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 электроды подвода энергии для подачи питания на фотокатод и электронный умножитель, причем фотокатод и электронный умножитель расположены внутри прозрачного вакуумного контейнера, а коллектор электронов и электроды 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 генерировать вторичные электроны.
Недостатки известного технического решения характерны для большинства вакуумных приборов, а именно: чувствительность к магнитному полю, высокое напряжение и большие габариты.
р
p
Известен кремниевый фотоэлектронный умножитель, составленный из матрицы отдельных ячеек (ЕР, 1755171, 05.05.2004), являющийся наиболее близким аналогом и принимаемым в качестве прототипа предлагаемой полезной модели. Указанный кремниевый фотоумножитель содержит кремниевую подложку и m одинаковых фоточувствительных ячеек, которые размещены на поверхности упомянутой подложки в эпитаксиальном слое. Каждая ячейка содержит индивидуальное гасящее сопротивление, выполненное из поликремния и расположенное поверх диэлектрического слоя, покрывающего все ячейки, а также диод, являющийся p-n переходом, образованным между p+ областью фоточувствительной ячейки и сильнолегированным n+-слоем, расположенным в эпитаксиальном слое под фоточувствительными ячейками. В процессе эксплуатации к каждой ячейке подается обратное напряжение, которое превышает напряжение пробоя. При поглощении фотона в ячейке развивается гейгеровский разряд, ток которого ограничивается гасящим сопротивлением, содержащимся в каждой ячейке. Также каждая фоточувствительная ячейка обладает емкостью С, величина которой определяет заряд, накопленный при гейгеровском срабатывании ячейки и равный Q=C×ΔU, где ΔU - превышение приложенного напряжения над пробойным.
Σ
p
р
p
p
p
спада
Σ
p
Поскольку в данном кремниевом фотоумножителе все m ячеек соединены параллельно, то его суммарная выходная емкость С=m×C является суммой емкостей С каждой ячейки. При срабатывании одной ячейки остальные m-1 ячеек выступают в качестве делителя напряжения. Это приводит к уменьшению амплитуды импульса напряжения на выходе в (C+(m-1)C)/C=m раз, а значит, к уменьшению отношения сигнал/шум в m раз. Кроме того, так как длительность заднего фронта импульса кремниевого фотоумножителя t пропорциональна емкости m ячеек С=m×C, то, следовательно, длительность заднего фронта такого импульса в m раз больше по сравнению с длительностью заднего фронта импульса одиночной фоточувствительной ячейки, что приводит к уменьшению быстродействия кремниевого фотоумножителя.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в повышении быстродействия и увеличении отношения сигнал/шум.
j
j
j
j
j
1
2
n
1
2
n
1
2
n
i
1
2
n
i
1
2
n
1
2
n-1
n
Для достижения указанного технического результата предложен кремниевый фотоумножитель для регистрации одиночных фотонов, содержащий m фоточувствительных ячеек, каждая из которых включает в себя обратно смещенный диод D и гасящий резистор RG (j=1, 2, …, m), причем первые входы гасящих резисторов RG являются входами фоточувствительных ячеек, а вторые входы резисторов RG соединены с соответствующими анодами диодов D, катоды которых являются выходами фоточувствительных ячеек, в который дополнительно введены первая группа из n резисторов R1, R1, …, R1, вторая группа из n резисторов R2, R2, …, R2, группа из n разделительных емкостей C, С, …, C, причем m фоточувствительных ячеек разделены на n групп, каждая из которых содержит k фоточувствительных ячеек (m=n*k), таким образом, что в каждой i-ой группе (i=1, 2, …, n) входы фоточувствительных ячеек объединены между собой и являются входом группы, а выходы фоточувствительных ячеек также объединены между собой и являются выходом группы (фиг. 1), причем входы каждой i-ой группы соединены со вторым входом соответствующего резистора R1 первой группы из n резисторов, а первые входы всех резисторов R1, R1, …, R1 первой группы объединены между собой и являются внешним входом устройства, выходы каждой i-ой группы соединены с первым входом соответствующего резистора R2 второй группы из n резисторов, а вторые входы всех резисторов R2, R2, …, R2 второй группы объединены между собой и подключены к нулевому потенциалу, кроме того, выходы групп, начиная с первой группы до (n-1)-ой группы, соединены через соответствующие разделительные емкости C, С, …, C с входами соответствующей последующей группы, начиная со второй группы до n-ой группы, к выходу последней n-ой группы подключена разделительная емкость C, второй вход которой является выходом устройства (фиг. 2).
