專利名稱：硅光電倍增探測器結構、制作及使用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高增益的半導體光探測器，尤其是具有單光子分辨探測靈敏度的硅光電倍增探測器的結構、制作及使用方法，屬于H)1L 27/00類半導體器件技術領域。
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背景技術：
弱光探測器技術在高能物理、天體物理及核醫學成像等領域具有非常重要的應用。目前應用最廣泛的弱光探測器主要是光電倍增管(PMT)。但PMT存在體積大、工作電壓和功耗高、容易損壞、受光陰極限制探測效率較低、對磁場敏感以及不適合制作大規模陣列等缺點，限制了它在許多場合的應用。隨著半導體光探測器的發展，一種被稱為硅光電倍增探測器(Silicon photo-multiplier, SiPM)或者被稱為多單元光子計數器(Multi-PixelPhotonCounters,MPPC)等的高靈敏半導體光探測器在弱光探測領域越來越受到重視,其工作原理和發展歷史參閱文獻(D. Renker, Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA, Vol. 567, pp. 48-56, 2006) 這種光探測器一般由幾百至幾千個尺寸為幾至上百微米的雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode, APD)單元單片集成在同一個娃片上構成，每一個AH)單元都串聯一個約幾百千歐姆的電阻(即雪崩淬滅電阻)用以控制APD單元的雪崩淬滅和電壓恢復。所有AH)單元并聯輸出，共用I個負載，每一個Aro單元工作在蓋革模式(Geigermode)下，即偏置電壓比其擊穿電壓高。當某一個APD單元接收到一個光子時，所產生的光生載流子將觸發雪崩擊穿，光電轉換增益可達105_106。一個光子在50歐姆負載上可產生毫伏量級的電壓脈沖，其后續放大電路變得非常簡單。在動態范圍的線性區內，總的輸出信號正比于單位時間發生雪崩擊穿的APD單元的數目。由于這種器件可以像光電倍增管一樣進行單光子探測，因此被稱作硅光電倍增探測器。SiPM的增益高(IO5-IO6)、工作電壓低(< 100V)、功耗低、響應速度快(ns量級)、體積小、易集成、不受磁場干擾、可靠性好、成本低廉。每一個Aro單元工作在計數模式下，沒有像線性模式APD那樣的增益起伏或過剩噪聲，具有比PMT更好的單光子分辨本領(參閱D. Renker,Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research A, Vol. 567, pp.48-56,2006)。在高能物理(參閱 P. Buzhan, et al. , Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearch A, Vol. 567, pp. 78-82, 2006)、天體物理(參閱 N. Otte, Proceedings of the IXInternational Symposium on Detectorsfor Particle,Astroparticle and SynchrotronRadiation Experiments, SNIC Symposium, Stanford, California, I, 2006)、核醫學成像(參閱 A. N. Otte, Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A, Vol. 545,pp. 705-715,2005)、DNA 測序(參閱 GeorgiyGudkov, et al.，Proc. SPIE，6372，63720C-1，2006)等微弱光信號的檢測領域有替代傳統光電倍增管的潛力，具有非常廣泛的應用前景。目前SiPM尚處在快速發展階段，存在的主要問題包括(I)探測效率與動態范圍之間存在矛盾關系。SiPM的雪崩淬滅電阻普遍采用位于器件表面的摻雜多晶娃電阻條，多晶娃一般米用化學氣相沉積(CVD)方法制備。