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专利名称：一种彩色数字硅光电倍增器件

专利类型：发明专利

专利申请号：CN201711041075.4

专利申请（专利权）人：湖北锐光开云优惠体育网页版入口有限公司
权利人地址：湖北省鄂州市梧桐湖新区东湖高新开云优惠体育网页版入口创意城A03栋

专利发明（设计）人：N·达申佐,徐青,王麟,谢庆国

专利摘要：本发明公开了一种彩色数字硅光电倍增器件，包括由若干行和若干列彩色数字硅光电倍增器像素单元构成的像素阵列，以及用于读取每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的数据及地址信息的读取模块。其中，每一彩色数字硅光电倍增器像素单元自上而下依次由对蓝光、绿光和红光敏感的三层探测器及位于探测器层下方的信号处理电路层构成。本发明的有益效果是，在单个像素单元内便可探测到红、绿、蓝三基色，利用一个像素就能感应全部色彩信息，从而避免了图像的色彩失真；具有单光子级别的灵敏度，可以方便地应用于较低光通量探测领域；在单个像素级别即可实现信号数字化，因此并不需要复杂的读出电路，可以大大降低器件的功耗。

主权利要求：
1.一种彩色数字硅光电倍增器件，其特征在于，包括由若干行和若干列彩色数字硅光电倍增器像素单元构成的像素阵列，以及用于读取每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的数据及地址信息的读取模块；所述每一彩色数字硅光电倍增器像素单元自上而下依次包括第一探测器层、第二探测器层、第三探测器层及位于第四层的信号处理电路层；所述读取模块位于信号处理电路层中；所述第一探测器层、第二探测器层、第三探测器层均与信号处理电路层之间有电气连接；所述第一、第二、第三探测器层及信号处理电路层分别在不同的晶圆上进行制造，然后通过晶圆减薄及键合技术使所述探测器层及信号处理电路层堆叠在一起；所述电气连接采用硅通孔的方式实现。
2.根据权利要求1所述的一种彩色数字硅光电倍增器件，其特征在于，所述每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的第一探测器层、第二探测器层和第三探测器层中的探测器均由工作在盖革模式下的单光子雪崩二极管构成；所述第一探测器层对蓝光敏感；所述第二探测器层对绿光敏感；所述第三探测器层对红光敏感。
3.根据权利要求2所述的一种彩色数字硅光电倍增器件，其特征在于，所述信号处理电路层还包括用于淬灭所述每一单光子雪崩二极管雪崩状态的淬灭单元、用于将所述每一单光子雪崩二极管输出的模拟信号转化成数字信号的甄别单元、用于存储所述甄别单元输出的数字信号的存储单元，以及用于控制所述探测器、读取模块及信号处理电路工作的输入输出接口。
4.根据权利要求3所述的一种彩色数字硅光电倍增器件，其特征在于，所述处理电路层中的淬灭单元与所述第一、第二、第三探测器层中的单光子雪崩光电二极管电气连接；所述单光子雪崩光电二极管的信号输出端与甄别单元电气连接；所述甄别单元的信号输出端与存储单元电气连接。
5.根据权利要求4所述的一种彩色数字硅光电倍增器件，其特征在于，所述淬灭单元与每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的第一、第二、第三探测器层分别一一对应设置；所述甄别单元与每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的第一、第二、第三探测器层分别一一对应设置；所述存储单元与每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的第一、第二、第三探测器层分别一一对应设置。
