具有非常低的光学串扰以及改进的读出的硅光电倍增器

摘要

基于硅的光电倍增器器件包括基板(1)、第一导电类型的第一层(2)、以及在第一层上形成的第二导电类型的第二层(3)，其中，第一层(2)和第二层(3)形成p-n结，其中，第一层(2)和第二层(3)被设置在基板(1)上或者基板(1)的上面。在基板(1)和第一层(2)之间的材料层(15)实现光吸收体的功能，因此高效地抑制器件的相邻单元之间的串扰。材料层(15)还可以用作用于从器件读出电信号的电极。

说明书

本发明涉及基于硅的光电倍增器器件以及用于制造基于硅的光电倍增器器件的 方法。

本发明总体上涉及半导体光电器件的领域，特别是涉及包括在光谱的可见部分的 具有高效率的光检测的光检测器。根据本发明的光检测器能够被用在采用对非常弱且 快速的光信号进行检测的广泛的应用领域(如例如，工业和医疗断层扫描 (tomography)、生命科学、核、粒子和宇宙粒子物理学等)中。

根据现有技术的基于硅的光电倍增器(SiPM)(参见例如EP1755171B1)包括 单独的单元的阵列。具体地，SiPM包括硅基板以及位于所述基板的表面上的多个单 元。每个单元包括内部的单独的猝熄电阻器(quenchingresistor)，该猝熄电阻器由例 如高阻多晶硅制成并且位于覆盖有所有单元的氧化硅层的顶部上。在操作中，每个单 元被提供有超过击穿电压的反向偏置电压。当光子在单元中被吸收时，发生盖革 (Geiger)放电，该放电正受猝熄电阻器限制。

这些器件中的一个主要问题可以被描述为“光学串扰”，其中，不同形式的光学 串扰可以出现在器件中。一种形式的光学串扰起源于在相邻单元的盖革放电中产生的 光子。由本公开解决的另一种形式的光学串扰起源于在第一单元处的处于倾斜角度的 倍增器中产生的光子，这些光子正被全内反射在器件的后表面或侧表面，并且从背侧 或侧壁撞击到另一个单元中并在这里开始盖革放电。由于全内反射效率是100％，因 此背部反射的光子能够在正由这些单元中的一个吸收并且进行烧制之前从SiPM的壁 幸存多个反射。另一种类型的串扰(“块串扰(bulkcross-talk)”)可以经由来自在硅 基板的体积中的某处产生电荷载体的盖革雪崩的光子而诱发，所述光子可以朝向相邻 的单元迁移并且激发所述相邻的单元。

这些器件中的一个进一步的问题是光到电流响应能够使得在被光子击中之后的 电荷收集时间(所谓的快分量)可以非常短(仅数个纳秒)，但是，无论如何，由流 过猝熄电阻器的放电电流而导致的所谓的慢分量可以是由于被用于驱动器件的电路 的RC时间常数以及来自该器件的读出电信号而导致的数10纳秒直到数100纳秒的 量级。另一方面，硅光电倍增器器件的像例如PET(正电子发射断层扫描)、HEP(高 能物理)检测器等这样的许多潜在应用要求在1ns的量级之上或者甚至更短的时间 常数的快速的光到电流响应。

因此，本发明的目的在于提供具有相对于一种或更多种光学串扰的抑制的改进的 特性或读出的基于硅的光电倍增器以及用于制造这种光电倍增器的方法。

由从属权利要求的特征来解决该目的。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

本公开的一个总体思想是提供用于制造新颖类型的基于硅的光倍增器器件的任 何适当的类型的材料的基板。术语“基于硅”可以仅是指器件的有源层，而不再是指 原则上可以由任何材料或构造形成的基板。所述基板可以具有赋予器件机械稳定性的 功能，而且其也可以具有作为高效地吸收在单元的盖革雪崩中产生的光子的吸收体的 功能。在基板的顶部上，可以沉积一个或更多个特殊层，所述一个或更多个特殊层可 以具有放大吸收效果的功能和/或用于从器件读出电信号的附加电极的功能。具体地， 该层可以是由导电材料制成，使得其可以用作阱(well)或者单独用作要从器件读出 电信号的电极。

