RU162937U1

RU162937U1 - SILICON PHOTOMULTIPLICATOR FOR REGISTRATION OF SINGLE PHOTONS

Info

Publication number: RU162937U1
Application number: RU2015153184/28U
Authority: RU
Inventors: Елена Викторовна Попова; Анатолий Дмитриевич Плешко; Дмитрий Евгеньевич Филиппов
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2016-06-27

Abstract

Кремниевый фотоэлектронный умножитель для регистрации одиночных фотонов, 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, отличающийся тем, что дополнительно введен третий электрод, размещенный на нижней поверхности кремниевой подложки, которая имеет удельное сопротивление менее одного Ом∙см.A silicon photoelectronic multiplier for detecting single photons, containing a silicon substrate and two electrodes with contact pads located on the front surface of the device, the first of which is connected through a metal bus with many photosensitive cells placed in a lightly doped epitaxial layer, and the second electrode is connected to a lightly doped layer, located between the silicon substrate and the epitaxial layer and having a conductivity opposite to that of the silicon substrate, characterized in that an additional third electrode is introduced, which is located on the lower surface of the silicon substrate, which has a resistivity of less than one Ohm ∙ cm.

Description

Полезная модель относится к области полупроводниковых оптоэлектронных устройств, в частности к фотодетекторам с высокой эффективностью регистрации света, включая видимую часть спектра.The utility model relates to the field of semiconductor optoelectronic devices, in particular to photodetectors with high light detection efficiency, including the visible part of the spectrum.

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.Known (RU, 2503082, 12/27/2013) a photomultiplier tube containing a photocathode for receiving light radiation, generating photoelectrons at the photocathode, an electronic multiplier for receiving photoelectrons emitted from the photocathode, generating secondary electrons, an electron collector for collecting secondary electrons generated by the electron multiplier, and an energy supply electrode for supplying power to the photocathode and the electron multiplier, the photocathode and the electron multiplier being located inside a transparent vacuum container, a coll Torr and the electron energy supply electrode flowing through the transparent vacuum container, connected to an external circuit. The photocathode covers the entire inner surface of the transparent vacuum container, and the electron multiplier is located in the inner center of the transparent vacuum container to receive photoelectrons from the photocathode in all directions and excite the multiplied electrons.

Недостатки известного технического решения характерны для всех вакуумных приборов, а именно: чувствительность к магнитному полю, высокое напряжение, громоздкие размеры.The disadvantages of the known technical solutions are characteristic of all vacuum devices, namely: sensitivity to the magnetic field, high voltage, bulky sizes.

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.Also known is a silicon photoelectronic multiplier composed of a matrix of individual cells (EP, 1755171, 05.05.2004), which is the closest analogue of the proposed utility model. Said silicon photoelectron multiplier comprises a silicon substrate and a plurality of photosensitive cells that are located in a lightly doped epitaxial layer, the substrate and the lightly doped epitaxial layer being separated from each other by a heavily doped layer opposite to the conductivity substrate. Each cell contains an individual quenching resistance made of polysilicon and located on top of the dielectric layer covering all cells. On the one hand, the resistance is connected to the input window of the cell, and on the other hand, to the metal bus connecting all the cell resistances in parallel. The metal bus at the periphery from the front surface of the silicon photomultiplier contains a contact area (contact pad) to which ultrasonic welding is carried out to ensure that the device is connected to an external electrical circuit. This contact is the first electrode. The second electrode at the periphery is connected to the heavily doped layer and also has a contact area for ultrasonic welding on the front surface.

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.To obtain a signal from a triggered cell in this photoelectronic multiplier, a two-electrode circuit is used in which the signal is read and the reverse bias voltage is applied between the contact from the high-alloy layer located on the front surface of the silicon photoelectronic multiplier and the bus contact connected to the resistor on each cell. During operation, a reverse bias voltage is applied between the two electrodes of the silicon photomultiplier, which exceeds the breakdown voltage in the space charge region of each cell; therefore, when a photon is absorbed in a sensitive region of the cell, a Geiger discharge develops in it, and the quenching resistance is used to limit it.