6.根据权利要求2所述的一种彩色数字硅光电倍增器件，其特征在于，所述第一、第二、第三探测器层中的所有单光子雪崩二极管均共用同一个电压输入端。
7.根据权利要求1所述的一种彩色数字硅光电倍增器件，其特征在于，所述读取模块包括地址单元、控制单元以及输出单元；所述地址单元用以确定每一彩色数字硅光电倍增器像素单元的位置；所述控制单元控制每一彩色数字硅光电倍增器像素单元的数据及地址输出指令的发送；所述输出单元用以传输所述每一彩色数字硅光电倍增器像素单元发出的数据及相应的地址信息。
8.根据权利要求1所述的一种彩色数字硅光电倍增器件，其特征在于，所述第一、第二、第三探测器层及信号处理电路层均采用CMOS工艺制造实现。 说明书 : 一种彩色数字硅光电倍增器件技术领域[0001] 本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种用于光子探测的彩色数字硅光电倍增器件。背景技术[0002] 将硅基技术应用于低光子通量传感器的研究最早始于20世纪70年代后期，研究人员在空间上设置的均匀分布的金属?电阻?半导体(Metal?Resistor?Semiconductor,MRS)微传感器阵列具有单独的淬灭和共同的输出，实现了对低通量光子的探测。这种传感器就是后来被人们所熟知的硅光电倍增器(SiliconPhotomultiplier，SiPM)。从那时起，SiPM的研发就占据了低光子通量探测器研究领域的半壁江山，许多研究者的协同工作为SiPM的发展做出了独特的贡献。现代的SiPM是由工作在盖革模式的PN结(也称微元)构成的阵列式结构，每个微元均串联独立的被动淬灭电阻。SiPM在室温下可以表现出清晰的单光子响应以及显著的光子数目分辨能力。同一时期，单光子雪崩二极管(SinglePhotonAvalancheDiode，SPAD)也出现在了单光子探测领域。SPAD也是工作在盖革模式的单光子探测器，它的光探测部分等效于SiPM的一个微元。SPAD的版图与SiPM的版图是不同的，这是因为SPAD还包括集成的主动淬灭电子电路部分。换句话说，SiPM等效于一个被动淬灭形式的SPAD阵列。SiPM和SPAD取代光电倍增管(PhotomultiplierTube，PMT)作为低光子通量传感器已经应用于诸多领域,例如从基于闪烁晶体的高能物理到核医学设备、辐射探测器，从激光雷达系统到可穿戴设备等都有它们应用的踪迹。[0003] SiPM和SPAD最新的研究方向是探究在标准CMOS工艺条件下能否实现光子探测。这意味着CMOS工艺可能允许将读出电路和光电探测器集成在单个芯片上，从而大幅降低功耗并简化探测器的操作条件。此外，采用CMOS工艺还会降低传感器的制造成本，从而允许有效稳定的商业化批量生产。在标准CMOS工艺条件下生产现代SiPM对开发先进的低通量光子和离子辐射集成探测器具有很重要的影响。而且将来还可将CMOS3D互连技术应用于SiPM的研发，这会显著提高探测效率，正如Globalfoundries/Tezzaron130nm工艺节点所展现的产品那样。采用3D互连技术，还可以进一步开发新的数字雪崩像素结构，这种结构可以实现每一个像素的单独读出。采用3D互连技术，并分别用于低通量光子探测以及离子辐射探测的雪崩像素影像器以及雪崩像素追踪器已经有了相关报道。将CMOS雪崩光电二极管的方案应用于数字硅光电倍增器的解决方法已经在800nm和350nm工艺节点有了展示。[0004] 受限于CMOS的工艺规则，由CMOS工艺技术开发的传感器性能受到一定限制。SiPM和SPAD在结边缘处会由于高电场聚集而出现局部的击穿现象。沿着每个微元的光敏区四周设置保护环结构可以在整个光敏区域内获得均匀的电。佣航饩植炕鞔┪侍。