因此，第一方面涉及一种基于硅的光电倍增器器件，该光电倍增器器件包括基板、 第一导电类型的第一层、以及形成在所述第一层上的第二导电类型的第二层，其中， 所述第一层和所述第二层形成p-n结，其中，所述第一层和所述第二层被布置在所述 基板上。

根据所述光电倍增器器件的一个实施方式，所述基板是导电类型、半导体类型或 绝缘类型中的一种或更多种。

根据所述光电倍增器器件的一个实施方式，所述第一层在所述基板上外延地生 长。然后，可以像随后将在实施方式中例示的那样在第一层中或者在第一层上形成第 二层。可以按照特殊的方式准备外延地生长有第一层的基板的上表面，使得第一层的 外延生长是可能的。具体地，在没有正在由半导体材料制成的基板的情况下，可能有 必要沉积像例如半导体层一样的层，使得第一层的随后的外延生长是可能的。

根据所述光电倍增器器件的一个实施方式，第一层和第二层作为整体被沉积，特 别是粘合到基板上。具体地，首先可以在硅基板上组装第一层和第二层，此后可以从 背部将硅基板减薄，然后可以通过粘合或粘附将第一层和第二层施加到另一基板上。

根据所述光电倍增器器件的一个实施方式，材料层可以被设置在基板的主上表面 和第一层的主下表面之间，其中，该材料层可以由与基板的材料不同的材料制成。材 料层可以用作不同的功能。首先，如上所述，材料层可以特别是在基板没有正在由半 导体材料制成的情况下由半导体材料制成，使得该材料层可以使得第一层能够在后续 的步骤中在该材料层上外延地生长。第二，材料层可以实现光吸收体的功能，其中， 特别是该材料层的材料可以被选择成使得入射在第一层和材料层之间的界面上的波 长在约1000nm的范围内的光的反射率低或者非常低，特别是远低于100％，小于50 ％或小于25％。以这种方式，材料层可以用于高效地抑制器件的相邻单元之间的光 学串扰。第三，材料层可以用作电极，以被用于从器件读出电信号。因此，下面将更 详细地示出实施方式。可以利用材料层一次性地实现材料层的上述第一功能至第三功 能中的一种或更多种。根据一个实施方式，材料层的材料包括以下项中的一个或更多 个：金属、金属化合物、金属合金、以及纯的或复合型的半导体。可以从一种且仅一 种元素金属形成材料层，然而，也能够形成两种或更多种金属的合金或者一种金属和 另一元素的合金，以形成材料层的材料。除金属以外，半导体材料也能够被用作材料 层的材料。另外，还能够使用合金半导体作为用于材料层的材料。根据一个实施方式， 可以通过蒸发技术或者通过溅射或任何其它常规技术使材料层沉积在基板的上表面 上。材料层的厚度可以在5nm至1000nm的范围内，具体地是5nm至500nm的范 围内，具体地是5nm至100nm的范围内。根据另一个实施方式，可以通过离子注入 步骤来产生材料层，其中，离子注入的参数被选择成使得由于晶格的注入引起的损害， 波长约等于1000nm的范围的光的吸收长度减小，使得入射在前侧面上的光将不被透 射。根据其实施方式，通过包括在10¹³至10¹⁵cm^-2的范围内的离子剂量以及在1MeV 至10MeV的范围内的离子能量的离子注入步骤来处理基板的背表面。

根据所述光电倍增器器件的一个实施方式，该器件还包括第一电极和第二电极， 以为该器件提供偏置电压。第一电极可以与第二层连接，并且第二电极可以与导电基 板或者与设置在基板上或基板上方的材料层连接。

根据所述光电倍增器器件的一个实施方式，该器件包括三个电极或端子，即用于 使电压偏置的两个电极以及读出电信号的第三电极。具体地，该器件包括：第一电极 和第二电极，以向该器件提供偏置电压；以及第三电极，其被布置为从该器件提供可 能以静电方式引起的输出信号。第一电极可以与第二层连接，并且第二电极可以与导 电基板或者设置在基板上的导电材料层连接。可以按被设置在第一层上或者在第一层 上方的导电层(即，有源层)的形式来提供第三电极。事实上，第三电极可以比电极 更是端子，因为该第三电极不会为器件提供进一步的电势，而是用于从该器件读出电 信号。下面将更详细地示出实施方式。

