高性能近红外硅光电倍增管的设计

摘" " 要： 为了进一步提高硅光电倍增管在近红外波段的光子探测效率，提出了一种平面型外延电阻淬灭型硅光电倍增管和一种基于倒金字塔结构的硅光电倍增管。通过各向异性腐蚀形成倒金字塔结构，在倒金字塔4个侧面以离子注入的方式形成p-enrich区域，增大了PN结的结面积，加大了有效光探测面积，提高了几何填充因子，从而在一定程度上提高了光子探测效率，并对相同掺杂浓度的平面型硅光电倍增管和基于倒金字塔结构的硅光电倍增管结构进行仿真。结果表明： 2种器件的击穿电压约为-13 V；微单元尺寸为20 μm、过电压6 V时900 nm处的平面型外延电阻淬灭型硅光电倍增管和基于倒金字塔结构的硅光电倍增管的光子探测效率分别为11.2%和15.6%，说明2种结构均能够对近红外波段的光进行有效探测，而基于倒金字塔结构的硅光电倍增管能够提高器件近红外波段的光子探测效率。

关键词： 硅光电倍增管；倒金字塔结构；近红外；光子探测效率

中图分类号： TN152" " " " " "文献标志码： A" " " " " " " " 文章编号：" １６７１－０２４Ｘ（２０24）０6－００73－07

Design on high performance of near-infrared silicon photomultiplier

CHEN Liying1，2， ZUO Jin1，2， CHENG Chuantong3，4

（1. School of Electronics and Information Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China； 2. Tianjin Key Laboratory of Photoelectric Detection Technology and System， Tiangong University， Tianjin 300387， China； 3. State Key Laboratory of Integrated Optoelectron， Institute of Semiconductors， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100083， China； 4. College of Materials Science and Opto-Electronic Technology， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： In order to further improve the photon detection efficiency of silicon photomultiplier in near-infrared band， a planar epitaxial resistance quenched silicon photomultiplier and a silicon photomultiplier based on inverted pyramid structure were proposed. The device forms an inverted pyramid structure through anisotropic etching and forms a p-enrich region on the four sides of the inverted pyramid by ion implantation， which increases the junction area of the PN junction， the effective optical detection area， and the geometric filling factor and then improves the photon detection efficiency to a certain extent. The structure of the planar silicon photomultiplier and the silicon photomultiplier based on the inverted pyramid structure with the same doping concentration is simulated. The results show that the breakdown voltage of the two devices is about -13 V. The photon detection efficiencies of the" planar epitaxial resistance quenched silicon photomultiplier and the silicon photomultiplier based on inverted pyramid structure at 900 nm are 11.2% and 15.6%， respectively when its size of the micro cell is 20 μm and the over bias voltage is 6 V， which describes that the two structures can effectively detect the light in the near-infrared band and the silicon photomultiplier based on the inverted pyramid structure can improve the photon detection efficiency in the near-infrared band of the device.

Key words：" silicon photomultiplier； inverted pyramid； near infrared； photon detection efficiency

近年来，由于弱光探测技术在各个领域的应用，光电探测器件尤其是硅光电倍增管（silicon photo-multiplier，SiPM）进入了一个全新的研发阶段。硅光电倍增管由于其具有单光子分辨能力高、体积小、可在亮光条件下进行长距离测距、集成度高等优点，在激光雷达、天体物理、核医学诊疗、荧光检测、剂量测量、视觉成像等领域有非常重要和广泛的应用，具有很大的发展前景[1-4]。