若要提高探測效率，需要采取APD單元數量較少，每一個單元面積較大的探測器結構，但這樣容易導致2個或2個以上光子同時被同一個APD單元接收的概率，導致在較低的光子計數率下探測器輸出飽和，動態范圍受到限制。若要避免光子計數率飽和，就需要采取APD單元面積小、數目多的探測器結構。這樣一來探測器表面的多晶硅電阻條、金屬Al互聯線、保護環占據的“死區”面積比例隨AH)單元面積縮小而增加，至使光敏面積與探測器總面積之比(幾何填充因子)降低，必然犧牲探測效率。(2)對溫度較為敏感。摻雜多晶硅的電阻(即雪崩淬滅電阻)隨溫度增加而增大，同時SiPM的雪崩擊穿電壓也隨溫度的增加而增大。當工作電壓保持恒定，溫度增加導致淬滅電阻增大，其分壓增大，降落在APD結構上的電壓減小。加之雪崩擊穿電壓隨溫度的增加而增大，致使SiPM過偏壓(即APD上的電壓降與雪崩擊穿電壓之差)減小，SiPM的增益減小。反之溫度降低亦然。(3) SiPM的暗計數率較高。SiPM的暗計數率一般為400kHZ-lMHz/mm2，遠比一般PMT的大，導致SiPM對于極微弱光信號的探測以及大面積SiPM的制作受到限制。
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發明內容
針對目前SiPM探測效率與動態范圍之間存在矛盾的問題，本發明提出一種新的具有高單元密度的結構。其特征是采用與Aro單元相連的硅外延片外延層體電阻來代替一般位于表面的摻雜多晶娃條電阻，來控制APD單兀的雪崩淬滅和電壓恢復(參見G. Q. Zhang,etal. ,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，Vol. 621，pp. 116-120,2010)。這種結構可以消除位于表面的電阻材料及其互聯鋁線對光的遮擋和吸收，減小光敏區中的“死區”面積，使得Aro單元面積小、密度高、填充因子高，探測效率與動態范圍能夠較好地得到兼顧。針對目前SiPM對溫度較為敏感的問題，本發明提出一種新的雪崩淬滅電阻制備方法。其特征是采用覆蓋在非晶硅膜上的金屬鋁(Al)膜以及熱處理來誘導非晶硅晶化(參見 DongliZhang, et al. , IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 55,pp. 2181-2186，2008)，得到摻雜多晶或單晶硅，并通過控制Al膜的厚度及退火條件來調節多晶硅膜的電阻率。用這種方法制備的薄膜電阻具有負溫度系數，即電阻隨溫度增加而減小，反之亦然。因此，當工作電壓保持恒定，溫度增加導致淬滅電阻減小，其分壓減小，降落在APD結構上的電壓增大。加之雪崩擊穿電壓隨溫度的增加而增大，致使SiPM過偏壓(即AH)上的電壓降與雪崩擊穿電壓之差)保持相對穩定。另外，與常規摻雜多晶硅電阻工藝比較，鋁誘導非晶硅晶化方法制作工藝的溫度較低，條形電阻的制備可以采用光刻剝離(Lifi-off)工藝，容易實現細線條制備，不需要額外摻雜步驟，工藝更簡單。針對目前SiPM暗計數率較高，限制了它對微弱光信號的探測以及大面積SiPM的制作問題，本發明提出一種“叉指”型雙子SiPM器件結構。其特征是SiPM由2個面積較小、完全獨立的子SiPM構成，所述2個子SiPM成“叉指”狀排列。當用SiPM測量一個包含多個光子的微弱光脈沖時(例如一個伽馬光子打在閃爍體上產生包含數個至數百個光子的熒光脈沖)，由于SiPM的暗計數是由半導體硅材料內熱電子產生的隨機噪聲信號，而光脈沖所含各個光子是時間相關的，它們產生的脈沖信號幾乎同時產生。基于所述新結構SiPM本發明提出一種新的雙路符合測量光信號的方法。其特征是、
當且僅當2個子SiPM在一個很短的時間窗口(例如50皮秒至500納秒)內同時產生脈沖信號輸出時則判定所述2個子SiPM探測到有效光信號，并予以測量和記錄；若不然則認為所述2個子SiPM分別輸出的是暗計數或雜散光等無效信號，予以忽略。由于在所述很短的時間窗口內2個子SiPM同時出現暗計數的概率大為減小，SiPM暗計數的影響將得到有效削減，探測器的面積將能夠做得更大。
4.
