[发明专利]集成制冷的单光子雪崩光电二极管器件

说明书

本发明提供一种集成制冷的单光子雪崩光电二极管器件，包括壳体，壳体内侧的底部与制冷器的热端面连接，制冷器的冷端面设有陶瓷基板，陶瓷基板上设有电路布线并安装了单光子雪崩光电二极管芯片，该芯片与陶瓷基板上的侧面电路布线进行连接，单光子雪崩光电二极管芯片光敏面与穿入壳体的光纤组件正对耦合，陶瓷基板上的电路布线的末端延伸至陶瓷基板的边沿，壳体上设有与电路布线的末端对应的开孔，引脚通过开孔穿入壳体，与电路布线的末端连接，单光子雪崩光电二极管芯片将其产生的电信号依次通过电路布线和引脚传输出去；单光子雪崩光电二极管芯片通过陶瓷基板将热量传递给制冷器。通过本发明，可以降低装置体积、降低能耗、方便操作。

技术领域

本发明属于单光子探测器领域，具体涉及一种集成制冷的单光子雪崩光电二极管器件。

背景技术

单光子雪崩光电二极管是一种基于半导体材料的单光子探测器件，能实现对单个光子能量的检测，可以应用于量子通信、真随机数发生器、生物荧光探测、DNA测序、用于蛋白质折叠的Forster谐振能量转换、激光雷达、光时域反射计、单分子光谱分析、荧光寿命测量，以及用于医疗的扩散光学层析等领域。单光子雪崩光电二极管的工作原理是：当一个光子在二极管吸收区被吸收后，会产生初始电子空穴对，然后在电场的作用下，电子或空穴被输运到倍增区产生持续放大，从而产生可以被观测到的宏观电信号。目前，单光子雪崩光电二极管主要基于Si、InGaAs以及Ge等几种材料。

通常情况下，为了抑制噪声以获得更好的单光子灵敏度，需要对单光子雪崩光电二极管进行制冷。根据半导体材料体系不同、器件本身的特性以及实际使用环境的要求，制冷温度通常在-70℃到-20℃。普通的单光子雪崩光电二极管器件通常采用TO(TransistorOutline，晶体管外形)封装，在使用时需要利用安装夹具将其固定在制冷器冷端面，然后将器件和制冷器整体密封。由于TO封装的原因，单光子雪崩光电二极管芯片只能通过TO封装外壳的管壁进行热传递，制冷效率不高。这就要求使用功率和体积都较大的制冷器。同时TO封装后的雪崩光电二极管器件通常需要将管脚焊接到电路板上使用，因此密封装置不但要为电路板预留一定空间，也要为安装操作过程留出冗余空间。因此，整个密闭装置的体积大、功耗高，不利于小型化，使用也不够方便。

发明内容

本发明提供一种集成制冷的单光子雪崩光电二极管器件，以解决目前采用TO封装的单光子雪崩光电二极管器件来制造单光子探测器件时存在的体积大、功耗高且使用不方便的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种集成制冷的单光子雪崩光电二极管器件，包括壳体，所述壳体内的底部与制冷器的热端面连接，所述制冷器的冷端面上设置有陶瓷基板，所述陶瓷基板上设置有电路布线并安装了单光子雪崩光电二极管芯片，所述单光子雪崩光电二极管芯片与所述电路布线连接，所述单光子雪崩光电二极管芯片光敏面与穿入所述壳体的光纤组件正对耦合，所述电路布线的末端延伸至所述陶瓷基板的边沿，所述壳体上设置有与所述电路布线的末端对应的开孔，引脚通过所述开孔穿入所述壳体，与所述电路布线的末端连接，所述单光子雪崩光电二极管芯片在接收到所述光纤组件传输过来的单光子后所产生的电信号依次通过所述电路布线和引脚传输出去；并且所述单光子雪崩光电二极管芯片通过所述陶瓷基板将热量传输给所述制冷器进行制冷。

在一种可选的实现方式中，所述单光子雪崩光电二极管芯片和所述电路布线的连接处设置在所述陶瓷基板的侧壁，所述电路布线沿着所述陶瓷基板的侧壁通过所述陶瓷基板的上表面，延伸至所述陶瓷基板上表面的边沿；对应地，所述开孔设置在所述壳体的侧壁，以使通过所述开孔穿入所述壳体的引脚与所述电路布线的末端连接。

在另一种可选的实现方式中，所述陶瓷基板与所述制冷器之间设置有金属层。

在另一种可选的实现方式中，所述陶瓷基板的上表面还设置有热敏电阻。

在另一种可选的实现方式中，所述光纤组件包括金属化外包层以及穿设在所述金属化外包层内的光纤，所述金属化外包层穿过所述壳体固定在所述制冷器上。