硅光电倍增管是一种由多个雪崩二极管组成的阵列式结构，最初由俄罗斯科学家Yusipov等[5]提出。日本Hamamatsu公司在2010年利用深沟道刻蚀技术对硅光电倍增管结构重新设计，较好地解决了雪崩过程中由于串扰噪声过大影响器件探测效率的问题，并在2019年推出SiPM S14160系列，该产品在可见光波段的光探测效率（photon detection efficiency， PDE）高达50%。2011年，加拿大Excelitas公司实现了对硅光电倍增管应用的世界级高时间分辨率，单光子时间分辨率达到280 ps。此后，德国Ketek公司对硅光电倍增管的性能加以改进并推出相关产品，进一步推动了硅光电倍增管在光电探测领域的发展[6]。在近红外波段，2017年意大利的FBK公司研制出的35 μm微结构The red-green-bule-high density（RGB-HD SiPM在900 nm处、过偏置电压为8 V时的光子探测效率达到12%[7]。除此之外，基于非平面结构的SiPM技术也日益发展，为了克服平面技术的局限性，Engemann等[8]提出了一种新的SiPM，即Tip Avalanche Photodiode（TAPD）。试验结果表明，该TAPD在600 nm处的PDE为73%，在800 nm处的PDE在45%以上，在905 nm处的PDE也可达到22%，恢复时间为4 ns。国内对光电器件的研究较晚，北京师范大学新器件实验室提出了一种新型硅光电倍增器（silicon photomulti-plier with epitaxial quenching resistor，EQR SiPM），采用电阻率高的外延硅片，让外延电阻充当淬灭电阻制成，该实验室在2020年通过改变该器件的微单元尺寸优化了填充因子，选用大电阻率的N型外延硅片，利用离子注入的掺杂工艺形成n-enrich区与表层的P++层，两区接触形成P-N结结构，然后利用外延层作为淬灭电阻构成硅光电倍增管的微单元结构。在温度为20 ℃，过偏压为５ V时， 15 μm和7 μm EQR SiPM的最大光子探测效率位于400 nm波长处，分别为40%和34%[9]。2021年，该实验室又成功研制出一款硅光电倍增管EQR15-LE，器件微单元的尺寸为15 μm、有效面积高达9 mm2，与该实验室以往的外延淬灭型器件相比，EQR15-LE的暗计数率（dark count rate， DCR）得到了进一步的优化，同时PDE保持较高值。经测量，EQR15-LE在温度为20 ℃、过偏压为7 V时，DCR的典型值为226 kHz/mm2、最大PDE为46%[10]。深圳灵明光子提出的一款应用在传感器模块的SiPM芯片有效面积为0.5 mm×0.5 mm，过偏压3 V下905 nm处的PDE可以达到15%。

硅光电倍增管在近红外波段探测效率较低，该缺点严重制约了其应用范围。制约SiPM在红外波段探测性能的主要原因是硅材料本征吸收截止波长为 1.1 μm，在截止波长附近硅的吸收效率非常低。当探测波长超过750 nm时，器件的探测效率下降趋势明显，大多数探测器的探测效率低至10%。随着激光雷达（LIDAR）等技术的广泛应用，人们对近红外波段光的探测效率有了更高的要求，提高SiPM在近红外波段的光子探测效率并使其探测范围向长波移动变得尤为重要。

本文以提高SiPM在近红外波段的光子探测效率为研究重点，对SiPM的结构、性能进行设计与仿真，旨在设计出一种具有较高近红外光子探测效率的高性能新型硅光电倍增管。

1 器件结构设计

图1所示为本文设计的平面型外延电阻淬灭型SiPM结构。

图1中，该器件选用电阻率较高的p型（100）外延硅片，采用p型衬底以及p-外延层，首先利用光刻与离子注入工艺在p-外延层上形成p-enrich区域，然后在表层通过离子注入形成n++区域，二者形成PN结结构，p-enrich区域下方的硅外延层作为淬灭电阻，这种结构减少了死区面积，在一定程度上可以增大光子探测效率。此外，由于光子吸收取决于波长，因此硅光传感器的最终光子探测效率也将取决于波长，波长越长，所需的吸收深度越深。因此，本文在设计过程中，通过加大离子注入的能量，将耗尽区的深度增加，雪崩区域较深使得器件可以更高效率地探测到近红外波段的光子。器件表面连续的n++层作为SiPM的阴极，同时在器件表面生长一层氧化硅增透膜减少光的损耗[11-12]，最后在芯片背面蒸一层金属作为阳极。

在平面型外延电阻淬灭型SiPM的基础上，本文还提出了一种基于倒金字塔结构的近红外SiPM的器件结构，如图2所示。

该结构与平面型SiPM的不同之处在于在第一次光刻之后利用TMAH溶液[13]对（100）硅片进行各向异性腐蚀，形成倒金字塔结构[14-17]，然后在倒金字塔结构中通过离子注入的方式形成p-enrich区域，其他后续步骤与平面型SiPM制作步骤完全一致。这种结构的创新之处在于通过各向异性腐蚀形成倒金字塔结构，在倒金字塔4个侧面以离子注入的方式形成p-enrich区域，增大了PN结的结面积，加大了有效光探测面积，提高了几何填充因子，最终在一定程度上提高了光子探测效率。