圖I、本發明襯底體電阻淬滅SiPM結構示意圖。圖2、本發明“叉指”型雙子SiPM結構示意圖。SiPM I和SiPM 2分別為所述2個子 SiPM。
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具體實施例方式對于利用襯底體電阻淬滅的新結構SiPM，本發明采取以下技術方案一種SiPM探測器，由許多(例如10至10萬個)雪崩光電二極管(APD)單元集成在同一個硅外延片上組成，每個Aro單元都串聯一個雪崩淬滅電阻，雪崩淬滅電阻由所述硅外延片外延層制備，所有APD單元并聯輸出，共用一個負載，其特征是所述硅外延片為低電阻率襯底上的單晶硅外延片，外延層的電阻率與其厚度的乘積為 0. 04 Q cm2 至 25 Q cm2。所述外延層的電阻率為2-22 Q .cm或29-1000 Q cm ;外延層厚度為250-31 y m或 24-1u m0所述APD 尺寸為 20 ii m2 至 35 ii m2 或 37 ii m2 至 2500 u m2。對于采用金屬鋁(Al)誘導非晶硅晶化來制備淬滅電阻的新結構SiPM，本發明采取以下技術方案一種SiPM，由許多(例如10至10萬個)APD單元集成在同一個硅片上組成，每個APD單元都串聯一個雪崩淬滅電阻，雪崩淬滅電阻位于器件表面，并且具有條形形狀，所有AH)單元并聯輸出，共用一個負載，其特征是采用金屬鋁誘導非晶硅晶化方法制備雪崩淬滅電阻。所述金屬鋁誘導非晶硅晶化制作雪崩淬滅電阻的方法，其特征在于在覆蓋有二氧化硅或氮化硅絕緣介質膜的器件表面用正性光刻膠光刻出與條形電阻形狀一致的圖形，采用電子束蒸發或磁控濺射方法依次制備厚度分別為5-500nm非晶硅膜和5_50nm鋁膜，在去膠溶液中剝離掉不需要保留的非晶硅和鋁膜，留下制作電阻條的非晶硅和鋁膜，在300-700°C以及氮氣或氬氣保護下退火10-150分鐘，在含有磷酸的鋁腐蝕液中浸泡去除殘留的招。所述金屬铞誘導非晶硅晶化制作雪崩淬滅電阻的方法，其特征在于在覆蓋有二氧化硅或氮化硅絕緣介質膜的器件表面采用電子束蒸發或磁控濺射方法依次制備厚度分別為5-500nm非晶硅膜和5_50nm鋁膜，光刻出與電阻條形狀相一致的圖形，用干法或濕法或二者結合刻蝕掉不需要保留的非晶硅和鋁膜，留下制作電阻條的非晶硅和鋁膜，經去膠和清洗，在300-700°C以及氮氣或氬氣保護下退火10-150分鐘，在含有磷酸的鋁腐蝕液中浸泡去除殘留的鋁。
所述制作器件的硅片為單晶硅片或硅外延片。對于“叉指”型雙子SiPM器件新結構，本發明采取以下技術方案一種SiPM，由許多(例如10至10萬個)APD單元集成在同一個硅片上組成，每個APD單元都串聯一個雪崩淬滅電阻 ，雪崩淬滅電阻位于器件表面，并且具有條形形狀，所有APD單元并聯輸出，共用一個負載，其特征是=SiPM由2個面積較小、完全獨立的子SiPM構成。所述2個子SiPM成“叉指”狀排列。所述SiPM的雪崩淬滅電阻由硅外延片外延層制備，即前述襯底體電阻淬滅SiPM。所述SiPM的雪崩淬滅電阻是Al誘導非晶硅晶化方法制備的條形電阻。所述SiPM的雪崩淬滅電阻是常規摻雜多晶硅條形電阻。本發明使用所述“叉指”型雙子SiPM探測光信號的方法，其特征是2個子SiPM采取符合測量技術，即在一個很短的時間窗口(例如50皮秒至500納秒)內同時有脈沖輸出時則判定所述2個子SiPM探測到有效光信號，并予以測量和記錄；若在50皮秒至500納秒時間間隔內只有I個子SiPM有脈沖信號輸出，或2個子SiPM都沒有脈沖信號輸出，則判定所述2個子SiPM沒有探測到有效光信號，其測量予以忽略。以下結合實例具體說明本發明。圖I所示為襯底體電阻淬滅SiPM結構示意圖。其中I-N型重摻雜區，2-P型重摻雜區(高電場區)，3_雪崩淬滅電阻區，4-耗盡隔離區，5-P型阻擋區。采用單面拋光、〈111〉晶向、P型低阻襯底材料和P型外延層的硅外延片，外延層厚度是25 iim，電阻率是22 Q *cm0 APD單元的面積(由高電場區限定)為40 y m2，高電場區由硼離子注入形成。器件面積ImmX 1mm。