根据所述光电倍增器器件的一个实施方式，该器件还包括多个光敏单元，其中， 第一电极被布置成为光敏单元提供电势，第二电极被布置为用于光敏单元的接地电 极，并且第三电极被布置为从光敏单元提供输出信号，其中，如先前概述的，第三电 极可以比电极更加地是端子。

根据所述光电倍增器器件的一个实施方式，隔离槽(trench)可以在相邻的单元 之间形成，以抑制由于在第一层内扩散的光而导致的残留的光学串扰。可以按横截面 V形凹槽的形式在相邻的单元之间布置槽，但是像例如等离子体蚀刻这样的技术也可 以被用于形成这种隔离槽。根据一个实施方式，单元、特别是相邻的单元可以通过放 置在V形垂直或任何其它形式的槽中的不透明的材料而彼此分隔开。

根据所述光电倍增器器件的一个实施方式，基板也可以被构造为像例如柔性印刷 电路板(挠性板)这样的柔性的、可弯曲的或可扭曲的基板，使得基板能够被安装在 像例如半球形表面这样的任何非平坦的表面上。

所述光电倍增器器件的一个重要优点是能够使上述光学串扰显著地降低到低的 或者非常低的水平。在这样的实施方式中还能够使上述块串扰显著地减少或者甚至变 得不可能存在：硅块实际上被排除，并且该块由替代材料制成且其唯一的功能是机械 支承，以及还可能吸收来自盖革雪崩的光子。

可以利用此处描述的实施方式中的大多数或全部来自动地实现所述光电倍增器 器件的另一个优点(即，该器件具有非常高的辐射硬度)。特别是在该器件的设计中 不存在硅块的这些情况下，将实际上将否则可以由该块捕获的任何辐射排除在外，该 辐射损害该块，并且产生可以朝向有源单元扩散或者迁移并且激发这些有源单元的电 荷载体。

本公开的第二方面涉及一种用于制造基于硅的光电倍增器的方法，其中，该方法 包括以下步骤：提供基板；在所述基板上施加层化合物，所述层化合物包括第一导电 类型的第一层以及第二导电类型的第二层，其中，所述第一层和所述第二层形成p-n 结，并且其中，所述第一层的主下表面面对所述基板的主上表面。

根据所述方法的一个实施方式，第一层在基板上外延地生长，并且通过例如扩散 掺杂或者离子注入掺杂在第一层上制造第二层。第一层可以在基板上直接地外延生 长，或者在被设置在基板上并使得能够在以下情况下外延地生长的材料层上外延地生 长：例如，基板未由半导体制成的情况，或者基板由半导体制成，但是出于晶格失配 的原因而使得第一层不能够直接地外延生长的情况。

根据所述方法的一个实施方式，提供第一基板，其中，所述第一基板是硅基板或 者基于硅的基板；在所述第一基板上提供第一导电类型的第一层以及第二导电类型的 第二层，其中，所述第一层和所述第二层形成p-n结；在远离所述第一层和所述第二 层的背部上去除所述第一基板的一部分；以及将所述第一基板施加到第二基板。所述 第二基板可以是导电类型、半导体类型或绝缘类型中的一种或更多种。可以通过例如 粘附或者粘合将减薄的第一基板施加到第二基板上。

根据所述方法的一个实施方式，在第一层分别与基板或第二基板之间施加材料 层。该材料层的材料可以是这样的，并且能够具有正如以上结合所述光电倍增器器件 阐述的那样的特性和目的。

根据方法的一个实施方式，布置第一电极和第二电极，以为器件提供偏置电压。 第一电极可以与第二层连接，并且如果已经被选定导电基板，则第二电极可以与基板 连接。在这种情况下，可以从基板的底部执行读出。

