КРЕМНИЕВЫЙ ФОТОУМНОЖИТЕЛЬ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ

Полезная модель относится к области полупроводниковых оптоэлектронных устройств, в частности к фотодетекторам с высокой эффективностью регистрации света, включая видимую часть спектра.
Известна (RU, 2503082, 27.12.2013) фотоумножительная трубка, содержащая фотокатод для приема светового излучения, генерирующего на фотокатоде фотоэлектроны, электронный умножитель для приема фотоэлектронов, испущенных с фотокатода, генерирующий вторичные электроны, коллектор электронов для сбора вторичных электронов, генерированных электронным умножителем, и электрод подвода энергии для подачи питания на фотокатод и электронный умножитель, причем фотокатод и электронный умножитель расположены внутри прозрачного вакуумного контейнера, коллектор электронов и электрод подвода энергии, проходящий сквозь прозрачный вакуумный контейнер, соединены с внешним контуром. Фотокатод покрывает всю внутреннюю поверхность прозрачного вакуумного контейнера, а электронный умножитель расположен во внутреннем центре прозрачного вакуумного контейнера, чтобы принимать фотоэлектроны с фотокатода во всех направлениях и возбуждать умноженные электроны.
Недостатки известного технического решения характерны для всех вакуумных приборов, а именно: чувствительность к магнитному полю, высокое напряжение, громоздкие размеры.
Известен также кремниевый фотоэлектронный умножитель, составленный из матрицы отдельных ячеек (ЕР, 1755171, 05.05.2004), являющийся наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели. Указанный кремниевый фотоэлектронный умножитель содержит кремниевую подложку и множество фоточувствительных ячеек, которые размещены в слаболегированном эпитаксиальном слое, причем подложка и слаболегированный эпитаксиальный слой отделены друг от друга сильнолегированным слоем, обратной к подложке проводимости. Каждая ячейка содержит индивидуальное гасящее сопротивление, выполненное из поликремния и расположенное поверх диэлектрического слоя, покрывающего все ячейки. Сопротивление с одной стороны подключено ко входному окну ячейки, а с другой - к металлической шине, соединяющей параллельно все сопротивления ячеек. Металлическая шина на периферии с фронтальной поверхности кремниевого фотоумножителя содержит область контакта (контактную площадку), к которой осуществляется ультразвуковая разварка для обеспечения подсоединения устройства к внешней электрической цепи. Данный контакт является первым электродом. Второй электрод по периферии подключается ко сильнолегированному слою и также имеет контактную площадку для ультразвуковой разварки на фронтальной поверхности.
Для получения сигнала от сработавшей ячейки в данном фотоэлектронном умножителе применяется двухэлектродная схема, при которой считывание сигнала и подача обратного напряжения смещения происходит между расположенными на фронтальной поверхности кремниевого фотоэлектронного умножителя контактом от сильнолегированного слоя и контактом шины, соединенной с резистором на каждой ячейке. В процессе эксплуатации между двумя электродами кремниевого фотоумножителя прикладывается напряжение обратного смещения, превышающее напряжение пробоя в области пространственного заряда каждой ячейки, поэтому при поглощении фотона в чувствительной области ячейки в ней развивается гейгеровский разряд, для ограничения которого используется гасящее сопротивление.
Кремниевый фотоэлектронный умножитель SiФЭУ представляет собой компактный, с малым весом, механически прочный, нечувствительный к магнитным полям, с высокой эффективностью регистрации света, с коэффициентом усилением на уровне вакуумных ФЭУ и чувствительный к одиночным фотонам света детектор.
Недостаток известного кремниевого фотоэлектронного умножителя заключается в том, что время распространения сигнала от сработавшей ячейки до контакта сильнолегированного слоя с нагрузкой зависит от места расположения ячейки. Действительно, распределенные сопротивления сильнолегированного слоя вместе с распределенными емкостями pn-перехода сильнолегированный слой - подложка образуют распределенную диссипативную горизонтальную RC-линию. Длина этой линии и, следовательно, время горизонтального распространения сигнала и его амплитуда зависят от места расположения ячейки относительно контакта сильнолегированного слоя с нагрузкой. Это приводит к искажению формы импульса и ухудшению точности определения времени регистрации одиночных фотонов.
Технический результат, предлагаемой полезной модели, состоит в повышении временной точности регистрации одиночных фотонов и уменьшении искажений формы импульсов.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать кремниевый фотоэлектронный умножитель, содержащий кремниевую подложку и два электрода с контактными площадками, расположенными на фронтальной поверхности устройства, первый из которых соединен через металлические шины со множеством фоточувствительных ячеек, размещенных в слаболегированном эпитаксиальном слое, а второй электрод соединен с сильнолегированным слоем, размещенным между кремниевой подложкой и эпитаксиальным слоем и имеющим проводимость обратную проводимости кремниевой подложки, в который дополнительно введен третий электрод, размещенный на нижней поверхности кремниевой подложки, которая имеет удельное сопротивление менее 1 Ом*см.