CMOS工艺提供了几种实现这样的保护环结构的方案，在800nm到90nm的CMOS工艺节点上，均有SPAD，或SPAD阵列，或SiPM探测结构利用版图设计技术实现了保护环方案，并被用于在雪崩击穿偏置条件下进行单光子信号的探测。但是，采用CMOS技术依然有两个主要的限制条件：即与基于客户定制工艺制造的商业SiPM相比，采用CMOS工艺制造的SiPM具有较高的暗计数率和较低的探测效率。一种可能的解决方案是，对标准CMOS工艺的阱浓度分布进行调整，并调整掩膜允许高掺杂区与低掺杂区可以相互交叠。[0005] SPAD阵列或数字SiPM发展的一个主要限制是，它们并不对某一特定波长(如红光或蓝光)的待测光子敏感。一个被探测到的光子会产生一个信号脉冲，但是信号脉冲与入射的光子能量无关。一种可能的解决方案是采用CMOS图像传感器技术来解决这个问题。CMOS图像传感器的基本结构是一个PN结二极管，但是它并不工作在盖革模式。对由这样的PN结二极管构成的二维矩阵进行数据读出即可形成数字图像。对于CMOS图像传感器而言，每个像素中70％的面积都被读出电路包括放大器、整形器、比较器以及数字化单元所占据，只有30％的面积属于敏感探测单元。图像的色彩信息是通过在探测阵列上设置拜耳彩色滤波器获得的。拜耳彩色滤波器由微小的弯月面透镜组成，它能将被探测的光子聚焦到光敏感区域。由拜耳彩色滤波器构成的图像传感器表面像一个马赛克阵列，每一个像素都被红、绿、蓝三种滤光片覆盖，其中绿色滤光片的数量是红色和蓝色滤光片的数量的二倍。这样设置的原因是人眼对绿色图像细节的分辨能力比红色和蓝色图像要高。拜耳彩色滤波器可以模拟人眼视网膜的视觉反应，其峰值灵敏度为550纳米。[0006] CMOS图像传感器目前在很多领域中都有应用和开发，其范围可以从数字照相机延伸到天文望远镜。但是，CMOS图像传感器依然有很多缺点：首先，由于它是由简单的PN结构成的探测单元，所以它对单光子并不敏感；其次，由于读出电路占据了较大的面积，所以它的灵敏度并不高；再者，图像传感器上的金属互连线会产生晕影、像素间的串扰以及光散射效应，这会严重影响成像的整体质量。发明内容[0007] 本发明旨在解决以上技术问题，而提供一种彩色数字硅光电倍增器件，用以实现硅光电倍增器件的彩色成像，并克服CMOS图像传感器对单光子不敏感、灵敏度低、成像效果不佳的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0008] 一种彩色数字硅光电倍增器件，其特征在于，包括由若干行和若干列彩色数字硅光电倍增器像素单元构成的像素阵列，以及用于读取每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的数据及地址信息的读取模块；所述每一彩色数字硅光电倍增器像素单元自上而下依次包括第一探测器层、第二探测器层、第三探测器层及位于第四层的信号处理电路层；所述读取模块位于信号处理电路层中；所述第一探测器层、第二探测器层、第三探测器层均与信号处理电路层之间有电气连接。[0009] 优选地，所述每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的第一探测器层、第二探测器层和第三探测器层中的探测器均由工作在盖革模式下的单光子雪崩二极管构成；所述第一探测器层对蓝光敏感；所述第二探测器层对绿光敏感；所述第三探测器层对红光敏感。[0010] 优选地，所述信号处理电路层还包括用于淬灭所述每一单光子雪崩二极管雪崩状态的淬灭单元、用于将所述每一单光子雪崩二极管输出的模拟信号转化成数字信号的甄别单元、用于存储所述甄别单元输出的数字信号的存储单元，以及用于控制所述探测器、读取模块及信号处理电路工作的输入输出接口。[0011] 优选地，所述处理电路层中的淬灭单元与所述第一、第二、第三探测器层中的单光子雪崩光电二极管电气连接；所述单光子雪崩光电二极管的信号输出端与甄别单元电气连接；所述甄别单元的信号输出端与存储单元电气连接。