[发明专利]一种数字光电倍增器件

说明书

技术领域

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

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（10⁶ 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。

V. Golovin 和 V. Saveliev于2004年在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research上发表的文章“Novel type of avalanche photodetector with Geiger mode operation”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10⁶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。

T.Frach, K.Fiedler的专利“Digital Silicon Photomultiplier for TOF-Pet”（US patent US7723694 B2, 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。