Сущность полезной модели заключается в том, что в предложенном кремниевом фотоумножителе, напряжение обратного смещения прикладывается между первым и вторым электродами, а считывание импульсного сигнала происходит с третьего электрода, соединенного с кремниевой подложкой, являющейся общей для всех фоточувствительных ячеек. При таком трехэлектродном включении сигнал из каждой ячейки проходит одинаковый вертикальный путь через распределенные емкости pn-перехода сильнолегированный слой - кремниевая подложка и распределенные емкости и резисторы кремниевой подложки на третий электрод. Для предотвращения распространения сигнала по горизонтальному пути через сильнолегированный слой на землю, между вторым электродом и землей подключается импеданс. Он обеспечивает высокое сопротивление для импульсного сигнала, поэтому сигнал практически полностью распространяется только в вертикальном направлении через подложку. Кроме того, величина удельного сопротивления кремниевой подложки должна быть как можно более низкой, менее 1 Ом*см. Это связано с тем, что при увеличении удельного сопротивления кремниевой подложки увеличивается и падение напряжения на ней, что приводит к уменьшению амплитуды выходного сигнала, а уменьшение амплитуды выходного сигнала в свою очередь уменьшает временную точность регистрации фотонов.
Пример конкретной реализации устройства представлен на Фиг. 1, где изображено устройство кремниевого фотоумножителя: 1 - р+ фоточувствительные ячейки SiФЭУ; 2 - гасящие резисторы; 3 - металлические шины, подключенные к гасящим резисторам 2 и соединяющие ячейки 1 в рядах; 4 - первый электрод (контактная площадка, соединенная через металлические шины 3 с ячейками 1); 5 - сильнолегированный n+ слой; 6 - второй электрод (контактная площадка, соединенная с сильнолегированным слоем 5); 7 - шина соединяющая n+ слой 5 с контактной площадкой 6; 8 - диэлектрический слой; 9 - слаболегированный эпитаксиальный слой; 10 - кремниевая подложка; 11 - третий электрод (в конкретной реализации контакт напылен из алюминия, легированного кремнием, на нижней поверхности кремниевой подложки).
2
Устройство работает следующим образом. Области p-типа проводимости, с размерами от нескольких микрон до 100×100 микрон, которые имплантацией или диффузией сформированы в кристалле кремния n-типа проводимости, образуют собой фоточувствительные р+ ячейки SiФЭУ 1. Они работают в режиме гейгеровского разряда при подаче между электродами 4 и 6 постоянного обратного напряжения выше пробойного. Гейгеровский разряд развивается в результате поглощения в ячейке фотона. Гашение разряда происходит благодаря гасящим токоограничивающим резисторам 2, расположенным в каждой ячейке. Металлические шины 3, соединяют отдельные ячейки в ряды и объединяют все ряды между для подачи напряжения на pn-переход каждой ячейки SiФЭУ. Слой 5 расположен под всеми ячейками. Он соединяется через импеданс (например, резистор, причем достаточным импедансом для импульсного сигнала является сопротивление порядка 100 кОм) с контактом 6, вследствие чего обеспечивается постоянное напряжение выше пробойного на всех ячейках. При этом импульсные сигналы с разных ячеек проходят на общую кремниевую подложку 10 с удельным сопротивлением менее 1 Ом*см по одинаковым по длительности и потерям вертикальным путям на напыленный снизу третий электрод 11. Это обеспечивает минимальную разность в длительности распространения сигнала от ячеек, расположенных в различных частях кремниевого фотоумножителя, и одновременно обеспечивает минимальный разброс амплитуд сигналов с разных ячеек.
g1
g2
gn
g1
g2
gn
1
2
n
р1
р2
pn
n(+)1
n(+)2
n(+)n
n(+)1
n(+)2
n(+)n
sh1
sh2
shn
sv1
sv2
svn
sh1
sh2
shn
sv1
sv2
svn
d
Работа устройства также поясняется электрической эквивалентной схемой одного из рядов ячеек кремниевого фотоумножителя, представленной на Фиг. 2. Здесь используются следующие обозначения: Me1 - первый электрод 4 (металлическая контактная площадка для подачи обратного постоянного напряжения смещения); Ме2 - второй электрод 6 (металлическая контактная площадка, соединенная с n+ сильнолегированным слоем кремниевого фотоумножителя); Ме3 - третий электрод 11 (контакт с нижней части кремниевой подложки устройства для получения выходного сигнала); R, R, …, R - токоограничивающие гасящие резисторы 2 каждой из ячеек 1; C, C, …, C - паразитные емкости токоограничивающих резисторов 2; I, I, …, I - импульсные источники соответствующей формы сигнала (сигналы соответствует Гейгеровскому разряду вызванного поглощением фотона в чувствительной области 1); С, С, …, C - паразитные емкости pn-перехода между чувствительной p-областью 1 и n+ слоем 5; R, R, …, R и C, C, …, C - распределенные в сечении сопротивления и емкости n+ слоя 5; R, R, …, R и R, R, …, R - горизонтально и вертикально распределенные сопротивления кремниевой подложки 10; C, C, …, C и C, C, …, C - вертикально и горизонтально распределенные емкости кремниевой подложки 10; R - резистор включенный последовательно n+ слою 5.
Предложенный кремниевый фотоумножитель увеличивает временную точность регистрации одиночных фотонов и уменьшает искажения формы импульсов. Таким образом, использование данного прибора в сцинтилляционных детекторах улучшает их временное разрешение. Полезная модель может быть использована, как в детекторах для физики высоких энергий и космофизики, так и в медицинской физике, например, позитронно-эмиссионной томографии.