[0012] 优选地，所述淬灭单元与每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的第一、第二、第三探测器层分别一一对应设置；所述甄别单元与每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的第一、第二、第三探测器层分别一一对应设置；所述存储单元与每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的第一、第二、第三探测器层分别一一对应设置。[0013] 优选地，所述第一、第二、第三探测器层中的所有单光子雪崩二极管均共用同一个电压输入端。[0014] 优选地，所述读取模块包括地址单元、控制单元以及输出单元；所述地址单元用以确定每一彩色数字硅光电倍增器像素单元的位置；所述控制单元控制每一彩色数字硅光电倍增器像素单元的数据及地址输出指令的发送；所述输出单元用以传输所述每一彩色数字硅光电倍增器像素单元发出的数据及相应的地址信息。[0015] 优选地，所述第一、第二、第三探测器层及信号处理电路层分别在不同的晶圆上进行制造，然后通过晶圆减薄及键合技术使所述探测器层及信号处理电路层堆叠在一起；所述电气连接采用硅通孔的方式实现。[0016] 优选地，所述第一、第二、第三探测器层及信号处理电路层均采用CMOS工艺制造实现。[0017] 本发明的有益效果是：首先，彩色数字硅光电倍增器件在单个像素单元内即可探测到红、绿、蓝三基色，利用一个像素就能感应全部色彩信息，不仅省去了复杂的微透镜(拜耳滤光片)工艺步骤，而且避免了图像的色彩失真；其次，由于探测器层位于表面而读取模块和数据处理电路位于探测层下方，读取模块和数据处理电路并未占用光敏感区域的面积，立体化的探测器结构布局使得彩色数字硅光电倍增器件具有较高的填充因子，因而具有较高的灵敏度，可以方便地应用于较低光通量探测领域；再次，得益于单光子雪崩光电二极管的高内部增益，像素数据读出并不需要复杂的读出电路；最后，由于在像素级别即实现了输出信号的数字化，不仅可以大大简化了后续信号处理电路的复杂程度，而且也可以降低彩色数字硅光电倍增器件的功耗。附图说明[0018] 下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：[0019] 图1是彩色数字硅光电倍增器件纵向结构示意图；[0020] 图2是彩色数字硅光电倍增器像素单元的等效电路示意图；[0021] 图3是彩色数字硅光电倍增器件俯视示意图；[0022] 图中，各标号的含义如下：10?第一探测器层；11?第一探测器层中的光电探测器；20?第二探测器层；21?第二探测器层中的光电探测器；30?第三探测器层；31?第三探测器层中的光电探测器；40?信号处理电路层；41?淬灭单元；42?甄别单元；43?存储单元；50?彩色数字硅光电倍增器像素单元。具体实施方式[0023] 如附图1所示，一种彩色数字硅光电倍增器件，其特征在于，包括由若干行和若干列彩色数字硅光电倍增器像素单元50构成的像素阵列，以及用于读取每一彩色数字硅光电倍增器像素单元50中的数据及地址信息的读取模块；所述每一彩色数字硅光电倍增器像素单元50自上而下依次包括第一探测器层10、第二探测器层20、第三探测器层30及位于第四层的信号处理电路层40；所述读取模块位于信号处理电路层40中；所述第一探测器层10、第二探测器层20、第三探测器层30均与信号处理电路层40之间有电气连接。[0024] 作为一个优选的方案，所述每一彩色数字硅光电倍增器像素单元50中的第一探测器层10、第二探测器层20和第三探测器层30中的探测器均由工作在盖革模式下的单光子雪崩二极管构成；所述第一探测器层10对蓝光敏感；所述第二探测器层20对绿光敏感；所述第三探测器层30对红光敏感。