图3所示为基于倒金字塔结构的SiPM微单元结构雪崩光电二极管（avalanche photodiode，APD）的掺杂浓度分布，APD的边长为10 μm，微单元间隔5 μm。

器件微单元中心处界面硼、磷离子注入浓度曲线如图4所示。

为了与平面型硅光电倍增管进行对比，2种器件选用同一种外延硅片，且两种器件的离子注入浓度与尺寸均保持一致，磷离子注入能量约为150 keV，硼离子注入能量约为55 keV。由于磷离子注入能量较高，光刻胶可能无法作为阻挡层，因此可以先生长一层氧化硅作为阻挡层，在离子注入后利用氢氟酸将其腐蚀掉[18-19]。离子注入硅的过程是破坏性的，它会使得部分硅产生晶格缺陷，这种破坏可以通过退火过程进行修复 [20-21]。

2 仿真结果

2.1 I-V特性

将器件阴极设置为0 V、阳极设置为0～-20 V、迭代电压为-1 V，平面型SiPM器件的微单元I-V特性仿真如图5所示。

由图5可知，有光与无光情况下的击穿电压相同，均为-13 V，表明光照不影响器件的雪崩击穿电压，但击穿之前无光照下的电流值明显小于有光照下的电流值，击穿之后电流迅速增大至相同值。

同等条件下基于倒金字塔结构的SiPM器件微单元结构（微单元尺寸分别为10 μm和20 μm）在无光照条件下的I-V特性曲线如图6所示。

由图6可知，微单元尺寸为10 μm时的器件击穿电压为-13.5 V；微单元尺寸为20 μm时，器件击穿电压为-13 V。2种尺寸的微单元APD的击穿电压变化不大，由此可知，器件微单元尺寸对击穿电压的影响不大。该结构微单元击穿电压与平面型硅光电倍增管微单元结构的雪崩击穿电压几乎保持一致，说明器件结构对击穿电压基本没有影响。雪崩发生前，2种尺寸的微单元器件的电流几乎为0，在雪崩发生时的电流均迅速增大至几十微安。

2.2 电场强度

对2种结构的SiPM微单元进行电场强度仿真，其仿真结果如图7、图8所示。

图7、图8中，红色代表高电场。可以观察到平面型硅光电倍增管的高电场主要集中在PN结中心区域，电场强度向两侧逐渐减弱，避免了边缘击穿效应。对于倒金字塔结构的硅光电倍增管而言，整个倒金字塔区域几乎全为电场强度超过2×105 V/cm的高电场。

图9、图10所示为器件中心处沿Y方向的电场强度大小的变化曲线。

由图9、图10可知，电场强度由中心区域向两侧逐渐递减，2种结构的电场强度最大值分别约为5.5×105和3×105 V/cm，大于2×105 V/cm，电场强度小于106 V/cm，避免了齐纳击穿的发生。

2.3 光子探测效率仿真

2.3.1 雪崩产生率仿真

在平面型硅光电倍增管微单元尺寸为20 μm、过偏压为6 V时，器件微单元中心沿Y方向雪崩产生率的变化趋势图像如图11所示。

由图11可以看出，电子空穴对的雪崩产生率随纵向距离增大而逐渐增大，雪崩产生率最高约为90%，最低约为60%。基于倒金字塔结构的SiPM微单元边长分别为10 μm和20 μm、过偏压为6 V时，器件微单元中心沿Y方向雪崩产生率的变化趋势图像如图12所示。

由图12可以看出，微单元尺寸为10 μm时，雪崩产生率最高约为90%，最低约为65%；微单元尺寸为20 μm时，雪崩产生率最高约为95%，最低约为75%。可见，2种尺寸的微单元结构均具备较好的雪崩产生效果，并且雪崩产生概率随着器件微单元尺寸的增大而增大。

选取微单元尺寸为10 μm器件结构雪崩产生概率最高的坐标点 （0，1.5），对其外加-3～-7 V范围内的过偏电压，得到该点的电子空穴对雪崩产生率曲线，如图13所示。由图13可以清晰地看到，雪崩击穿概率随偏置电压的增加在不断增大，但放大倍率不断减小。在靠近击穿电压的范围，雪崩效应趋于饱和。

