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, патент 2503082, опубл. 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.
Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа полезной модели, является кремниевый фотоумножитель, составленный из матрицы отдельных ячеек (ЕР, заявка 1755171, опубл. 05.05.2004). Указанный кремниевый фотоумножитель содержит кремниевую подложку и множество ячеек, которые размещены на поверхности упомянутой подложки в эпитаксиальном слое. Каждая ячейка содержит внутренний отдельный гасящий сопротивление слой, выполненный из кремния и расположенный поверх слоя оксида кремния, который покрывает все ячейки. В процессе эксплуатации к каждой ячейке подают напряжение обратного смещения, которое превышает напряжение пробоя. При поглощении фотона в ячейке развивается гейгеровский разряд, который ограничивают гасящим сопротивлением, содержащимся в каждой ячейке.
Кремниевый фотоэлектронный умножитель SiФЭУ представляет собой компактный, с малым весом, механически прочный, нечувствительный к магнитным полям, с высокой эффективностью регистрации света, с усилением на уровне вакуумных ФЭУ, чувствительный к одиночным фотонам детектор.
2
р
ш
Недостатком известного кремниевого фотоэлектронного умножителя следует признать то, что при увеличении его площади (3×3, 6×6 мм и более) амплитуда выходного сигнала уменьшается, длительность сигнала увеличивается, а разброс задержки времени прихода сигнала от сработавших в разных местах SiФЭУ ячеек увеличивается. При этом основной вклад в увеличение разности времени прихода сигнала от сработавшей ячейки до выходного контакта вносит задержка сигнала при транспортировке его по шинам, соединяющим ряды ячеек между собой. Такая задержка связана с тем, что ряд объединенных между собой ячеек представляет некоторую эквивалентную емкость С, а соединяющая ряды общая шина - обладает индуктивностью L, что приводит к возникновению линии задержки с постоянной времени , с. Следовательно, чем больше ячеек в ряду, то есть, чем больше SiФЭУ, тем больше емкость ряда Ср, тем больше задержка сигнала.
Техническая задача, решаемая посредством предлагаемой полезной модели, состоит в оптимизации эксплуатационных параметров кремниевого фотоумножителя.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного устройства, состоит в минимизации суммарной емкости ячеек, подключенных к соединяющим трассам кремниевого фотоэлектронного умножителя, посредством экранирования их выходной общей емкости меньшей выходной емкостью дополнительного преобразователя электрических сигналов, что позволит уменьшить задержку времени прихода сигнала от сработавших в разных рядах SiФЭУ ячеек и улучшит точность временной привязки регистрируемых оптических сигналов.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать кремниевый фотоэлектронный умножитель со встроенными преобразователями электрических сигналов. Он содержит множество групп фоточувствительных ячеек, каждая группа содержит, по меньшей мере, одну фоточувствительную ячейку, при этом каждая из групп подключена ко входу интегрированного встроенного аналогового преобразователя электрических сигналов, причем выходная емкость указанного интегрированного преобразователя не менее, чем на порядок меньше суммарной емкости подсоединенных к нему ячеек, при этом фотоумножитель выполнен таким образом, что его выходной сигнал представляет собой сумму аналоговых выходных сигналов всех буферов.
В частном случае указанные интегрированные аналоговые преобразователи представляют собой повторители тока на полевых или биполярных транзисторах.
При изготовлении кремниевого фотоумножителя используют обычные технологии, применяемые в производстве кремниевых приборов.
Предлагаемое устройство поясняется фиг. 1, где представлена схема расположения основных элементов кремниевого фотоумножителя: 1 - области p-типа проводимости ячеек SiФЭУ, 2 - общая подложка n-типа проводимости, 3 - металлические шины, соединяющие p-области ячеек в ряду, 4 - преобразователь электрических сигналов, выполненный на общей подложке 2, 5 - шина, объединяющая ряды ячеек, 6 - контактная площадка выхода устройства, 7 - контактная площадка для подачи напряжения смещения к общей подложке 2.
2
Области p-типа проводимости 1, с размерами от нескольких микрон до 100×100 микрон, которые имплантацией или диффузией сформированы в кристалле кремния n-типа проводимости 2, образуют собой фоточувствительные ячейки SiФЭУ. Они работают в режиме гейгеровского разряда, при подаче напряжения обратного смещения выше пробойного, между контактными площадками 6 и 7. Гейгеровский разряд развивается в результате поглощения в ячейке фотона. Гашение разряда происходит благодаря токоограничивающему резистору, расположенному в каждой ячейке.
Ячейки объединены в группы, например, в ряды, посредством объединения p-областей 1 металлической шиной 3, обеспечивающей прохождение электрического импульса от сработавшей ячейки до входа преобразователя электрических сигналов 4. Преобразователь электрических сигналов представляет собой широкополосный повторитель тока, который выполнен с использованием полевых или биполярных транзисторов, изготовленных в едином технологическом процессе с фоточувствительными ячейками SiФЭУ на общей кремниевой подложке 2. Преобразователь должен обеспечивать малое входное и высокое выходное сопротивление, малую входную и малую выходную емкости. Выходы всех преобразователей объединены общей металлической шиной 5, обеспечивающей прохождение сигналов до выходной контактной площадки 6, к которой осуществляется ультразвуковая разварка для подключения SiФЭУ к внешним электрическим цепям для считывания сигнала.
ш
б
Металлическая шина 5, соединяющая ряды ячеек, обладает определенной погонной индуктивностью L. Преобразователь имеет выходную емкость С. Последовательное соединение таких емкостей посредством индуктивных элементов шины приводит к появлению задержки сигнала на выходной площадке 6, причем величина задержки зависит от места расположения шины относительно контакта 6 и для каждого участка шины, проходящей между соседними преобразователями 4, определяется по формуле . Задержка сигнала от каждого ряда ячеек возрастает пропорционально количеству рядов между ним и площадкой 6.
Выходная емкость каждого преобразователя должна быть меньше суммарной емкости ячеек, соединенных шинами 3. В таком случае, разброс времени задержки распространения сигнала от разных ячеек в составе SiФЭУ до выходной площадки 6 для SiФЭУ с преобразователями электрических сигналов 4 будет меньше, чем для обычного SiФЭУ, не содержащего таких преобразователей.
Предложенное техническое решение позволяет улучшить точность временной привязки регистрируемых оптических сигналов.