区并排平行排列，这样探测器主体外围的apd2实际起着保护环一样的作用，使得主体内的所有apd单元(即apd1)电场分布更加均匀。从制作工艺角度看，探测器主体内外的apd单元可以同时制作完成，不增加任何额外工艺步骤和成本。
69.在本发明一些实施例中，硅光电倍增探测器的apd单元的pn结未将电场增强区全耗尽，耗尽区未进入其下的中性轻掺杂层；而在本发明的其它一些实施例中，硅光电倍增探测器的apd单元的pn结耗尽区设计为穿通各自的电场增强区，进入其下的中性轻掺杂层的情况，发明人发现，在这种情况下，pn结耗尽区较宽，器件的输出电容较小，输出脉冲较高、较窄，因而器件响应速度快，信噪比好，但缺点是器件的增益有所减小。因此，本发明实施例可以根据需要来优化器件设计，折中考虑器件的输出电容与增益。而现有的sipm器件的结构排除了apd单元的pn结穿通其电场增强区的情况。
70.此外，考虑到硅单晶材料禁带宽度较小，常温下热激发载流子浓度较高，暗计数率较大，在本发明一些实施例中，还将制作器件的半导体衬底材料替换为碳化硅衬底，碳化硅具有禁带宽度较大，热激发载流子浓度低，暗计数率低的优点，并且抗辐射性能优于硅材料。现有的sipm器件尚没有用碳化硅基底材料制备的情况。
71.此外，在本发明一些实施例中，接触通孔位于相应apd1四周或顶角位置，所述正面电极为平行金属条，相互垂直的栅格金属条，或与apd1的电场增强区边缘平行的金属条。在本发明其它一些实施例中，接触通孔位于探测主体外围四周顶角位置，所述正面电极为框形金属条。接触通孔位于相应apd1和apd2四周或顶角位置有利于常规快响应sipm的设计，位于探测主体外围四周顶角位置有利于片上位置灵敏sipm的设计。
72.下面结合图2对本发明的硅光电倍增探测器的结构进行举例说明。
73.在图2所示的示例中，探测器主体包括位于底部的n型重掺杂层(即衬底)，其上n型
轻掺杂层(未示出)，轻掺杂层内具有9个n型重掺杂区(简称第一电场增强区)，之上为位于表面的p型连续重掺杂区3，连续重掺杂区3之上为sio2绝缘介质层。衬底、轻掺杂层、9个第一电场增强区1和连续重掺杂区构成9个雪崩光电二极管apd单元(简称apd1)，衬底、9个电场增强区之外的轻掺杂层和连续重掺杂区构成pin结构，apd1由围绕四周的pin结构延伸至衬底的耗尽区电学隔离，apd1电场增强区之下未被耗尽的中性轻掺杂层充当雪崩淬灭电阻。在探测器主体外围，还设有另外12个雪崩光电二极管apd单元(简称apd2)，由衬底、轻掺杂层、12个第二电场增强区2和连续重掺杂区构成；apd1和apd2的pn结耗尽区可以穿通各自的电场增强区，进入其下的中性轻掺杂层，或者apd1和apd2的pn结未将电场增强区全耗尽，耗尽区未进入其下的中性轻掺杂层。
74.图2可以看出，探测器主体共设置有9个apd1，在主体外围共设置有12个apd2，apd2位于apd1阵列的边缘，且apd2和apd1具有不同的形状，apd2和apd1的形状由其各自的电场增强区形状有关，如apd1的电场增强区为方形，apd2的电场增强区为长条形；apd2的电场增强区围绕探测器主体四周，并与探测器主体内的apd1的电场增强区并排平行排列。apd2电场增强区的面积小于apd1电场增强区的面积，例如，apd2的电场增强区的面积为20平方微米，apd1的电场增强区的面积为50平方微米。相邻apd1与apd2电场增强区的间距为4微米，但本发明并不限于此。
75.图2中，接触通孔位于绝缘介质层内，为圆饼形状，位于apd1顶角位置，作为示例，接触通孔6的面积为3平方微米；正面电极为相互垂直的栅格金属条，更具体地，正面电极是位于绝缘介质层表面之上的铝金属条，包括与金属条连接的1个铝金属引出电极8，引出电极8位于探测器下部边缘中央对称位置。作为示例，金属条的宽度例如为3微米，厚度为1微米。正面电极的金属条完全覆盖接触通孔，并与连续重掺杂区形成欧姆接触。
76.背面电极11(未示出)位于探测器主体背面硅衬底的外侧。
77.如图2所示，连续重掺杂区、apd1和apd2电场增强区的边角具有圆弧形状，曲率半径为1.5微米，以减小边角的电场强度。
78.图2的示例中，绝缘介质层为二氧化硅和氮化硅的复合结构，apd1上的绝缘介质层为减反射绝缘介质层。
79.本发明提供的硅光电倍增探测器，apd1单元的填充因子高，因而具有探测效率高、动态范围大的优点。另外，apd2能够减小位于探测器主体边缘apd1的电场分布不均匀，使得增益更均匀、单光子分辨能力更好。
80.需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
81.本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
82.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。