硅光子計數(shù)探測器推動新一代成像技術(shù)

作者：Joe O‘keeffe,Carl Jackson
硅光子計數(shù)器件最近取得了革命性進(jìn)展，大量新型探測器正進(jìn)入市場。這些探測器可應(yīng)用于許多新領(lǐng)域，如熒光壽命成像、正電子發(fā)射X線斷層顯像、輻射探測、高能物理、激光測距（激光雷達(dá)）和粒徑測量。潛在應(yīng)用甚至包含新興的通信技術(shù)領(lǐng)域，如保密通信中的量子密鑰分配。

圖1.在納米壓印光刻技術(shù)中，重復(fù)使用一
個模版大批量的壓印預(yù)定形狀的晶圓。在
最終的沉積工序之后，晶圓既可以依尺寸
切成方塊，也可以再利用壓印技術(shù)制備其
它的功能層。

以前，光子計數(shù)器建立在三種不同技術(shù)平臺上。其中之一是以真空管為基礎(chǔ)的光電倍增管（PMT）。這些探測器具有光探測面積大的優(yōu)點，可用于各種器件。此外，龐大的市場使得PMT探測器的成本降到了合理水平。但PMT探測器要求工作電壓超過1000V，時間精度也很差（約為500ps），量子效率由于受到光電陰極限制而約為20％，更重要的是它們與高密度陣列技術(shù)不兼容，也無法實現(xiàn)微型化。微通道板（MCP）是一種改進(jìn)的PMT，它顯著提高了時間精度（少于100ps），但動態(tài)范圍受限（100kHz/s）。此外，MCP探測器非常昂貴且容易毀壞。

第二種光子計數(shù)平臺以第一代“透過式”硅探測器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。該平臺需要高電壓（超過100伏），依賴厚的耗盡層。盡管厚耗盡層在較長的波長（約1000nm）處具有高響應(yīng)度，但是時間精度卻降低了。而且，透過式結(jié)構(gòu)也不與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝技術(shù)兼容，在陣列中無法使用，因此完全不能用于成像。
第三種光子計數(shù)傳感器技術(shù)平臺是電子倍增電荷耦合器件（EMCCD），它是在標(biāo)準(zhǔn)CCD相機(jī)的基礎(chǔ)上，將增益寄存器集成到輸出電路中。這是一種多像素成像器件（可達(dá)1000?000），但是因為其特殊的數(shù)據(jù)讀取裝置，會丟失全部時間分辨率信息。EMCCD也需要強(qiáng)力冷卻（溫度要降到-100℃），這使得器件復(fù)雜而昂貴。

第二代硅光子計數(shù)器件
最新的第二代硅光子計數(shù)技術(shù)將引發(fā)微光成像技術(shù)的革命。這一技術(shù)以蓋革模式的淺結(jié)硅偏壓二極管為基礎(chǔ)，經(jīng)過多年的發(fā)展和改進(jìn)，現(xiàn)已成為一種成熟的工藝技術(shù)。淺結(jié)的性能優(yōu)點包括：時間抖動小（小于100ps）、工作電壓低（約35V）、計數(shù)速率快（10M/s）、量子效率高（大于45％），且光譜靈敏度范圍寬（400至900nm）。1淺結(jié)的基本結(jié)構(gòu)包含一個p結(jié)中的n+區(qū)，它靠近探測器頂部的光子入射窗口（見圖1）。二極管是在薄的p型襯底（5至15μm）中制成的，這有利于阻止體內(nèi)產(chǎn)生的載流子延長探測器響應(yīng)時間。2頂部的雙裝置可使芯片倒裝集成到新型探測平臺和合適的應(yīng)用裝置中。3 入射到結(jié)內(nèi)的光子產(chǎn)生電子空穴對，在二極管蓋革模式偏置結(jié)內(nèi)分離并被放大（如圖2）。每當(dāng)光子進(jìn)入器件，結(jié)區(qū)內(nèi)便產(chǎn)生大的、易于探測（也就是低噪聲）的電脈沖。器件所具有的高速時間響應(yīng)特性使得精確測定光子到達(dá)時間成為可能，這促使許多先進(jìn)技術(shù)例如激光雷達(dá)和時間相關(guān)單光子計數(shù)得以實現(xiàn)。

