一种数字光电倍增器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于光子探测的光电探测器件，尤其是一种数字化的半导体光电影像传感器。
【背景技术】
[0002]低通量光子探测被应用于许多领域，例如医学成像系统，特别是正电子发射断层成像设备(PET)、国土安全，高能物理实验和其他成像的关键领域。对于低通量光子探测，一般使用的是传统的光电倍增管(PMT)和与之相关的混合光子探测器(HPD)。这些技术具有许多优势，例如高增益(16或更高)，较好的线性特性和较低的暗电流，但是这些传统的光电探测器也存在一些明显的缺点，比如较庞大的尺寸，较高的工作电压，对磁场敏感，复杂的制造技术以及高昂的成本。雪崩光电二极管可以在较宽的动态范围内实现线性放大，但是增益较低(一般为100)，因此室温下的信噪比很差。单光子雪崩二极管(SAPD)通过提高工作电压使器件工作在高增益工作模式，以进行单光子探测，但是，单光子雪崩二极管的高增益工作模式不能对入射光进行线性模式的探测，因为在这种模式下雪崩倍增产生的电流与入射光子数目无关。
[0003]V.Golovin 和 V.Saveliev 于 2OO4 年在 Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research上发表的文章“Novel type of avalanche photodetector with Geigermode operat1n”提出了一种运用淬灭机制和共同电极输出的雪崩击穿光电探测器，称之为硅光电倍增器件。硅光电倍增器件是一种在半导体材料的衬底上形成的包含有若干雪崩击穿光电二极管并串联相同数量的淬灭电阻(电阻单元)的光电探测器件(也称之为光敏像素单元)。每一个光敏像素单元有共同的电极作为信号输出。一个光子入射到光敏像素单元中被吸收后会在像素的光敏区产生电子-空穴对。由于每一个光敏像素单元的光敏区内存在一个较高的电场，漂移的电子会通过雪崩的方式在这个大电场中产生大量电子-空穴对，最终导致击穿。电阻单元位于雪崩击穿结构单元附近，它会抑制雪崩倍增过程并使它逐渐减弱停止。硅光电倍增器件具有约16的内部增益和达到单光子探测的灵敏度。由于器件中所有光敏像素具有共同的电极，作为各像素信号总和输出，因而探测到的光子数与输出信号大小线性相关。这种输出的信号实际上是一种模拟量，它较容易受到偏置电压、工作温度、电路参数(如淬灭电阻的阻值)等的影响，而这种影响会限制硅光电倍增器件的能量分辨率。
[0004]T.Frach, K.Fiedler 的专利 “Digital Si I icon Photomultiplier forTOF-Pet" (US patent US7723694B2，2010)提及了硅光电倍增器件的数字化工作模式。上述参考专利描述的光电倍增器件是由一个个像素阵列组成的，每个像素单元都有一个工作在击穿状态的光电二极管，它作为数字化电路的输入端口。这个数字电路的输出端首先给出第一个数值，它对应光电二极管的静默状态(未探测到光子)，当光电二极管探测到一个光子时电路输出端会转变成第二个数值。当来自于闪烁体的的第一个光子被探测到时，电路输出端将由第一数值转变到第二数值，并会触发集电极触发驱动器，从而产生一个可以被应用于共同触发总线的触发信号。这个触发信号会开启一个光子计数器或FIFO缓冲器(“First In First Out”)，记录在一定的积分时间内来自数字电路输出端的数值转变次数。特别需要指出的是，该光子计数器或FIFO缓冲器由像素阵列中的一行像素单元所共用。在一些其他的具体实现中，是由获得的使能信号触发启动光子计数器。淬灭电路的淬灭机制可以是被动或主动的形式，它通过限制流经光电二极管的电流，使其回到静默状态，从而使电路输出端由第二数值转变到第一数值。如果在设定的积分时间结束前，淬灭电路就使探测单元回到了静默状态，那么探测器单元可能会记录不止一个光子数。记录结果会储存到光子计数器或FIFO缓冲器中，通过数据总线读取。