根据方法的一个实施方式，布置第一电极和第二电极，以为器件提供偏置电压， 并且可以布置第三电极，以从器件提供输出信号。在存在以上指定的材料层的情况下 以及另外在存在导电材料层的情况下，第三电极可以与材料层连接。

本公开的另一方面涉及一种辐射检测器，该辐射检测器包括闪烁体(scintillator) 以及诸如在本申请中描述的光电阵列这样的基于硅的光电阵列，其中，基于硅的光电 倍增器被布置以响应于接收的辐射而接收由闪烁体产生的光的突发(burst)。

附图说明

附图被包括进来以提供对实施方式的进一步理解，并且被并入本说明书且构成本 说明书的一部分。附图例示了实施方式，并且与本说明书一起用来解释实施方式的原 理。其它实施方式和实施方式的许多预期的优点将很容易被理解，因为它们通过参考 以下详细描述而变得更好理解。

图1示出了包括任意基板以及从基板的底部读出的示例性的基于硅的光电倍增 器的部分截面的示意性横截面表示；

图2示出了包括导电基板以及从基板的顶部读出的示例性的基于硅的光电倍增 器的部分截面的示意性横截面表示；

图3示出了在基板上包括导电层以及通过导电层读出的示例性的基于硅的光电 倍增器的部分截面的示意性横截面表示；

图4A和图4B示出了在基板上包括导电层以及在有源层(A)的顶部上包括另外 的电极层的示例性的基于硅的光电倍增器的部分截面的示意性横截面表示及其等效 电路表示(B)；

图5A和图5B示出了在基板上包括导电层以及在有源层(A)的顶部上包括另外 的电极层的示例性的基于硅的光电倍增器的部分截面的示意性横截面表示及其等效 电路表示(B)；

图6示出了包括机械支承件并且支承承载器件层的柱(column)的示例性的基于 硅的光电倍增器的部分截面的示意性横截面表示。

图7的A、B和C示出了用于制造基于硅的光电倍增器器件的示例性方法的示意 性横截面表示。

具体实施方式

现在参照附图来描述该些方面和实施方式，其中，相同的附图标记总体上被用于 自始至终指代相同的元件。在以下描述中，出于说明的目的，阐述许多具体细节，以 便提供对这些实施方式的一个或更多个方面的彻底理解。然而，对于本领域技术人员 可能明显的是，可以在这些具体细节中的较小的程度的情况下来实践这些实施方式的 一个或更多个方面。在其它示例中，按示意性的形式显示已知的结构和元件，以便利 于描述这些实施方式的一个或更多个方面。因此，以下描述不应该被视为具有限制性 的含义，并且范围由所附的权利要求限定。还应当指出的是，图中的各个层、片或基 板的表示不一定按比例绘制。

在以下详细描述中，参照了附图，附图形成其一部分，并且通过可以实践本发明 的例示特定实施方式而示出。关于这一点，参照正被描述的图的取向来使用诸如“上”、 “下”、“左手”、“右手”、“前侧”、“后侧”等这样的方向术语。因为实施方式的组件 可以被定位成许多不同的取向，所以方向术语被用于例示的目的，并且不以任何方式 进行限制。要理解的是，可以利用其它实施方式，并且可以在不脱离本发明的范围的 情况下进行结构上或逻辑上的改变。