На фиг. 1 приведена схема i-ой группы (i=1, 2, …, n) фоточувствительных ячеек; на фиг. 2 приведена схема кремниевого фотоумножителя; на фиг. 3 приведен пример конкретной реализации кремниевого фотоумножителя, который содержит 3 группы по 3 фоточувствительных ячейки.
1
2
n
1
2
n
2
Сущность полезной модели заключается в том, что в предложенном кремниевом фотоумножителе m фоточувствительных ячеек разделены на n групп по k фоточувствительных ячеек (m=n*k). При этом постоянное обратное напряжение задается одинаковым для каждой группы фоточувствительных ячеек с помощью двух дополнительных шин через резисторы R1, R1, …, R1 и R2, R2, …, R2. Так как каждая группа i-ая группа (i=1, 2, …, n) обладает емкостью, являющейся суммой емкостей каждой ячейки, то такое подключение, исходя из формулы (1), обеспечивает уменьшение выходной емкости устройства в n раз по сравнению с параллельно подключенными группами фоточувствительных ячеек:
,
Σ
Σ1
Σ2
Σn
i
i+1
n
2
где C - суммарная емкость всех групп, а C, С, …, C - суммарная емкость каждой из групп. Это приводит к уменьшению длительности заднего фронта сигнала в n раз по сравнению с параллельным соединением всех групп (поскольку все ячейки одинаковые, то суммарные емкости каждой из групп равны), что увеличивает быстродействие устройства. Кроме того, импульсный сигнал от любой из сработавших фоточувствительных ячеек i-ой групп (i=1, 2, …, n) поступает на выход устройства последовательно через все остальные (i+1, i+2, …, n-i) группы фоточувствительных ячеек и соответствующие разделительные емкости C, C, …, C, расположенные между группами, а его амплитуда практически не уменьшается, что улучшает отношение сигнал/шум.
При изготовлении кремниевого фотоумножителя используют технологии, применяемые в производстве кремниевых приборов.
h
i
2
i
i
2
2
Пример конкретной реализации кремниевого фотоумножителя, изображен на фиг. 3: 1 - вход устройства (контактная площадка для постоянного подачи напряжения обратного смещения); 2 - р+ фоточувствительные ячейки; 3 - гасящие резисторы RG фоточувствительных ячеек; 4 - слаболегированный эпитаксиальный слой; 5 - металлические шины, соединяющие гасящие резисторы 3 фоточувствительных ячеек 2 и являющиеся входом групп; 6 - токозадающие резисторы R1; 7 - дополнительная шина, соединяющая входы групп через резисторы 6; 8 - сильнолегированный n+ слой, являющийся выходом группы; 9 - поверхностный диэлектрический слой (оксид SiO); 10 - развязывающие резисторы R2; 11 - металлическая шина, соединяющая выходы групп через резисторы 10; 12 - разделительные емкости C, сформированные структурой металл-диэлектрик-металл между выходом предыдущей группы и входом последующей; 13 - изолирующие канавки, протравленные в кремнии и заполненные оксидом (SiO); 14 - кремниевая подложка; 15 - диэлектрический SiO слой, отделяющий группы ячеек от кремниевой подложки устройства; 16 - выход устройства (контактная площадка для получения сигнала).
