[发明专利]具有改进的工作电压范围的半导体光电倍增器

说明书

本公开涉及一种半导体光电倍增器(100)，其包括互连微单元的阵列；其中所述阵列至少包括：具有第一几何形状的第一结区的第一类型的微单元(125)；以及具有第二几何形状的第二结区的第二类型的微单元(225)。

技术领域

本公开涉及光子检测器。具体地，本公开涉及高灵敏度光子检测器，诸如半导体光电倍增器。具体地但非排他地，本公开涉及在诸如正电子发射断层扫描[PET](包括飞行时间PET[TOF-PET]、激光测距[LIDAR]应用、生物发光、高能物理[HEP]检测器)的领域中的半导体光电倍增器(SiPM或SPM)。

背景技术

SiPM是半导体光子敏感装置，由在诸如硅的半导体衬底上的非常小的盖革模式雪崩光电二极管(APD)单元阵列组成。在附图的图1中示出示例性10χ10微单元阵列。每个单元相互连接以形成具有一个信号输出的一个更大装置。整个装置大小可以小至1χ1mm或更大。附图的图2是常规硅光电倍增器的示意图。

APD单元的尺寸取决于所使用的掩模在10微米至100微米之间变化，并且其密度可以高达3000个微单元/sq.mm。雪崩二极管也可以由硅以外的其他半导体制成，这取决于所需的特性。硅在低倍增噪声(过量噪声)的情况下在可见且近红外范围内进行检测。锗(Ge)检测红外线，波长为1.7μm，但是具有高倍增噪声。InGaAs(砷化铟镓)进行检测，最大波长为1.6μm，并且具有比Ge少的倍增噪声。InGaAs通常用于异质结构二极管的倍增区域，与使用光纤的高速通信兼容，并且可以达到大于Gbit/s的速度。氮化镓在紫外光的作用下工作。HgCdTe(碲镉汞)在红外光下工作，最大波长约为14μm，需要冷却以减少暗电流，并且可以实现非常低水平的过量噪声。

硅雪崩二极管可以在通常为20V至500V的击穿电压下起作用。当施加高的反向偏压(硅中大约20V至200V，取决于结中的掺杂分布)时，由于碰撞电离或雪崩效应，APD表现出约100-1000的内部电流增益效应。通过使用在大于击穿电压的反向电压下工作的盖革模式APD并且将暗计数事件发生率维持在足够低的水平，硅光电倍增器或SiPM可以实现10⁵至10⁶的增益。由雪崩事件产生的电流必须通过适当的电流限制方案来淬灭，以使得装置在雪崩事件之后可以恢复并复位。

噪声最终对可以测量的最小信号施加限制。SiPM中的主要噪声源是暗计数率(DCR)，这主要归因于热产生的电子，所述电子继续在高场区域中产生雪崩。

非光敏感边缘击穿的开始限制雪崩光电二极管的有用的工作电压范围。为了使雪崩概率达到允许实现相当大的PDE的能级，足够的过电压(超过初始击穿的偏压)是必需的。当足够的过电压由于非光敏感边缘击穿的开始而不可能时，随后PDE从装置最终能够达到的能级降低。装置的工作电压可以被限制到可能不允许在装置内实现高雪崩概率的水平，并且架构的全电势可能未实现。

因此，需要提供解决现有技术的至少一些缺点的半导体光电倍增器。

发明内容

因此，本公开涉及半导体光电倍增器，其包括：

互连微单元的阵列；其中所述阵列至少包括：具有第一几何形状的第一结区的第一类型的微单元；以及具有第二几何形状的第二结区的第二类型的微单元。

在一个方面，与位于阵列的在其中具有电场低于预定电平的区域的位置处的微单元相比，位于阵列的在其中具有电场高于预定电平的区域的位置处的微单元具有更低的击穿。有利地，预定电平在20伏至60伏的范围内。

在其他方面，与具有较高击穿电压的微单元的击穿电压相比，具有较低击穿电压的微单元的击穿电压由以下方程式给出：

其中

V_BD是具有较高击穿的微单元的击穿电压；