图1例示了根据一个示例的基于硅的光电倍增器器件的横截面侧视图表示。图1 的倍增器器件10示出了在器件10的上部中的多个相邻的光单元。器件10包括可以 作为针对所有光单元的公共基板的基板1、也可以共同针对所有光单元的第一层2、 以及在这些光单元中的每一个光单元中的单独的第二层3。第一层2可以包括例如n 型的第一导电类型，并且第二层3可以包括例如p型的第二导电类型。第一层2和第 二层3的组件也被称为“有源层”。可以像例如通过凭借掩模扩散掺杂或离子注入掺 杂那样通过在空间上对先前均匀的第一层2进行选择性的掺杂来制造第二层3，以便 产生p掺杂的第二层3。随后，在第一层2的上表面上生长介电层4。在第二层3中 的每一个上面的介电层4中形成通孔，并且这些通孔被填充有导电材料，使得第二层 3中的每一个能够通过适当的布线层连接到用于向其施加电势的第一电极5。基板1 可以由导电材料制成，使得其可以连接到第二电极或者总电势(masspotential)6。 第一电极5和总电势6因此用于将偏置电压施加到器件10的光单元中的每一个。如 示出的，还可以从基板的底部执行器件的读出。如果基板1由非导电体或绝缘体或半 导体制成，则第二电极或总电势能够与第一层2连接，并且还能够从第一层2执行读 出。可以在光单元中的每一个中(如例如在从第一电极5行进到单独的光单元(即， 到第二层3)的电气线路中)设置用于猝熄雪崩电流的猝熄电阻器(未示出)。猝熄 电阻器可以由以下项制成：多晶硅、金属、金属合金和/或其它材料、以及可以被用 作猝熄电阻器或者表面注入硅或者硅体积或者任何其它有源猝熄方案的不同的材料 的组合。在单元之间的槽可以位于层2和/或材料层15和/或隔离层16的任何部分中。

可以根据不同的方法来制造如图1中所示的器件10。在图7的A、B和C中进 一步详细地说明一种方法。在图7的A中所示的第一步骤中，通过以下方式在硅基 板(第一基板)的顶部上产生有源层：在硅基板的上表面上外延地生长经n掺杂的第 一层2，或者将掺杂原子或离子注入到硅基板的上表面中，然后通过如上所述地在空 间上对第一层2进行选择性的掺杂来产生经p掺杂的第二层3。在图7的B中所示的 第二步骤中，如由图7的B中的箭头指示地将硅基板减薄到必需的最小厚度。可以 通过例如以下项中的一个或更多个在背部上执行减薄：研磨、抛光或者化学机械抛光 (CMP)。可以将硅基板减薄直到从背部达到第一层2或者另选地可以留下硅基板11 的剩余的层。因此，最终厚度可以处在与例如0.5μm直到5μm或10μm一样低的量 级。在如图7的C中所示的第三步骤中，如由图7的C中的箭头指示地将经减薄的 硅基板施加到基板1上。基板1可以是如结合图1示出并描述的基板。可以通过以下 项中的任一个或更多个来执行施加经减薄的基板11的步骤：接合、粘合、粘附。可 以根据基板1的材料(特别是根据像表面结构、表面能量电势、接合能力等这样的特 性)来选择将经减薄的基板施加到基板1的特殊处理。因此，图1的器件10还可以 包括粘附层或接合层或粘合层(未示出)，其被设置在基板1和第一层2之间。在将 经减薄的基板11施加到基板1之前，能够将诸如在图3以及图4A和图4B所示的材 料层15这样的材料层15施加到基板1的上表面上。

制造图1的器件10的另一种方法如下：在基板1上外延地生长第一层2，然后 通过在期望的区域中在空间上将掺杂原子或离子选择性地引入到第一层2中来制造 第二层3。这可能需要按特定的方式来制备基板1，使得第一层2的外延生长成为可 能。换句话说，可能需要提供与硅基板的表面相同或相似的表面条件。如果基板1 是硅基板或者基于硅的基板，则第一层2的外延生长将在无需进一步的修改的情况下 是可能的。然而，如果基板1是无硅基板，并且也许是另一半导体基板或者甚至不是 半导体基板而是像陶瓷、塑料、PCB或者金属这样的任何其它材料，则可能需要首 先在基板1上生长中间层，这使得第一层2能够随后在该中间层上外延地生长。未在 图1中示出的中间层然后可以被选择成使得其还可以用于像例如用作用于可能以其 它方式导致光学串扰的光辐射的高效的吸收体这样的另外的目的。这种中间层的一个 示例是SiGe层。

图2例示了根据一个示例的基于硅的光电倍增器器件的横截面侧视图表示。图2 的光电倍增器器件20与图1的器件10相似。一个区别在于器件20的基板1必须是 导电基板1。另一个区别在于在器件20的边缘部分中在第一层2和交叠的介电层4 中形成凹部，使得能够从器件20的前侧凹进到导电基板1。在凹部中送入如图2中 所示的电线或引线并且与材料层15的上表面接触。该电线或引线可以被用来从器件 20读出电信号。此外，能够通过引线将总电势或者第二电极的总电势从器件20的前 侧施加到导电基板1。

