一种位置灵敏硅光电倍增探测器的制作方法

本发明涉及光电探测，尤其是涉及具有位置探测灵敏度的一种硅光电倍增探测器。

背景技术：

1、光电位置探测器是现代工业检测、航天对接、三维形貌测量、机器人视觉和生物医学中很重要的一类图像传感器件。目前主要的图像传感器有电荷耦合器件(ccd-chargecoupled devices)、光电二极管列阵检测器、基于pin和apd(avalanche photodiodedetector，雪崩光电二极管探测器)的位置灵敏探测器。其中，ccd是阵列型(分割型)器件，分辨率受像素尺寸限制，响应速度较慢，且生产过程复杂，价格较昂贵；光电二极管阵列是由许多光电二极管以线阵或面阵的形式在一块芯片上的集成，其引出电极多，从而读出通道多，读出电子学复杂；基于pin的位置灵敏探测器具有较高的位置分辨率且价格低廉，但内部无增益，因此信噪比较差；基于apd的位置灵敏探测器，有几十-几百的增益，信噪比有所改善，但其大面积的p-n结构使其不能进行单光子计数，且增益低，使得在弱光探测领域的应用受到了限制；而一般硅光电倍增探测器(sipm)，虽然具有高增益的优点，但由于其表面重掺杂区是非连续的，不能利用表层电阻层的分流效应，不具备位置分辨能力。

2、在专利号为“zl201410276066.3”，发明名称为“硅光电倍增探测器”的中国专利中，提供了一种具有位置探测灵敏度的硅光电倍增探测器(position sensitive sipm,ps-sipm)，其雪崩淬灭电阻由硅外延片外延层制备，所有apd单元在器件表面由均匀连续的重掺杂硅电阻层连接，故可利用其表面连续电阻层的分流效应来确定光信号的位置。该专利中的ps-sipm给出了三种正面读出电极：(1)正面电极有4个，分别位于探测器的四条边上，即呈四边形布局；(2)正面电极有4个，分别位于探测器的四个角上，即呈钉扎型布局；(3)正面电极有2个，由二个相互平行并与探测器边沿平行的金属电极条构成。

3、发明人在实现本发明的过程中发现，专利号为“zl201410276066.3”的中国专利中，正面金属电极是分割开的，起到信号引出作用，且引出信号的金属块面积较大，入射光斑的位置信息及其线性度由器件表面均匀连续的重掺杂硅电阻层中信号电流分布决定，器件的位置响应线性度较低，存在较明显的畸变现象(参见zhao t,li b,li c,et al."newdistortion correction algorithm for two-dimensional tetra-lateralposition-sensitive siliconphotomultiplier."ieee electron device letters,2017,38(2):228-231.)。并且，受金属电极影响，金属电极附近区域的位置分辨率降低。如何设计一种灵敏度高、分辨率高、电路配置简单、响应速度快、位置响应线性度高(畸变程度小)的位置灵敏硅光电倍增探测器，是一个有待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的位置灵敏硅光电倍增探测器，以解决现有技术中的一个或多个问题。

2、根据本发明的一个方面，提供的一种位置灵敏硅光电倍增探测器包括：

3、探测器主体、正面电极和背面电极，所述探测器主体包括由多个雪崩光电二极管apd单元集成在硅外延片上形成的apd阵列，apd单元之间由硅外延片上的所围绕的pn结的深耗尽区所隔离，且每个apd单元串联一个雪崩淬灭电阻；所述正面电极位于所述探测器主体正面的表面，所述背面电极位于所述探测器主体背面硅衬底的外侧；其特征在于，

4、所述正面电极包括环绕所述apd阵列的多个金属条以及设置于所述金属条的端部位置的、与所述金属条连接的多个金属块引出电极，所述金属条和所述多个金属块引出电极形成封闭的金属电极结构，每个金属块引出电极用于独立输出信号，以通过同时测量的各引出电极电流的大小，通过利用电流的大小与入射位置之间的关系计算来得到光子的入射位置信息；

5、其中，所有apd单元的表面由均匀连续的重掺杂硅电阻层连接，所述正面电极的金属条形成在所述硅电阻层边缘的重掺杂区的表面且与所述重掺杂区接触并环绕所述apd阵列；