2.3.2 量子效率仿真

图14所示为微单元尺寸10 μm的平面型硅光电倍增管在过电压为-6 V时的量子效率仿真图像。

由图14可知，量子效率的峰值位于480 nm处，约为71.5%，900 nm处的量子效率值为34.3%。

图15所示为基于倒金字塔结构的硅光电倍增管微单元尺寸分别为20和10 μm、过电压-6 V的量子效率仿真图像。

由图15可见，量子效率的峰值仍然位于480 nm处，峰值大小相等，没有随器件微单元尺寸的变化而变化，480 nm处的量子效率约为78%；微单元尺寸为20和10 μm的器件在900 nm处量子效率的大小分别为29.7%和28.5%，微单元尺寸为20 μm的器件量子效率略高于10 μm的器件。说明当器件材料、质量等条件不变时，微单元尺寸对量子效率的影响不明显。

2.3.3 几何填充因子仿真

本文设计的平面型硅光电倍增管器件的微单元尺寸分别为20 μm和10 μm，每个微单元间距为5 μm，计算得出平面型硅光电倍增管的几何因子约为40%；而对于倒金字塔结构的SiPM，有效光探测的p型区面积由原来的一个正方形平面变为倒金字塔结构的4个侧面，4个侧面的总面积与原来的正方形面积比约为1.79，这大大提高了几何因子，经计算，基于倒金字塔结构的SiPM的几何因子变为70%。

2.3.4 光子探测效率仿真

图16为-19.5 V工作电压下，20 μm和10 μm 2种微单元尺寸的基于倒金字塔结构的SiPM的PDE随波长变化的情况。由图16可知，微单元尺寸为20 μm时，470 nm处的峰值PDE为41.1%，900 nm处的PDE约为15.6%，微单元尺寸为10 μm时，480 nm处的峰值PDE为39.3%，900 nm处的PDE约为14.4%。

图17所示为微单元尺寸为20 μm的平面型SiPM的光子探测效率仿真图像。

由图17可知，480 nm处的峰值光子探测效率为24.3%，900 nm处的光子探测效率约为11.2%。由此可得，基于倒金字塔结构的SiPM的光子探测效率高于相同尺寸的平面型SiPM的光子探测效率，并且该结构能够对近红外波段的光进行有效探测。

此外，图18给出了900 nm处不同过偏压条件下基于倒金字塔结构的SiPM 2种微单元尺寸的光子探测效率的大小，由趋势可以看到光子探测效率随过偏压的增大而增大。需要说明的是，工作电压越大，其暗电流和噪声特性就会变得越差。因此，如何在较低的过偏压下获得较高的光子探测效率，是光电器件进一步研究的重点。

为清晰阐述本文提出的基于倒金字塔结构的硅光电倍增管在近红外波段的优势，将其与平面型硅光电倍增管以及其他文献报道的硅光电倍增管器件加以比较，结果如表1所示。

由表1可知，本文基于倒金字塔结构的硅光电倍增管在近红外波段的光子探测效率高于文献[7]所报道的器件光子探测效率，虽然低于文献[8]中器件在近红外波段的光子探测效率，但是器件结构比较简单，节约了成本。

3 结 论

（1） 本文提出了一种平面型外延电阻淬灭型硅光电倍增管，通过加大离子注入能量，使得器件耗尽层深度增加，从而更有效地对近红外波段的光进行探测，仿真得到过偏压6 V、微单元尺寸为20 μm情况下，平面型硅光电倍增管的最大光子探测效率约为24.3%，900 nm处光子探测效率可达到11.2%。

（2） 在平面型硅光电倍增管的基础上提出了一种新型的基于倒金字塔结构的硅光电倍增管，该器件的微单元结构在各向异性腐蚀后呈倒金字塔形状，在倒金字塔4个侧面以离子注入的方式形成p-enrich区域，增大了PN结的结面积，加大了有效光探测面积，提高了几何填充因子，在一定程度上提高了光子探测效率。仿真结果表明，过偏压6 V、微单元尺寸为20 μm情况下基于倒金字塔结构的硅光电倍增管的最大光子探测效率约为41.1%，900 nm处光子探测效率可达到15.6%，大于掺杂浓度相同的平面型SiPM微单元的光子探测效率，为设计适用于红外探测的非平面光电倍增器提供了新思路。

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本文引文格式：

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