本发明中的每一个彩色数字硅光电倍增器像素单元50均包含对蓝光敏感的第一探测器层10，对绿光敏感的第二探测器层20以及对红光敏感的第三探测器层30。举例说明，以M行N列(M和N的取值均为正整数)彩色数字硅光电倍增器像素单元50构成的器件为例，以探测器的数目来算的话，即第一、第二、第三探测器层中分别各有(M×N)个探测器，总计3(M×N)个单光子雪崩光电二极管探测器。需要说明的是，所有的第一探测器层10中的光电探测器11均位于同一水平面上，对于所有的第二探测器层20的光电探测器21和所有的第三探测器层30中的光电探测器31也是如此，即三个探测器层(10、20、30)分属于三个不同的水平面。对单个彩色数字硅光电倍增器像素单元50而言，第一探测器层10、第二探测器层20和第三探测器层30中的光电探测器(11、21、31)均位于同一竖直线上，即单个像素中的三层探测器的光敏面位置是重合的。为了进一步提高探测器的探测性能，在具体实施时，会将位于同一层中的探测器彼此隔离开来；可以采用的方案是，在相邻探测器之间设置沟槽，然后在沟槽内填充光阻隔材料，以抑制相邻像素单元之间的相互干扰。[0025] 作为一个优选的方案，所述信号处理电路层40还包括用于淬灭所述每一单光子雪崩二极管雪崩状态的淬灭单元41、用于将所述每一单光子雪崩二极管输出的模拟信号转化成数字信号的甄别单元42、用于存储所述甄别单元输出的数字信号的存储单元43，以及用于控制所述探测器、读取模块及信号处理电路工作的输入输出接口。特别地，所述处理电路层中40的淬灭单元41与所述第一、第二、第三探测器层(10、20、30)中的单光子雪崩光电二极管电气连接；所述单光子雪崩光电二极管的信号输出端与甄别单元42电气连接；所述甄别单元42的信号输出端与存储单元43电气连接。[0026] 作为一个优选的方案，所述淬灭单元41与每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的第一、第二、第三探测器层分别一一对应设置；所述甄别单元42与每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的第一、第二、第三探测器层分别一一对应设置；所述存储单元43与每一彩色数字硅光电倍增器像素单元中的第一、第二、第三探测器层分别一一对应设置。本发明中的彩色数字硅光电倍增器像素单元50的等效电路示意图如附图2所示。像素单元50中的每一个探测器均对应一个淬灭单元41、一个甄别单元42和一个存储单元43。入射到探测器层的光线被单光子雪崩光电二极管探测到后，经淬灭单元41的淬灭作用，会产生电脉冲信号；该电脉冲信号属于模拟信号，经甄别单元42处理后，会将该模拟脉冲信号转换成数字逻辑信号，并最终存储在存储单元43中。同样以M行N列彩色数字硅光电倍增器像素单元50构成的器件为例，每个像素单元50拥有三个淬灭单元41、三个甄别单元42和三个存储单元43，整个器件总计有3(M×N)个淬灭单元41、3(M×N)个甄别单元42和3(M×N)个存储单元43。对于单个像素单元而言，也可以采用复用的方式，共用同一个甄别单元42和同一个存储单元43。这样虽然可以降低器件电路的复杂程度，但会造成信号读出时间延长，且不能进行实时读。炊档土似骷的性能。[0027] 作为一个优选的方案，所述第一、第二、第三探测器层(10、20、30)中的所有单光子雪崩二极管均共用同一个电压输入端。本发明提出的彩色数字硅光电倍增器件俯视示意图如附图3所示。[0028] 作为一个优选的方案，所述读取模块包括地址单元、控制单元以及输出单元；所述地址单元用以确定每一彩色数字硅光电倍增器像素单元的位置；所述控制单元控制每一彩色数字硅光电倍增器像素单元的色彩信息及地址输出指令的发送；所述输出单元用以传输所述每一彩色数字硅光电倍增器像素单元发出的色彩信息及相应的地址信息。