6、所述环绕所述apd阵列的多个金属条的宽度为1微米至30微米，每条金属条的电阻阻值为1欧姆至300欧姆之间。

7、可选地，所述硅电阻层边缘的重掺杂区为与所述硅电阻层外围接壤的、与所述硅电阻层具有相同的导电类型以及不同的浓度的边缘重掺杂层。

8、可选地，所述硅电阻层边缘的重掺杂区为与所述硅电阻层外围接壤的、与所述硅电阻层具有相同的导电类型以及相同或不同的浓度的边缘重掺杂层。

9、可选地，形成的apd阵列为矩形、圆饼形或等边多边形，所述封闭的金属电极结构为相应的矩形框、圆形框或等边多边形框。

10、可选地，所述等边多边形框包括方形框，在所述封闭的金属电极结构为方形框或矩形框的情况下，所述多个金属块引出电极为在封闭的金属电极结构的4个角部设置的4个金属电极；在所述封闭的金属电极结构为圆形框的情况下，所述多个金属块引出电极为在沿金属条所在的圆周均匀分布的3个以上的金属块电极；在所述封闭的金属电极结构为等边多边形框的情况下，所述多个金属块引出电极为在所述等边多边形的角部设置的多个金属块电极。

11、可选地，所述金属条与所述均匀连续的重掺杂硅电阻层或所述硅电阻层边缘的重掺杂区形成欧姆接触，所述重掺杂硅电阻层边缘的重掺杂区与所述重掺杂硅电阻层的导电类型相同、重掺杂浓度相同或不同。

12、可选地，所述封闭的金属电极结构金属条为一条封闭的金属条或由多条金属条经所述多个金属块引出电极相接而形成；所述金属条的材料为铝、铝-硅合金、铬、钛、铜或者金。

13、可选地，所述硅外延片导电类型为p型或n型；所述均匀连续的重掺杂硅电阻层的导电类型为n型或p型。

14、可选地，所述金属引出电极为金属块引出电极，所述每一金属块引出电极的面积为1百平方微米至4万平方微米。

15、可选地，所述金属条与金属块引出电极为相同或不同的导电材料。

16、可选地，所述金属条的多个预定位置为所述金属条上的对称位置。

17、本发明提供的位置灵敏硅光电倍增探测器具有灵敏度高、分辨率高、电路配置简单、响应速度快、位置响应线性度高(畸变程度小)的优点。

18、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书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

19、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。

技术特征：

1.一种位置灵敏的硅光电倍增探测器，所述硅光电倍增探测器包括：探测器主体、正面电极和背面电极，所述探测器主体包括由多个雪崩光电二极管apd单元集成在硅外延片上形成的apd阵列，apd单元之间由硅外延片上的所围绕的pn结的深耗尽区所隔离，且每个apd单元串联一个雪崩淬灭电阻；所述正面电极位于所述探测器主体正面的表面，所述背面电极位于所述探测器主体背面硅衬底的外侧；其特征在于，

2.根据权利要求1所述的硅光电倍增探测器，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的硅光电倍增探测器，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的硅光电倍增探测器，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的硅光电倍增探测器，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的硅光电倍增探测器，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的硅光电倍增探测器，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的硅光电倍增探测器，其特征在于：

技术总结
本发明涉及一种位置灵敏硅光电倍增探测器，该硅光电倍增探测器包括：探测器主体，其包括由多个APD单元集成在硅外延片上形成的APD阵列，每个APD单元串联一个雪崩淬灭电阻；正面电极，其位于探测器主体正面的表面，所述正面电极包括环绕所述APD阵列的金属条以及设置于金属条的多个特定位置的、与金属条连接的多个金属引出电极，所述金属条和多个金属引出电极形成封闭的金属电极结构，每个引出电极用于独立输出信号；背面电极，其位于探测器主体背面硅衬底的外侧；所有APD单元的表面由均匀连续的重掺杂硅电阻层连接，正面电极的金属条形成在硅电阻层边缘的重掺杂区的表面且与重掺杂区接触并环绕APD阵列。本发明具有响应线性度高、畸变程度小的优点。

技术研发人员：韩德俊,彭彧
受保护的技术使用者：中广核京师光电科技（天津）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12