圖2.雪崩倍增工藝使單個入射光子
產(chǎn)生的輸出脈沖更容易被觀察到。
這種碰撞電離過程受二極管陰陽兩
極間耗盡區(qū)內(nèi)大電場影響。單個光
子產(chǎn)生電子空穴對，它們在結(jié)內(nèi)分
離并被放大。因為結(jié)對單光子輸入
產(chǎn)生數(shù)字式響應(yīng)，所以同標(biāo)準(zhǔn)化線
性探測相比，探測系統(tǒng)中的噪聲減
小了。實質(zhì)上，探測器處于關(guān)態(tài)（
數(shù)字0）或者開態(tài)（數(shù)字1），對應(yīng)
于無光子或有光子的情況。

這一創(chuàng)新技術(shù)所具有的潛力不僅來源于它的超級特性，也來源于它可以采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作這一事實。因此，器件可制成單片陣列（單一硅片上），還可與讀取電路完全集成。此外，其它功能器件和邏輯元件可與探測器單片集成，這使得整個傳感器系統(tǒng)有可能大幅縮減尺寸。最后，這一器件的成本曲線將像典型CMOS器件那樣，一旦大規(guī)模量產(chǎn)，成本就會大幅降低。

單光子計數(shù)傳感器
SensL是一家實踐這些創(chuàng)想的公司，已經(jīng)開發(fā)出三種產(chǎn)品（見圖3）。4第一個是單光子高時間分辨率傳感器，這是一種單一像素光子計數(shù)探測器。它是一種單片集成光子計數(shù)器件，包括了必需的電流探測和關(guān)斷電路，非常適合于要求有源區(qū)面積為10至100μm、快速、高時間分辨率的應(yīng)用（見表格）。

硅光電倍增管
多個單像素光子計數(shù)探測器可制成一個陣列，所有的輸出連接到一起成為一個大面積高增益探測器，被稱為硅光電倍增管（SiPM）。這種結(jié)構(gòu)中，每個像素都有一個集成的關(guān)斷電阻，同時充當(dāng)光子計數(shù)傳感器， 被探測到的光子轉(zhuǎn)化為常見的電脈沖輸出。該器件的輸出與任意時刻到達(dá)的光子數(shù)成正比，它實際上相當(dāng)于一個高增益線性光電二極管，是線性雪崩光電二極管（APD）或高增益模擬PMT的替代品。

這一新型傳感器與傳統(tǒng)APD之間的主要差別是其增益增大了好幾個數(shù)量級（它對溫度和偏置電壓變化不敏感）、響應(yīng)時間更短、有源區(qū)面積大、偏置電壓只有約35V。這些器件可用于探測從每秒一個光子到幾百萬個光子的光子流，引起了人們的廣泛興趣，可用于核醫(yī)學(xué)成像、低能X射線成像、光漫反射斷層掃描成像、核粒子探測和高能物理等領(lǐng)域。與PMT相比，SiPM的特點是電壓低、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定可靠、全固態(tài)。

光子計數(shù)成像器
最后一點，淺結(jié)技術(shù)具有CMOS工藝兼容性，可用于制作二極管陣列（見圖3，右圖）。這種結(jié)構(gòu)中，每個二極管或像素采用存儲器架構(gòu)的概念獨立尋址。它與集成的關(guān)斷電路組合成光子計數(shù)成像器。開發(fā)這種成像器的多個研究小組都展示了這一技術(shù)的巨大潛力。SensL正在開發(fā)的一種器件（名為數(shù)字雪崩二極管）具有單光子靈敏度，還能獲取光子到達(dá)時間的信息而無需使傳感器降溫。這克服了EMCCD的兩大主要缺點，使作為微光成像技術(shù)備選方案的EMCCD成為歷史。