[0029] 作为一个优选的方案，所述地址单元包括行译码器和列译码器；每个行译码器的X输入端包括一个行选通信号输入端和X个行地址信息输入端；每个行译码器还包括2个输出端，行译码器的每一输出端分别与每一彩色数字硅光电倍增器像素单元的存储单元通信连接，以确定每一彩色数字硅光电倍增器像素单元在器件中的行地址信息；每个列译码器X包括一个列选通信号输入端、X个列地址信息输入端以及2个输出端，列译码器的每一输出端分别与器件中的每一彩色数字硅光电倍增器像素单元的存储单元通信连接，以确定每一彩色数字硅光电倍增器像素单元在器件中的列地址信息；同时行译码器的行地址信息输入端、行选通信号输入端，列译码器的列地址信息输入端、列选通信号输入端均与控制单元通信连接以接受控制单元的驱动，控制指定地址的彩色数字硅光电倍增器像素单元的选通以及色彩信息、地址信息的发送。对于每一个彩色数字硅光电倍增器像素单元中的3个存储单元而言，它们的输入端彼此并联连接，即同一个像素单元中的存储器地址信息相同。[0030] 作为一个优选的方案，所述控制单元与地址单元通信连接以用于控制指定地址的彩色数字硅光电倍增器像素单元的选通以及相应色彩信息及地址输出指令的发送；控制单元预存彩色数字硅光电倍增器像素单元色彩信息输出逻辑顺序的地址信息，包括一个行选通信号输出端、一个列选通信号输出端、至少X个行地址信息输出端以及至少X个列地址信息输出端。控制单元的行选通信号输出端与行译码器的行选通信号输入端通信连接，控制单元的X个行地址信息输出端分别经由地址线与前述X个行地址信息输入端对应通信连接；控制单元的列选通信号输出端与列译码器的列选通信号输入端通信连接，控制单元的X个列地址信息输出端分别经由地址线与前述X个列地址信息输入端对应通信连接。控制单元经由行地址选通信号、列地址选通信号控制地址单元是否工作，即通过发送行地址选通信号、列地址选通信号使得行、列译码器均处于工作状态，然后控制单元再经由行地址信息输出端以及列地址信息输出端将预存的地址信息通过地址线发送至处于工作状态的行、列译码器中，通过行、列译码器的共同配合而实现指定彩色数字硅光电倍增器像素单元的选通。当指定的彩色数字硅光电倍增器像素单元被选通之后，立即将对应的存储单元中储存的色彩信息及相应的地址信息通过输出单元进行输出。行、列地址信号输出端发送信号的逻辑顺序遵循控制单元中预存地址信息的控制，以使彩色数字硅光电倍增器像素单元按照地址信息中的逻辑顺序进行色彩信息及地址信息的发送。[0031] 上述控制单元中预存的地址信息输出的逻辑顺序只需要使得器件中每一存储单元中的色彩信息及地址信息均能得到输出即可，为了便于有效确定每个存储单元的输出状态，地址信息中数据输出逻辑顺序可为逐一选通每一存储单元，以实现依次进行每一存储单元中的色彩信息的读取及地址的发送；或，控制位于同一行的存储单元依次选通，以逐行进行存储单元中的色彩信息的读取及地址的发送；或，控制位于同一列的存储单元依次选通，以逐列进行存储单元中的色彩信息的读取及地址的发送。由于行译码器收到行地址选通信号可识别出彩色数字硅光电倍增器件中的任一行的存储单元，列译码器收到列地址选通信号可识别出彩色数字硅光电倍增器件中的任一列存储单元，故控制单元按照预存的地址信息的逻辑顺序便可依次控制行地址选通信号与列地址选通信号的发送，进而控制器件中的存储单元按照确定的逻辑顺序进行色彩信息和地址信息的输出。输出单元与所述每一彩色数字硅光电倍增器像素单元通信连接以在指定地址的彩色数字硅光电倍增器像素单元选通后，传输所述彩色数字硅光电倍增器像素单元发出的色彩信息及相应的地址信息。具体的，每一存储单元的输出端分别经由数据总线与所述输出单元通信连接以在指定的彩色数字硅光电倍增器像素单元被选通之后传输相应存储单元中的色彩信息及地址信息。