硅光子計(jì)數(shù)器件近取得了革命性進(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(gè)模版大批量的壓印預(yù)定形狀的晶圓。在終的沉積工序之后，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(jì)數(shù)器建立在三種不同技術(shù)平臺(tái)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(diǎn)，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(shí)間也很差（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(shí)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(shí)間（少于100ps），但動(dòng)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(jì)數(shù)平臺(tái)以代“透過式”硅探測器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。該平臺(tái)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(shí)間卻降低了。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(jì)數(shù)傳感器技術(shù)平臺(tái)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?yàn)槠涮厥獾臄?shù)據(jù)讀取裝置，會(huì)丟失全部時(shí)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(jì)數(shù)器件

　　的第二代硅光子計(jì)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(diǎn)包括：時(shí)間抖動(dòng)?。ㄐ∮?00ps）、工作電壓低（約35V）、計(jì)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(gè)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(shí)間。2頂部的雙裝置可使芯片倒裝集成到新型探測平臺(tái)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(shí)間響應(yīng)特性使得測定光子到達(dá)時(shí)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(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

　　圖2.雪崩倍增工藝使單個(gè)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(gè)光子產(chǎn)生電子空穴對，它們在結(jié)內(nèi)分離并被放大。因?yàn)榻Y(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(shí)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(jí)特性，也來源于它可以采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作這一事實(shí)。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(gè)傳感器系統(tǒng)有可能大幅縮減尺寸。，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(huì)大幅降低。

　　單光子計(jì)數(shù)傳感器

　　SensL是一家實(shí)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個(gè)是單光子高時(shí)間分辨率傳感器，這是一種單一像素光子計(jì)數(shù)探測器。它是一種單片集成光子計(jì)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(shí)間分辨率的應(yīng)用（見表格）。

　　硅光電倍增管

　　多個(gè)單像素光子計(jì)數(shù)探測器可制成一個(gè)陣列，所有的輸出連接到一起成為一個(gè)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(gè)像素都有一個(gè)集成的關(guān)斷電阻，同時(shí)充當(dāng)光子計(jì)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(shí)刻到達(dá)的光子數(shù)成正比，它實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)（它對溫度和偏置電壓變化不敏感）、響應(yīng)時(shí)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(gè)光子到幾百萬個(gè)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(diǎn)是電壓低、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定可靠、全固態(tài)。

　　光子計(jì)數(shù)成像器

　　一點(diǎn)，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(gè)二極管或像素采用存儲(chǔ)器架構(gòu)的概念獨(dú)立尋址。它與集成的關(guān)斷電路組合成光子計(jì)數(shù)成像器。開發(fā)這種成像器的多個(gè)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(shí)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(diǎn)，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(gè)單光子計(jì)數(shù)高速時(shí)間響應(yīng)探測器 （左）的尺寸為10至100μm。這一器件對于每個(gè)入射光子產(chǎn)生一個(gè)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(jì)數(shù)二極管（中）陣列的功能相似。每個(gè)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(diǎn)上。它對進(jìn)入探測器的多個(gè)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(gè)到幾百 萬個(gè)光子。光子計(jì)數(shù)成像器（數(shù)字雪崩二極管）與光子計(jì)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(shí)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(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。具有高時(shí)間分辨率的微光成像器可極大地推動(dòng)一些應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，如激光雷達(dá)、時(shí)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(shí)間分辨率約達(dá)到250ps，陣列規(guī)模從4x4增大到32x32，終達(dá)到1000x1000。

　　技術(shù)難題

　　在設(shè)計(jì)和優(yōu)化以淺結(jié)技術(shù)為基礎(chǔ)的光子成像平臺(tái)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(gè)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(gè)替代方案可用來解決這一問題。個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)用于二極管或傳感器，另一個(gè)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(gè)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(shí)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(huì)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(huì)出現(xiàn)，例如用于實(shí)時(shí)醫(yī)療診斷的活體定點(diǎn)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。