硅光子计数探测器推动新一代成像技术

作者：Joe O‘keeffe,Carl Jackson
硅光子计数器件最近取得了革命性进展，大量新型探测器正进入市场。这些探测器可应用于许多新领域，如荧光寿命成像、正电子发射X线断层显像、辐射探测、高能物理、激光测距（激光雷达）和粒径测量。潜在应用甚至包含新兴的通信技术领域，如保密通信中的量子密钥分配。

图1.在纳米压印光刻技术中，重复使用一
个模版大批量的压印预定形状的晶圆。在
最终的沉积工序之后，晶圆既可以依尺寸
切成方块，也可以再利用压印技术制备其
它的功能层。

以前，光子计数器建立在三种不同技术平台上。其中之一是以真空管为基础的光电倍增管（PMT）。这些探测器具有光探测面积大的优点，可用于各种器件。此外，庞大的市场使得PMT探测器的成本降到了合理水平。但PMT探测器要求工作电压超过1000V，时间精度也很差（约为500ps），量子效率由于受到光电阴极限制而约为20％，更重要的是它们与高密度阵列技术不兼容，也无法实现微型化。微通道板（MCP）是一种改进的PMT，它显著提高了时间精度（少于100ps），但动态范围受限（100kHz/s）。此外，MCP探测器非常昂贵且容易毁坏。

第二种光子计数平台以第一代"透过式"硅探测器结构为基础。该平台需要高电压（超过100伏），依赖厚的耗尽层。尽管厚耗尽层在较长的波长（约1000nm）处具有高响应度，但是时间精度却降低了。而且，透过式结构也不与标准硅工艺技术兼容，在阵列中无法使用，因此完全不能用于成像。
第三种光子计数传感器技术平台是电子倍增电荷耦合器件（EMCCD），它是在标准CCD相机的基础上，将增益寄存器集成到输出电路中。这是一种多像素成像器件（可达1000?000），但是因为其特殊的数据读取装置，会丢失全部时间分辨率信息。EMCCD也需要强力冷却（温度要降到-100℃），这使得器件复杂而昂贵。

第二代硅光子计数器件
最新的第二代硅光子计数技术将引发微光成像技术的革命。这一技术以盖革模式的浅结硅偏压二极管为基础，经过多年的发展和改进，现已成为一种成熟的工艺技术。浅结的性能优点包括：时间抖动小（小于100ps）、工作电压低（约35V）、计数速率快（10M/s）、量子效率高（大于45％），且光谱灵敏度范围宽（400至900nm）。1浅结的基本结构包含一个p结中的n+区，它靠近探测器顶部的光子入射窗口（见图1）。二极管是在薄的p型衬底（5至15μm）中制成的，这有利于阻止体内产生的载流子延长探测器响应时间。2顶部的双装置可使芯片倒装集成到新型探测平台和合适的应用装置中。3 入射到结内的光子产生电子空穴对，在二极管盖革模式偏置结内分离并被放大（如图2）。每当光子进入器件，结区内便产生大的、易于探测（也就是低噪声）的电脉冲。器件所具有的高速时间响应特性使得精确测定光子到达时间成为可能，这促使许多先进技术例如激光雷达和时间相关单光子计数得以实现。

图2.雪崩倍增工艺使单个入射光子
产生的输出脉冲更容易被观察到。
这种碰撞电离过程受二极管阴阳两
极间耗尽区内大电场影响。单个光
子产生电子空穴对，它们在结内分
离并被放大。因为结对单光子输入
产生数字式响应，所以同标准化线
性探测相比，探测系统中的噪声减
小了。实质上，探测器处于关态（
数字0）或者开态（数字1），对应
于无光子或有光子的情况。

这一创新技术所具有的潜力不仅来源于它的超级特性，也来源于它可以采用标准CMOS工艺制作这一事实。因此，器件可制成单片阵列（单一硅片上），还可与读取电路完全集成。此外，其它功能器件和逻辑元件可与探测器单片集成，这使得整个传感器系统有可能大幅缩减尺寸。最后，这一器件的成本曲线将像典型CMOS器件那样，一旦大规模量产，成本就会大幅降低。

