[发明专利]雪崩光电二极管阵列探测器

说明书

本发明提供了一种雪崩光电二极管阵列探测器，包括：传感器芯片，其包括至少一个雪崩光电二极管和与所述至少一个雪崩光电二极管串联的至少一个淬灭电阻，所述至少一个雪崩光电二极管形成在硅基底上；信号读出芯片，其包括至少一个信号数字读出电路；其中，所述传感器芯片和所述信号读出芯片通过倒装方式集成在一起，以使得所述传感器芯片的雪崩光电二极管和对应的淬灭电阻与所述信号读出芯片的信号数字读出电路电气连接，以通过信号数字读出电路读出从淬灭电阻取样的电信号。通过上述方案能够提高探测器的填充因子并降低制作成本。

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种雪崩光电二极管阵列探测器。

背景技术

光电探测器广泛用于高能物理研究、生物医学成像及工业生产等领域，其中，单光子探测器在单光子成像、激光雷达、化学发光、生物荧光和基因测序等弱光检测领域得到大量应用。

单光子探测器包括光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)、模拟或数字型硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier，SiPM)、单光子雪崩光电二极管(Single PhotonAvalanche Diode，SPAD)等多种类型，其中，由于PMT具有体积大、工作电压高、功耗高、易损坏、受光阴极限制而导致探测效率较低、对磁场敏感以及不适合制作大规模阵列等缺点，其导致单光子探测器的应用受到限制。为此，模拟型的硅基光电倍增器已被提出，但其基于雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)阵列串联被动淬灭电阻后并联输出的硅基探测器输出模拟信号需要经过放大和模数转换后才可以读出，使用起来比较复杂，且由于输出电容的问题无法制作大面积的探测器，大大增加了读出难度和读出成本。数字型的硅光电倍增器进一步被提出，其直接输出探测信号的时间信息和能量信息，极大简化了读出电子学，具有极佳的信噪比，但由于将APD阵列和数字读出电路集成于一片芯片上，导致其填充因子较小，探测效率较低，并且制作成本高，开发周期长，而且没有响应单元的位置信息。普通的SPAD阵列功能及结构与硅基的数字型光电倍增器基本一致，且每一个APD单元响应的位置信息也可以被记录，所以能够被用于单光子成像和单光子探测，具有极好的位置分辨和时间分辨特性，但这种单光子探测器阵列和数字硅光电倍增器一样将APD阵列和数字读出电路集成于同一片芯片上，同样导致填充因子较小，限制了其效率和制作。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种雪崩光电二极管阵列探测器，以提高填充因子并降低制作成本。

为了实现上述目的，本发明采用以下方案：

在本发明一实施例中，一种雪崩光电二极管阵列探测器，包括：

传感器芯片，其包括至少一个雪崩光电二极管和与所述至少一个雪崩光电二极管串联的至少一个淬灭电阻，所述至少一个雪崩光电二极管形成在硅基底上；

信号读出芯片，其包括至少一个信号数字读出电路；

其中，所述传感器芯片和所述信号读出芯片通过倒装方式集成在一起，以使得所述传感器芯片的雪崩光电二极管和对应的淬灭电阻与所述信号读出芯片的信号数字读出电路电气连接，以通过信号数字读出电路读出从淬灭电阻取样的电信号。

在本发明一实施例中，雪崩光电二极管和对应的淬灭电阻通过第一电极相连接；所述信号数字读出电路包括引出电极；所述第一电极和所述引出电极电气连接。

在本发明一实施例中，所述倒装方式包括倒装焊和/或直接键合方式。

在本发明一实施例中，所述至少一个雪崩光电二极管和所述至少一个淬灭电阻形成在硅基底上，所述硅基底为重掺杂衬底硅外延片或绝缘体上的硅SOI。