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.The silicon photomultiplier SiFE is a compact, lightweight, mechanically strong, insensitive to magnetic fields, with high detection efficiency of light, with a gain at the level of vacuum PMTs and a detector sensitive to single photons of light.

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.A disadvantage of the known silicon photomultiplier tube is that the propagation time of the signal from the triggered cell to the contact of the heavily doped layer with the load depends on the location of the cell. Indeed, the distributed resistances of the heavily doped layer, together with the distributed capacitances of the pn junction, the heavily doped layer - substrate form a distributed dissipative horizontal RC line. The length of this line and, consequently, the time of horizontal propagation of the signal and its amplitude depend on the location of the cell relative to the contact of the heavily doped layer with the load. This leads to a distortion of the pulse shape and a deterioration in the accuracy of determining the time of registration of single photons.

Технический результат, предлагаемой полезной модели, состоит в повышении временной точности регистрации одиночных фотонов и уменьшении искажений формы импульсов.The technical result of the proposed utility model is to increase the temporal accuracy of registration of single photons and reduce distortion of the shape of the pulses.

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.To achieve the technical result, it is proposed to use a silicon photoelectron multiplier containing a silicon substrate and two electrodes with contact pads located on the front surface of the device, the first of which is connected through metal buses to many photosensitive cells placed in a lightly doped epitaxial layer, and the second electrode is connected to a heavily doped layer placed between the silicon substrate and the epitaxial layer and having a reverse conductivity w conductivity silicon substrate, which additionally introduced a third electrode disposed on the bottom surface of the silicon substrate which has resistivity less than 1 Ohm * cm.

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.The essence of the utility model is that in the proposed silicon photomultiplier, a reverse bias voltage is applied between the first and second electrodes, and the pulse signal is read from the third electrode connected to the silicon substrate, which is common to all photosensitive cells. With this three-electrode switching on, the signal from each cell passes the same vertical path through the distributed capacitances of the pn junction of the heavily doped layer — the silicon substrate and the distributed capacitances and resistors of the silicon substrate to the third electrode. To prevent signal propagation along a horizontal path through a heavily doped layer to the ground, an impedance is connected between the second electrode and the ground. It provides high resistance for a pulse signal, therefore, the signal is almost completely distributed only in the vertical direction through the substrate. In addition, the resistivity of the silicon substrate should be as low as possible, less than 1 Ohm * cm. This is due to the fact that with an increase in the resistivity of the silicon substrate, the voltage drop across it also increases, which leads to a decrease in the amplitude of the output signal, and a decrease in the amplitude of the output signal in turn reduces the temporal accuracy of photon detection.

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).An example of a specific implementation of the device is shown in FIG. 1, which shows the device of a silicon photomultiplier: 1 - p + photosensitive cells SiFE; 2 - quenching resistors; 3 - metal tires connected to suppressor resistors 2 and connecting cells 1 in rows; 4 - the first electrode (contact pad connected through metal tires 3 with cells 1); 5 - heavily doped n + layer; 6 - the second electrode (contact pad connected to the highly doped layer 5); 7 - bus connecting n + layer 5 with the contact pad 6; 8 - dielectric layer; 9 - lightly doped epitaxial layer; 10 - silicon substrate; 11 - the third electrode (in a specific implementation, the contact is sprayed from aluminum doped with silicon on the lower surface of the silicon substrate).

Устройство работает следующим образом. Области p-типа проводимости, с размерами от нескольких микрон до 100×100 микрон², 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.The device operates as follows. Regions of p-type conductivity, with sizes from a few microns to 100 × 100 microns ² , which are formed by implantation or diffusion in an n-type silicon crystal, form photosensitive p + cells of SiPEM 1. They operate in a Geiger discharge mode between the electrodes 4 and 6 constant reverse voltage above the breakdown. A Geiger discharge develops as a result of absorption in a photon cell. The quenching of the discharge occurs due to the quenching current-limiting resistors 2 located in each cell. Metal busbars 3 connect individual cells in rows and combine all the rows between to supply voltage to the pn junction of each SiPH cell. Layer 5 is located under all cells. It is connected through an impedance (for example, a resistor, and a sufficient impedance for a pulse signal is a resistance of the order of 100 kOhm) with pin 6, which ensures a constant voltage above the breakdown voltage in all cells. In this case, pulsed signals from different cells pass to a common silicon substrate 10 with a resistivity of less than 1 Ohm * cm along identical vertical paths and losses to the third electrode 11 sprayed from below. This ensures a minimum difference in the signal propagation duration from cells located in different parts of the silicon photomultiplier, and at the same time provides a minimum spread of the amplitudes of the signals from different cells.

