具有非常低的光學串擾以及改進的讀出的硅光電倍增器的制造方法
【專利說明】具有非常低的光學串擾以及改進的讀出的硅光電倍増器
[0001]本發(fā)明涉及基于硅的光電倍增器器件以及用于制造基于硅的光電倍增器器件的方法。
[0002]本發(fā)明總體上涉及半導體光電器件的領(lǐng)域，特別是涉及包括在光譜的可見部分的具有高效率的光檢測的光檢測器。根據(jù)本發(fā)明的光檢測器能夠被用在采用對非常弱且快速的光信號進行檢測的廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域(如例如，工業(yè)和醫(yī)療斷層掃描(tomography)、生命科學、核、粒子和宇宙粒子物理學等)中。
[0003]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的基于硅的光電倍增器(SiPM)(參見例如EP I 755 171 BI)包括單獨的單元的陣列。具體地，SiPM包括硅基板以及位于所述基板的表面上的多個單元。每個單元包括內(nèi)部的單獨的粹媳電阻器(quenching resistor)，該粹媳電阻器由例如高阻多晶硅制成并且位于覆蓋有所有單元的氧化硅層的頂部上。在操作中，每個單元被提供有超過擊穿電壓的反向偏置電壓。當光子在單兀中被吸收時，發(fā)生蓋革(Geiger)放電，該放電正受猝熄電阻器限制。
[0004]這些器件中的一個主要問題可以被描述為“光學串擾”，其中，不同形式的光學串擾可以出現(xiàn)在器件中。一種形式的光學串擾起源于在相鄰單元的蓋革放電中產(chǎn)生的光子。由本公開解決的另一種形式的光學串擾起源于在第一單元處的處于傾斜角度的倍增器中產(chǎn)生的光子，這些光子正被全內(nèi)反射在器件的后表面或側(cè)表面，并且從背側(cè)或側(cè)壁撞擊到另一個單元中并在這里開始蓋革放電。由于全內(nèi)反射效率是100%，因此背部反射的光子能夠在正由這些單元中的一個吸收并且進行燒制之前從SiPM的壁幸存多個反射。另一種類型的串擾(“塊串擾(bulk cross-talk)”)可以經(jīng)由來自在娃基板的體積中的某處產(chǎn)生電荷載體的蓋革雪崩的光子而誘發(fā)，所述光子可以朝向相鄰的單元迀移并且激發(fā)所述相鄰的單元。
[0005]這些器件中的一個進一步的問題是光到電流響應(yīng)能夠使得在被光子擊中之后的電荷收集時間(所謂的快分量)可以非常短(僅數(shù)個納秒)，但是，無論如何，由流過猝熄電阻器的放電電流而導致的所謂的慢分量可以是由于被用于驅(qū)動器件的電路的RC時間常數(shù)以及來自該器件的讀出電信號而導致的數(shù)10納秒直到數(shù)100納秒的量級。另一方面，硅光電倍增器器件的像例如PET (正電子發(fā)射斷層掃描)、HEP (高能物理)檢測器等這樣的許多潛在應(yīng)用要求在Ins的量級之上或者甚至更短的時間常數(shù)的快速的光到電流響應(yīng)。
[0006]因此，本發(fā)明的目的在于提供具有相對于一種或更多種光學串擾的抑制的改進的特性或讀出的基于硅的光電倍增器以及用于制造這種光電倍增器的方法。
[0007]由從屬權(quán)利要求的特征來解決該目的。有利的實施方式是從屬權(quán)利要求的主題。
[0008]本公開的一個總體思想是提供用于制造新穎類型的基于硅的光倍增器器件的任何適當?shù)念愋偷牟牧系幕濉Ｐg(shù)語“基于硅”可以僅是指器件的有源層，而不再是指原則上可以由任何材料或構(gòu)造形成的基板。所述基板可以具有賦予器件機械穩(wěn)定性的功能，而且其也可以具有作為高效地吸收在單元的蓋革雪崩中產(chǎn)生的光子的吸收體的功能。在基板的頂部上，可以沉積一個或更多個特殊層，所述一個或更多個特殊層可以具有放大吸收效果的功能和/或用于從器件讀出電信號的附加電極的功能。具體地，該層可以是由導電材料制成，使得其可以用作阱(well)或者單獨用作要從器件讀出電信號的電極。