圖3.淺結(jié)二極管技術(shù)的三種可能結(jié)構(gòu)。
一個單光子計數(shù)高速時間響應(yīng)探測器
（左）的尺寸為10至100μm。這一器件
對于每個入射光子產(chǎn)生一個數(shù)字輸出。
新型大面積高增益光電二極管被稱為
硅光電倍增管（SiPM），它與大量單
光子計數(shù)二極管（中）陣列的功能相
似。每個器件都集成了自己的關(guān)斷電
路，它將大量電荷輸送到普通輸出節(jié)
點上。它對進(jìn)入探測器的多個光子產(chǎn)
生線性輸出響應(yīng)。它可制成大探測器
（1至4mm2），能探測到一個到幾百
萬個光子。光子計數(shù)成像器（數(shù)字雪
崩二極管）與光子計數(shù)器的功能相似，
具有單一尋址輸出能力（右）。

這種新型成像器的應(yīng)用領(lǐng)域非常多樣和廣泛�？色@取時間信息的微光成像器將應(yīng)用到很多領(lǐng)域，如熒光壽命測量和醫(yī)學(xué)成像。微光成像器不需要強(qiáng)力的冷卻，因此功耗非常低，可用于諸如便攜式安全系統(tǒng)等多個應(yīng)用領(lǐng)域。具有高時間分辨率的微光成像器可極大地推動一些應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，如激光雷達(dá)、時間分辨熒光技術(shù)和三維成像。SensL正在制作成像器樣機(jī)，使該樣機(jī)的時間分辨率約達(dá)到250ps，陣列規(guī)模從4x4增大到32x32，最終達(dá)到1000x1000。

技術(shù)難題
在設(shè)計和優(yōu)化以淺結(jié)技術(shù)為基礎(chǔ)的光子成像平臺過程中，還需要解決大量的技術(shù)難題。器件所需的偏置電壓高于擊穿電壓，達(dá)到35V，大于普通的CMOS工作電壓。這是一個潛在的技術(shù)障礙，不利于將傳感器與集成電路組合到同一硅片上。

有三個替代方案可用來解決這一問題。第一個是使用新的高電壓CMOS技術(shù)，使常規(guī)CMOS器件適應(yīng)高工作電壓。另一個選擇是使用SOI（絕緣體上硅）晶圓片，它能將二極管和集成電路隔離到兩個不同的硅層中并分別優(yōu)化。5第三種解決辦法采用分離的硅晶片，一個用于二極管或傳感器，另一個用于像素單元電路。這些晶片通過倒裝焊或鍵合技術(shù)組合到一起。

還有一個需要解決的矛盾是高速CMOS電路要求的阱深非常淺，而探測超過700nm的波長時要求阱區(qū)比較厚。
盡管優(yōu)化這一技術(shù)還需解決眾多技術(shù)難題，但是采用這一技術(shù)的探測器將會引發(fā)微光成像技術(shù)的革命。許多新穎且振奮人心的應(yīng)用將會出現(xiàn)，例如用于實時醫(yī)療診斷的活體定點醫(yī)學(xué)檢測設(shè)備、低成本高性能的夜視技術(shù)和用于環(huán)境監(jiān)測的激光測距成像器。 

參考文獻(xiàn)：
1. D.M. Taylor et al., J. Modern Optics 51(9-10) (June-July 2004).
2. J.C. Jackson et al., Appl. Phys. Lett. 80(22) (June, 2002).
3. J. Kruger et al., J. Micromechanics and Microengineering 12 (July 2002).
4. J.C. Jackson et al., Proc. SPIE 2005, Semiconductor Photodetectors II, 5726-11 (January 2005).
5. A.M. Moloney et al., Electronics Lett. 39(4) (February 2003).