在其它實施例中所述硅外延片還可以是P型低阻襯底上的N型外延層，N型低阻襯底上的N型外延層，N型低阻襯底上的P型外延層。SiPM的形狀還可以為條形、圓餅形或六邊形。圖2所示為本發明“叉指”型雙子SiPM結構示意圖。SiPM I和SiPM 2分別為所述2個子SiPM，各有30個APD單元，SiPM共有60個APD單元。雪崩淬滅電阻由Al誘導非晶硅晶化方法制備。制作器件的半導體材料為單晶硅片，具有〈100〉晶向，單面拋光。在其它實施中也可以采用硅外延片，硅片晶向可以是〈111〉或〈110〉。SiPM可以有10-10萬個Aro單元，淬滅電阻可以由常規摻雜多晶硅或前述硅外延片外延層體電阻制備。SiPM的形狀可以為條形、圓餅形、六邊形或正方形。需要說明的是，上述實施例僅為說明本發明而非限制本發明的專利范圍，任何基于本發明等同變換技術，均應在本發明的專利保護范圍內。
權利要求
1.一種硅光電倍增探測器(SiPM)，由10至10萬個雪崩光電二極管(APD)單元集成在同一個硅外延片上組成，每個Aro單元都串聯一個雪崩淬滅電阻，雪崩淬滅電阻由所述硅外延片外延層制備，所有APD單元并聯輸出，共用一個負載，其特征是所述硅外延片外延層的電阻率與其厚度的乘積為0. 04 Q cm2至25Q cm2。
2.如權利要求I所述的SiPM，其特征在于所述硅外延片外延層的電阻率為2Q cm至 22 Q cm 或 29 Q cm 至 1000 Q cm,厚度為 250 umM31iimjiJc24iimM lum。
3.如權利要求I所述的SiPM，其特征在于所述APD單元面積為20ii m2至35 ii m2或37 u m2 至 2500 u m2。
4.一種SiPM，由10至10萬個APD單元集成在同一個硅片上組成，每個APD單元都串聯一個雪崩淬滅電阻，雪崩淬滅電阻位于器件表面，并且具有條形形狀，所有APD單元并聯 輸出，共用一個負載，其特征是采用金屬鋁誘導非晶硅晶化方法制備雪崩淬滅電阻。
5.如權利要求4所述的金屬鋁誘導非晶硅晶化制作雪崩淬滅電阻的方法，其特征在于在覆蓋有絕緣介質膜的器件表面采用電子束蒸發或磁控濺射方法依次制備厚度分別為5nm至500nm非晶娃膜和5nm至50nm招膜，在300°C至700°C以及氮氣或U1氣保護下退火10分鐘至150分鐘，在腐蝕鋁的化學溶液中浸泡去除殘留的鋁。
6.如權利要求4所述的SiPM，其特征在于條形電阻結構采用光刻剝離技術或光刻刻蝕技術制備。
7.一種SiPM，由10至10萬個APD單元集成在同一個硅片上組成，每個APD單元都串聯一個雪崩淬滅電阻，雪崩淬滅電阻位于器件表面，并且具有條形形狀，所有Aro單元并聯輸出，共用一個負載，其特征是=SiPM由2個面積較小、完全獨立的子SiPM構成。
8.如權利要求7所述的SiPM，其特征在于所述2個子SiPM成“叉指”狀排列。
9.如權利要求7所述的SiPM，其特征在于所述SiPM的雪崩淬滅電阻由硅外延片外延層制備，或由金屬鋁誘導非晶硅晶化方法制備，或由摻雜多晶硅條制備。
10.一種使用權利要求7所述的SiPM探測光信號的方法，其特征在于 所述2個子SiPM在50皮秒至500納秒時間間隔內同時有脈沖信號輸出時則予以測量和記錄；若在50皮秒至500納秒時間間隔內只有I個子SiPM有脈沖信號輸出，或2個子SiPM都沒有脈沖信號輸出，則所述2個子SiPM的測量予以忽略。
全文摘要
本發明涉及采用與APD單元相連的襯底體電阻來制備硅光電倍增探測器(SiPM)的雪崩淬滅電阻，其目的是為了解決SiPM的探測效率與動態范圍不可兼顧的矛盾，可以在保證高探測效率的同時依然保證高的動態范圍。提出采用鋁誘導非晶硅晶化方法制備雪崩淬滅電阻，以簡化SiPM的制作工藝。提出采用“叉指”型雙子SiPM器件結構及其雙路符合測量光信號的方法，以期克服SiPM暗計數率較高的問題。
文檔編號G01J11/00GK102735350SQ20111008781
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者殷登平, 胡小波, 胡春周, 韓德俊 申請人:北京師范大學