[0009]因此，第一方面涉及一種基于硅的光電倍增器器件，該光電倍增器器件包括基板、第一導電類型的第一層、以及形成在所述第一層上的第二導電類型的第二層，其中，所述第一層和所述第二層形成P-η結(jié)，其中，所述第一層和所述第二層被布置在所述基板上。
[0010]根據(jù)所述光電倍增器器件的一個實施方式，所述基板是導電類型、半導體類型或絕緣類型中的一種或更多種。
[0011]根據(jù)所述光電倍增器器件的一個實施方式，所述第一層在所述基板上外延地生長。然后，可以像隨后將在實施方式中例示的那樣在第一層中或者在第一層上形成第二層?？梢园凑仗厥獾姆绞綔蕚渫庋拥厣L有第一層的基板的上表面，使得第一層的外延生長是可能的。具體地，在沒有正在由半導體材料制成的基板的情況下，可能有必要沉積像例如半導體層一樣的層，使得第一層的隨后的外延生長是可能的。
[0012]根據(jù)所述光電倍增器器件的一個實施方式，第一層和第二層作為整體被沉積，特別是粘合到基板上。具體地，首先可以在硅基板上組裝第一層和第二層，此后可以從背部將硅基板減薄，然后可以通過粘合或粘附將第一層和第二層施加到另一基板上。
[0013]根據(jù)所述光電倍增器器件的一個實施方式，材料層可以被設(shè)置在基板的主上表面和第一層的主下表面之間，其中，該材料層可以由與基板的材料不同的材料制成。材料層可以用作不同的功能。首先，如上所述，材料層可以特別是在基板沒有正在由半導體材料制成的情況下由半導體材料制成，使得該材料層可以使得第一層能夠在后續(xù)的步驟中在該材料層上外延地生長。第二，材料層可以實現(xiàn)光吸收體的功能，其中，特別是該材料層的材料可以被選擇成使得入射在第一層和材料層之間的界面上的波長在約100nm的范圍內(nèi)的光的反射率低或者非常低，特別是遠低于100%，小于50%或小于25%。以這種方式，材料層可以用于高效地抑制器件的相鄰單元之間的光學串擾。第三，材料層可以用作電極，以被用于從器件讀出電信號。因此，下面將更詳細地示出實施方式?？梢岳貌牧蠈右淮涡缘貙崿F(xiàn)材料層的上述第一功能至第三功能中的一種或更多種。根據(jù)一個實施方式，材料層的材料包括以下項中的一個或更多個:金屬、金屬化合物、金屬合金、以及純的或復合型的半導體?？梢詮囊环N且僅一種元素金屬形成材料層，然而，也能夠形成兩種或更多種金屬的合金或者一種金屬和另一元素的合金，以形成材料層的材料。除金屬以外，半導體材料也能夠被用作材料層的材料。另外，還能夠使用合金半導體作為用于材料層的材料。根據(jù)一個實施方式，可以通過蒸發(fā)技術(shù)或者通過濺射或任何其它常規(guī)技術(shù)使材料層沉積在基板的上表面上。材料層的厚度可以在5nm至100nm的范圍內(nèi)，具體地是5nm至500nm的范圍內(nèi)，具體地是5nm至10nm的范圍內(nèi)。根據(jù)另一個實施方式，可以通過離子注入步驟來產(chǎn)生材料層，其中，離子注入的參數(shù)被選擇成使得由于晶格的注入引起的損害，波長約等于100nm的范圍的光的吸收長度減小，使得入射在前側(cè)面上的光將不被透射。根據(jù)其實施方式，通過包括在113至10 15Cm 2的范圍內(nèi)的離子劑量以及在IMeV至1MeV的范圍內(nèi)的離子能量的離子注入步驟來處理基板的背表面。
[0014]根據(jù)所述光電倍增器器件的一個實施方式，該器件還包括第一電極和第二電極，以為該器件提供偏置電壓。第一電極可以與第二層連接，并且第二