[0005]该硅光电倍增器件的每一个像素单元包含一个在击穿状态下偏压的光电二极管和与光电二极管耦合的数字电路。每个探测单元的数字电路上对应一个基于阈值的二进制数字输出端口，这个输出表示对应的探测单元是否进入到雪崩状态。当光电二极管处于静默状态，数字电路会输出第一个二进制数值。当光电二极管探测到光子时产生的电流超过设定的阈值，这时数字电路输出值转变到第二个二进制数值。在这种情况下，每一个的光电二极管的信号在像素单元级别被数字化。光子计数器会记录所有探测单元输出数值的变化，这样就得到了被探测到的光子数目。与模拟硅光电倍增器件将所有像素的输出电流之和为输出信号相比，这种数字化的计数的方法不易受到工作电压波动，环境温度改变和淬灭电阻精度等因素的影响。只要这些因素不影响到上述二进制数值间的转变过程，一般它们对探测器的能量分辨率就没有影响。
[0006]虽然上述的硅光电倍增器件可以获得探测面积上被探测到的光子数目以及光子抵达的时间，但它还不能被称为影像传感器，因为它没有给出最重要的信息，即被探测到光子的分布。
【发明内容】
[0007]本发明的目的之一在于提供一种雪崩击穿光敏像素单元，优选采用CMOS工艺实现，由于像素单元中的雪崩光电二极管工作在击穿状态下，其具有较高的内部放大增益，所以能够进行单光子检测，故该雪崩击穿光敏像素单元非常适合进行低通量光子的探测。
[0008]为达到上述目的，本发明的解决方案是:
[0009]—种雪崩击穿光敏像素单元，包括:
[0010]一半导体衬底；
[0011]于所述半导体衬底上所生成的一外延层；
[0012]于所述外延层内形成一用于光子探测的雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管包括漂移区域和放大区域；
[0013]以及一淬灭单元，所述淬灭单元与所述雪崩光电二极管串联连接。
[0014]优选的，所述雪崩击穿光敏像素单元采用CMOS工艺实现，所述半导体衬底与所述外延层为娃材料。
[0015]进一步的，所述雪崩击穿光敏像素单元还包括一保护环结构，所述保护环结构围绕所述雪崩光电二极管所在区域设置以使得雪崩击穿效应在所述雪崩光电二极管区域内均匀分布。
[0016]优选的，还包括一隔离沟道，所述隔离沟道设置于所述保护环结构外围以抑制光学串扰，隔离沟道内填充有光阻隔材料；
[0017]进一步的，所述隔离沟道采用CMOS工艺中的浅槽隔离结构实现。
[0018]优选的，所述淬灭单元设置在所述外延层上；
[0019]优选的，所述淬灭单元设置于所述雪崩光电二极管区域的外围；
[0020]优选的，所述淬灭单元为淬灭电阻。
[0021]本发明的目的之二在于提供一种数字半导体光敏像素单元，优选采用CMOS工艺实现，其包括雪崩击穿光敏像素单元以及对应雪崩击穿光敏像素单元设置的一甄别单元及存储单元，可将雪崩击穿光敏像素单元中的信息转化为二进制或数字形式并进行存储，同时，由于存储单元与光敏像素单元为一一对应设置，故还可通过确认存储单元的物理位置从而提供被探测到的光子坐标信息。
[0022]为达到上述目的，本发明的解决方案是:
[0023]—种数字半导体光敏像素单元，包括如前所述的雪崩击穿光敏像素单元以及对应所述雪崩光电二极管设置的一甄别单元以及一存储单元，所述雪崩击穿光敏像素单元的电源输入端(即雪崩光电二极管的阴极端)与电源使能控制信号端相连，以接受电源使能控制信号的控制使其在静默状态与响应状态之间切换，所述雪崩击穿光敏像素单元的信号输出(即雪崩光电二极管的阳极端)作为所述甄别单元的输入以使得与所述甄别单元对应所述雪崩击穿光敏像素单元的响应状态分别输出判断未检测到光子的第一数值或判断检测到光子的第二数值；所述甄别单元的输出作为所述存储单元的输