单光子计数传感器
SensL是一家实践这些创想的公司，已经开发出三种产品（见图3）。4第一个是单光子高时间分辨率传感器，这是一种单一像素光子计数探测器。它是一种单片集成光子计数器件，包括了必需的电流探测和关断电路，非常适合于要求有源区面积为10至100μm、快速、高时间分辨率的应用（见表格）。

硅光电倍增管
多个单像素光子计数探测器可制成一个阵列，所有的输出连接到一起成为一个大面积高增益探测器，被称为硅光电倍增管（SiPM）。这种结构中，每个像素都有一个集成的关断电阻，同时充当光子计数传感器， 被探测到的光子转化为常见的电脉冲输出。该器件的输出与任意时刻到达的光子数成正比，它实际上相当于一个高增益线性光电二极管，是线性雪崩光电二极管（APD）或高增益模拟PMT的替代品。

这一新型传感器与传统APD之间的主要差别是其增益增大了好几个数量级（它对温度和偏置电压变化不敏感）、响应时间更短、有源区面积大、偏置电压只有约35V。这些器件可用于探测从每秒一个光子到几百万个光子的光子流，引起了人们的广泛兴趣，可用于核医学成像、低能X射线成像、光漫反射断层扫描成像、核粒子探测和高能物理等领域。与PMT相比，SiPM的特点是电压低、结构紧凑、稳定可靠、全固态。

光子计数成像器
最后一点，浅结技术具有CMOS工艺兼容性，可用于制作二极管阵列（见图3，右图）。这种结构中，每个二极管或像素采用存储器架构的概念独立寻址。它与集成的关断电路组合成光子计数成像器。开发这种成像器的多个研究小组都展示了这一技术的巨大潜力。SensL正在开发的一种器件（名为数字雪崩二极管）具有单光子灵敏度，还能获取光子到达时间的信息而无需使传感器降温。这克服了EMCCD的两大主要缺点，使作为微光成像技术备选方案的EMCCD成为历史。

图3.浅结二极管技术的三种可能结构。
一个单光子计数高速时间响应探测器
（左）的尺寸为10至100μm。这一器件
对于每个入射光子产生一个数字输出。
新型大面积高增益光电二极管被称为
硅光电倍增管（SiPM），它与大量单
光子计数二极管（中）阵列的功能相
似。每个器件都集成了自己的关断电
路，它将大量电荷输送到普通输出节
点上。它对进入探测器的多个光子产
生线性输出响应。它可制成大探测器
（1至4mm2），能探测到一个到几百
万个光子。光子计数成像器（数字雪
崩二极管）与光子计数器的功能相似，
具有单一寻址输出能力（右）。

这种新型成像器的应用领域非常多样和广泛。可获取时间信息的微光成像器将应用到很多领域，如荧光寿命测量和医学成像。微光成像器不需要强力的冷却，因此功耗非常低，可用于诸如便携式安全系统等多个应用领域。具有高时间分辨率的微光成像器可极大地推动一些应用技术的发展，如激光雷达、时间分辨荧光技术和三维成像。SensL正在制作成像器样机，使该样机的时间分辨率约达到250ps，阵列规模从4x4增大到32x32，最终达到1000x1000。

技术难题
在设计和优化以浅结技术为基础的光子成像平台过程中，还需要解决大量的技术难题。器件所需的偏置电压高于击穿电压，达到35V，大于普通的CMOS工作电压。这是一个潜在的技术障碍，不利于将传感器与集成电路组合到同一硅片上。

有三个替代方案可用来解决这一问题。第一个是使用新的高电压CMOS技术，使常规CMOS器件适应高工作电压。另一个选择是使用SOI（绝缘体上硅）晶圆片，它能将二极管和集成电路隔离到两个不同的硅层中并分别优化。5第三种解决办法采用分离的硅晶片，一个用于二极管或传感器，另一个用于像素单元电路。这些晶片通过倒装焊或键合技术组合到一起。

还有一个需要解决的矛盾是高速CMOS电路要求的阱深非常浅，而探测超过700nm的波长时要求阱区比较厚。
尽管优化这一技术还需解决众多技术难题，但是采用这一技术的探测器将会引发微光成像技术的革命。许多新颖且振奋人心的应用将会出现，例如用于实时医疗诊断的活体定点医学检测设备、低成本高性能的夜视技术和用于环境监测的激光测距成像器。 

参考文献：
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).