[0032] 本发明提出的一种彩色数字硅光电倍增器件的工作原理是，利用硅材料对不同波长光线的吸收效应，第一、第二、第三探测器层(10、20、30)就像是一个垂直分布的彩色滤波器。由于硅材料对蓝光具有很高的吸收系数，所以处在像素单元最顶部的第一探测器层40对蓝光最为敏感，因而主要被用来探测蓝光；当光线入射到中间的第二探测器层30时，光线中就只剩下红光和绿光，在这一探测层内，硅材料对绿光具有较高的吸收系数，因而主要被用来探测绿光；当光线入射到下层的第三探测器层20时，光线中就只有红光了，第三探测器层20对红光可以进行很好的探测。这样，光线中的色彩信息(即R<红>、G<绿>、B<蓝>色彩分量)便可通过第一至第三层探测器提取出来，并保存在像素单元中的存储单元中。第一、第二、第三探测器层的功能就是一个垂直彩色滤镜，可以实现红、绿、蓝三基色的分离，省去了复杂繁琐的微透镜(拜耳滤光片)工艺步骤。由于红、绿、蓝三基色可以同时在一个像素内进行提。蚨苊饬送枷竦纳适д。同时由于第一、第二、第三探测器中的探测器均为工作在盖革模式下的单光子雪崩二极管，具有较高的内部增益，因此并不需要信号放大电路，这样可以大大简化像素单元信号处理电路的复杂程度。由于每一个彩色数字硅光电倍增器像素单元都可以输出无失真的色彩信息，即每一个像素点都可以获得色彩信息，因而当将彩色数字硅光电倍增器件中每一个像素单元中的色彩信息都读取出来之后，便可以通过信号处理电路层40中的数字电路处理还原出彩色图像。[0033] 如附图2所示，本发明提出的一种彩色数字硅光电倍增器中的每一个像素单元均属于一个单独的探测单元，彼此之间相互独立，可以方便地进行控制和操作。将信号处理电路层布置在探测器层的底部，立体化的像素结构布局，保证了探测器像素具有较大的感光面积，所以像素单元具有较高的填充因子，因而具有较高的灵敏度，可以广泛应用于较低光通量探测领域。[0034] 作为一个优选的方案，所述第一、第二、第三探测器层(10、20、30)及信号处理电路层40分别在不同的晶圆上进行制造，然后通过晶圆减薄及键合技术使所述探测器层及信号处理电路层堆叠在一起；所述电气连接采用硅通孔的方式实现。考虑到硅材料对不同波长光线的吸收效应，第一探测器层10的厚度应控制在0.2μm至1μm之间；第一探测器层10和第二探测器层20的总厚度应小于2μm，第二探测器层20的厚度应控制在0.2μm至1μm之间。[0035] 作为一个优选的方案，所述第一、第二、第三探测器层(10、20、30)及信号处理电路层40均采用CMOS工艺制造实现，以尽量简便、高效，同时低成本地实现本发明。[0036] 本发明具有的有益效果是：1、在单个像素单元内即可探测到红、绿、蓝三基色，利用一个像素就能感应全部色彩信息，不仅省去了复杂的微透镜(拜耳滤光片)工艺步骤，而且避免了图像的色彩失真；2、由于探测器层位于表面而读取模块和数据处理电路位于探测层下方，读取模块和数据处理电路并未占用光敏感区域的面积，立体化的探测器结构布局使得彩色数字硅光电倍增器件具有较高的填充因子，因而具有较高的灵敏度，可以方便地应用于较低光通量探测领域；3、得益于单光子雪崩光电二极管的高内部增益，像素数据读出并不需要复杂的读出电路；4、由于在像素级别即实现了输出信号的数字化，不仅可以大大简化后续信号处理电路的复杂程度，而且也可以降低彩色数字硅光电倍增器件的功耗。[0037] 上述实施例是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用本发明而描述的。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

专利地区：湖北

专利申请日期：2017-10-30

专利公开日期：2024-07-19

专利公告号：CN107677380B