[发明专利]一种单光子成像探测器及其制造方法

说明书

本发明涉及光电成像探测技术领域，尤其涉及一种单光子成像探测器及其制造方法。所述制造方法，包括如下步骤：制备硅基底微通道板，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列；制备CMOS成像传感器阵列；在封装设备中制备和测试光电阴极，并将所述硅基底微通道板、所述CMOS成像传感器阵列和所述光电阴极进行器件晶圆级结构整合，形成单光子成像探测器，然后对所述单光子成像探测器进行测试。本发明采用晶圆级封装处理技术，利用光电阴极、硅基底微通道板和CMOS成像传感器阵列直接耦合，形成高灵敏、高速、高分辨率、低成本、低功耗、高帧频、无需冷却、尺寸紧凑的单光子成像探测器。

技术领域

本发明涉及光电成像探测技术领域，尤其涉及一种单光子成像探测器及其制造方法。

背景技术

随着生物医学、空间探测以及环境辐射检测技术的发展，对微弱光的检测要求越来越高，而由于极微弱目标无法使用传统的相机和常规的探测技术得到图像，特别是当光微弱到单个光子发射时，一般的弱光成像器件更是不能满足需求，因而单光子成像探测技术已成为当前国际科技界一个研究热点。基于电荷耦合器件(CCD，Charge-coupledDevice)和互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor有源像素传感器(APS，Active Pixel Sensor体系结构的传统成像器件一直在努力提高速度和灵敏度。然而，极低的光子计数采用这些技术通常检测不到或需要深度冷却和高度优化的超低噪声读取电路。

近二十年，单光子成像探测器的研制取得了长足的发展。目前可以用来做单光子成像的探测器主要有增强电荷耦合器件(ICCD,Intensified Charge-coupled Device)、电子轰击电荷耦合器件(EBCCD,Electron-Bombarded Charge-coupled Device)、电子倍增电荷耦合器件(EMCCD,Electron-Multiplying Charge-coupled Device)以及微通道板(MCP，Micro-channel Plate)与电荷耦合器件(CCD，Charge-coupled Device)或互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)直接耦合的复合光子探测器件等。

不同的单光子成像探测器有着各自的优缺点。ICCD因荧光屏降低空间分辨率，体积大和成本高使其不能够适用于大众市场。EBCCD在ICCD基础上取消荧光屏和中继系统，即光阴极将输入光子转换成光电子，在静电电压的加速下，光电子直接轰击CCD。与ICCD相比，既减小了体积和重量，又提高了信噪比和成像分辨力，然而其寿命短的特点限制其推广。EMCCD是采用电子倍增技术的CCD，在读出寄存器和输出放大器之间加入倍增存储器，信号电荷在读出之前实现了倍增，极大的提高了信噪比。相比ICCD和EBCCD，EMCCD具有成像分辨力高、成本低、寿命长等优点。但EMCCD需要制冷，所以体积大、功耗高，而且增益后的信噪比不够高，不能达到单光子探测的水平。

传统微通道板(MCP，Micro-channel Plate)以玻璃薄片为基底，形成数微米到十几微米周期的微孔。与电荷耦合器件(CCD，Charge-coupled Device)或互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)直接耦合后形成的成像探测器件，具有耦合性差的缺点。

发明内容

本发明实施例提供一种高灵敏、高速、高分辨率、低成本、低功耗、高帧频、无需冷却、尺寸紧凑的单光子成像探测器及其制造方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种单光子成像探测器的制造方法，包括如下步骤：

制备硅基底微通道板，所述硅基底微通道板上设有微通孔阵列；

制备CMOS成像传感器阵列；