2
Области p-типа проводимости 2, с размерами от нескольких микрон до 100×100 микрон, которые имплантацией или диффузией сформированы в слаболегированном эпитаксиальном слое 4 на кремниевой подложке 14 и представляют собой аноды, тогда как сильнолегированный n+ слой 8, созданный посредством ионной имплантации, является катодом, таким образом вместе эти слои образуют диоды, являющиеся фоточувствительными ячейками кремниевого фотоумножителя. Фоточувствительные ячейки работают в режиме гейгеровского разряда при подаче напряжения, превышающего пробойное, на контактную площадку входа устройства 1, при условии, что шина 11, соединяющая развязывающие резисторы 10, расположенные на диэлектрическом слое 9, подключена к нулевому потенциалу. Гейгеровский разряд развивается в результате поглощения в ячейке фотона. Гашение разряда происходит благодаря поликремниевому гасящему резистору 3, расположенному в каждой ячейке на поверхности диэлетрического слоя 9 и подсоединенного к области p-типа проводимости 2. Ячейки объединены в группы через гасящие резисторы 3 металлической шиной 5, которая является входом группы и обеспечивает прохождение электрического импульса от сработавшей ячейки до токозадающего резистора 6. Сильнолегированный n+ слой 8 объединяет катоды всех фоточувствительных ячеек в группе и является выходом группы.
Каждая группа изолирована от всех остальных групп посредством изолирующих канавок 13, созданных в кремнии реактивным ионным травлением и заполненных оксидом кремния. Дно разделительных канавок смыкается со слоем оксида кремния 15, отделяющим подложку 16 от слаболегированного эпитаксиального слоя 4. Токозадающие резисторы 6 соединены металлической шиной 7 в общей точке и подключены к контактной площадке 1, являющейся входом устройства. Металлические слои на выходе каждой группы отделены друг от друга осажденным слоем оксида кремния 9 и таким образом получается разделительная емкость 12, использующаяся при соединении групп в составе устройства. Для n-ой группы емкость 12 подсоединена к выходной контактной площадке устройства 16, являющейся выходом устройства.
Устройство работает следующим образом. На вход 1 устройства подается обратное напряжение смещения, необходимое для перехода диодов всех групп фоточувствительных ячеек в гейгеровский режим. Для того, чтобы на всех диодах величина напряжения смещения была одинаковая, необходимо, чтобы все развязывающие резисторы 6 имели один и тот же номинал, и токозадающие резисторы 10 также были равны между собой. Например, при поглощении фотона в p-области 2 одной из фоточувствительных ячеек первой группы в области pn-перехода диода соответствующей ячейки развивается гейгеровский разряд, который гасится за счет падения напряжения на соответствующем гасящем резисторе 3. При этом импульсный сигнал от появления гейгеровского разряда распространяется по слою 8, через соответствующую для этой группы фоточувствительных ячеек разделительную емкость 12 попадает на шину 5, объединяющую фоточувствительные ячейки второй группы, а затем через них аналогичным образом проходит в третью группу. После прохождения разделительной емкости, расположенной после третьей группы, импульсный сигнал попадает на выход кремниевого умножителя 16. При этом суммарная выходная емкость кремниевого фотоумножителя уменьшается в девять раз по сравнению с известным прототипом, что соответственно увеличивает быстродействие. При этом амплитуда сигнала в прототипе, что соответственно увеличивает отношение сигнал/шум.
Таким образом, предложенный кремниевый фотоумножитель обладает более высоким быстродействием из-за меньшей емкости, а амплитуда выходного сигнала выше и, следовательно, отношение сигнал/шум больше по сравнению с кремниевыми фотоумножителями, где все фоточувствительные ячейки соединены параллельно. Предложенный кремниевый фотоумножитель можно использовать для считывания сигнала со сцинтилляторов больших размеров, с сохранением характеристик выходного сигнала, что позволяет применять его в детекторах для регистрации элементарных частиц и в сцинтилляционных гамма-камерах радионуклидной диагностики.