图3例示了根据一个示例的基于硅的光电倍增器器件的横截面侧视图表示。图3 的光电倍增器器件30与图2的器件20相似。一个区别在于如图1中的器件10的基 板1那样，基板1可以由任何期望的材料制成。另一个区别在于导电材料层15形成 在基板1的上表面上。在该实施方式中，读出线或引线与材料层15的上表面接触。 另外，在这种情况下，可以将第二电极的总电势或电势施加到材料层15。材料层15 的材料还可以被选择成使得材料层15还用作用于可能以其它方式在器件30中导致光 学串扰的光辐射的吸收体层。

图4A例示了根据一个示例的基于硅的光电倍增器器件的部分截面的横截面侧视 图表示。图4的光电倍增器器件40与图3的器件30相似。一个区别在于一个另外的 电极层4a被布置在第一层1上。为了理解该器件的原理功能，首先参照图4B。可能 出现的情况是如图1至图3的器件中示出的那样通过导电基板1或者通过导电层15 读出导致慢的光到电流响应，特别是由于RC时间常数而导致的缓慢衰减的分量，其 中，C表示有源层与导电基板1或导电层15之间的寄生电容。除去这些长的分量的 可能的方式是在光单元处实现人造电容C_A并且通过仅感测在有源层上面的一点处的 电信号的位移电流以静电方式读出电信号，使得不包含有源层和基板之间的电容。可 以通过按照这样的方式在第一层1上设置另外的电极层4a来实现人造电容：该电极 层4a在第二层3上面包括开口。在每个光单元处，附加的电线被分支为偏置电压馈 送线，并且在介电层4上与电焊盘连接。该焊盘与第三电极层4a的下面部分形成人 造电容。还可以在第一层2的上表面和第三电极层4a的下表面之间设置附加的绝缘 层，以便确保第三电极层4a与有源层的电流隔离。第二层3上面的开口可以形成比 第二层3的横向尺寸稍大，使得在倾斜的角度下入射的光也能够到达有源区域。此外 或者另选地，第三电极层4a可以被制造为透明的层。

图5A和图5B例示了另一示例的基于硅的光电倍增器。图5A和图5B的光电倍 增器50与图3的器件30相似。一个区别在于在材料层15下面设置有绝缘层16以及 用于读出的导电层27。该读出机制与图4A和图4B的读出机制相似，因为在光单元 处实现了人造电容C_A并且通过仅感测在有源层下面的一点处的电信号的位移电流来 以静电方式读出电信号。

图6例示了另一示例的基于硅的光电倍增器。图6的光电倍增器60与图5A和 图5B的器件50相似。一个区别在于最低的层(即，电读出层27)没有被直接地设 置在机械支承件1上。代替设置了支承柱17，所述支承柱17与机械支承件1连接， 并且在直立方向上穿过包括有源层、材料层、绝缘层16和读出层27的层化合物延伸 直到介电层4的上表面。支承柱的上部可以帮助阻止相邻的光单元之间的光学串扰。 读出层27和机械支承件1之间的空的空间可以被填充有像例如空气或者任何其它气 体或任何其它材料这样的介质，或者该空间也可以被排空。

图7的A、B和C例示了用于例示用于制造以上已经结合图1说明的基于硅的光 电倍增器器件的示例的横截面侧视图表示。

虽然已经针对一种或更多种实现例示并描述了本发明，但是可以在不脱离所附的 权利要求的精神和范围的情况下进行改变和/或修改。特别是关于通过上述组件或结 构(组件、器件、电路、系统等)来执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述 这些组件的术语(包括对“手段”的参考)旨在对应于执行所描述的组件的特定功能 的任何组件或结构(例如，功能上等效)，即使在结构上不等同于所公开的执行本文 中例示的本发明的示例性实现中的功能的结构。