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_g1, R_g2, …, R_gn - токоограничивающие гасящие резисторы 2 каждой из ячеек 1; C_g1, C_g2, …, C_gn - паразитные емкости токоограничивающих резисторов 2; I₁, I₂, …, I_n - импульсные источники соответствующей формы сигнала (сигналы соответствует Гейгеровскому разряду вызванного поглощением фотона в чувствительной области 1); С_р1, С_р2, …, C_pn - паразитные емкости pn-перехода между чувствительной p-областью 1 и n+ слоем 5; R_n(+)1, R_n(+)2, …, R_n(+)n и C_n(+)1, C_n(+)2, …, C_n(+)n - распределенные в сечении сопротивления и емкости n+ слоя 5; R_sh1, R_sh2, …, R_shn и R_sv1, R_sv2, …, R_svn - горизонтально и вертикально распределенные сопротивления кремниевой подложки 10; C_sh1, C_sh2, …, C_shn и C_sv1, C_sv2, …, C_svn - вертикально и горизонтально распределенные емкости кремниевой подложки 10; R_d - резистор включенный последовательно n+ слою 5.The operation of the device is also illustrated by the electrical equivalent circuit of one of the rows of silicon photomultiplier cells shown in FIG. 2. The following notation is used here: Me1 - first electrode 4 (metal contact pad for supplying a reverse constant bias voltage); Ме2 - second electrode 6 (metal contact pad connected to n + with a heavily doped silicon photomultiplier layer); Me3 - the third electrode 11 (contact from the bottom of the silicon substrate of the device to obtain the output signal); R _g1 , R _g2 , ..., R _gn are current-limiting quenching resistors 2 of each of cells 1; C _g1 , C _g2 , ..., C _gn are stray capacitances of current-limiting resistors 2; I ₁ , I ₂ , ..., I _n are pulse sources of the corresponding waveform (the signals correspond to a Geiger discharge caused by absorption of a photon in the sensitive region 1); C _p1 , C _p2 , ..., C _pn are the parasitic capacitances of the pn junction between the sensitive p-region 1 and n + layer 5; R _{n (+) 1} , R _{n (+) 2} , ..., R _{n (+) n} and C _{n (+) 1} , C _{n (+) 2} , ..., C _{n (+) n} are the resistances distributed in the cross section and capacitance n + layer 5; R _sh1 , R _sh2 , ..., R _shn and R _sv1 , R _sv2 , ..., R _svn are the horizontally and vertically distributed resistances of the silicon substrate 10; C _sh1 , C _sh2 , ..., C _shn and C _sv1 , C _sv2 , ..., C _svn are vertically and horizontally distributed capacities of the silicon substrate 10; R _d - resistor connected in series n + layer 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.The proposed silicon photomultiplier increases the time accuracy of registration of single photons and reduces distortion of the shape of the pulses. Thus, the use of this device in scintillation detectors improves their temporal resolution. The utility model can be used both in detectors for high-energy physics and cosmophysics, and in medical physics, for example, positron emission tomography.

Claims

A silicon photoelectronic multiplier for detecting single photons, containing a silicon substrate and two electrodes with contact pads located on the front surface of the device, the first of which is connected through a metal bus with many photosensitive cells placed in a lightly doped epitaxial layer, and the second electrode is connected to a lightly doped layer, located between the silicon substrate and the epitaxial layer and having a conductivity opposite to that of the silicon substrate, characterized in that an additional third electrode is introduced, which is located on the lower surface of the silicon substrate, which has a resistivity of less than one Ohm ∙ cm.