作者：Joe O‘keeffe,Carl Jackson
矽光子計數器件最近取得了革命性進展，大量新型探測器正進入市場。這些探測器可應用於許多新領域，如螢光壽命成像、正電子發射X線斷層顯像、輻射探測、高能物理、雷射測距（雷射雷達）和粒徑測量。潛在應用甚至包含新興的通信技術領域，如保密通信中的量子密鑰分配。
圖1.在納米壓印光刻技術中，重複使用一
個模版大批量的壓印預定形狀的晶圓。在
最終的沉積工序之後，晶圓既可以依尺寸
切成方塊，也可以再利用壓印技術製備其
它的功能層。
以前，光子計數器建立在三種不同技術平臺上。其中之一是以真空管為基礎的光電倍增管（PMT）。這些探測器具有光探測面積大的優點，可用於各種器件。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，時間精度也很差（約為500ps），量子效率由於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不兼容，也無法實現微型化。微通道板（MCP）是一種改進的PMT，它顯著提高了時間精度（少於100ps），但動態範圍受限（100kHz/s）。此外，MCP探測器非常昂貴且容易毀壞。
第二種光子計數平臺以第一代「透過式」矽探測器結構為基礎。該平臺需要高電壓（超過100伏），依賴厚的耗盡層。儘管厚耗盡層在較長的波長（約1000nm）處具有高響應度，但是時間精度卻降低了。而且，透過式結構也不與標準矽工藝技術兼容，在陣列中無法使用，因此完全不能用於成像。
第三種光子計數傳感器技術平臺是電子倍增電荷耦合器件（EMCCD），它是在標準CCD相機的基礎上，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1000?000），但是因為其特殊的數據讀取裝置，會丟失全部時間解析度信息。EMCCD也需要強力冷卻（溫度要降到-100℃），這使得器件複雜而昂貴。
第二代矽光子計數器件
最新的第二代矽光子計數技術將引發微光成像技術的革命。這一技術以蓋革模式的淺結矽偏壓二極體為基礎，經過多年的發展和改進，現已成為一種成熟的工藝技術。淺結的性能優點包括：時間抖動小（小於100ps）、工作電壓低（約35V）、計數速率快（10M/s）、量子效率高（大於45％），且光譜靈敏度範圍寬（400至900nm）。1淺結的基本結構包含一個p結中的n+區，它靠近探測器頂部的光子入射窗口（見圖1）。二極體是在薄的p型襯底（5至15μm）中製成的，這有利於阻止體內產生的載流子延長探測器響應時間。2頂部的雙裝置可使晶片倒裝集成到新型探測平臺和合適的應用裝置中。3 入射到結內的光子產生電子空穴對，在二極體蓋革模式偏置結內分離並被放大（如圖2）。每當光子進入器件，結區內便產生大的、易於探測（也就是低噪聲）的電脈衝。器件所具有的高速時間響應特性使得精確測定光子到達時間成為可能，這促使許多先進技術例如雷射雷達和時間相關單光子計數得以實現。
圖2.雪崩倍增工藝使單個入射光子
產生的輸出脈衝更容易被觀察到。
這種碰撞電離過程受二極體陰陽兩
極間耗盡區內大電場影響。單個光
子產生電子空穴對，它們在結內分
離並被放大。因為結對單光子輸入
產生數字式響應，所以同標準化線
性探測相比，探測系統中的噪聲減
小了。實質上，探測器處於關態（
數字0）或者開態（數字1），對應
於無光子或有光子的情況。
這一創新技術所具有的潛力不僅來源於它的超級特性，也來源於它可以採用標準CMOS工藝製作這一事實。因此，器件可製成單片陣列（單一矽片上），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，這使得整個傳感器系統有可能大幅縮減尺寸。最後，這一器件的成本曲線將像典型CMOS器件那樣，一旦大規模量產，成本就會大幅降低。
單光子計數傳感器
SensL是一家實踐這些創想的公司，已經開發出三種產品（見圖3）。4第一個是單光子高時間解析度傳感器，這是一種單一像素光子計數探測器。它是一種單片集成光子計數器件，包括了必需的電流探測和關斷電路，非常適合於要求有源區面積為10至100μm、快速、高時間解析度的應用（見表格）。
矽光電倍增管
多個單像素光子計數探測器可製成一個陣列，所有的輸出連接到一起成為一個大面積高增益探測器，被稱為矽光電倍增管（SiPM）。這種結構中，每個像素都有一個集成的關斷電阻，同時充當光子計數傳感器， 被探測到的光子轉化為常見的電脈衝輸出。該器件的輸出與任意時刻到達的光子數成正比，它實際上相當於一個高增益線性光電二極體，是線性雪崩光電二極體（APD）或高增益模擬PMT的替代品。
這一新型傳感器與傳統APD之間的主要差別是其增益增大了好幾個數量級（它對溫度和偏置電壓變化不敏感）、響應時間更短、有源區面積大、偏置電壓只有約35V。這些器件可用於探測從每秒一個光子到幾百萬個光子的光子流，引起了人們的廣泛興趣，可用於核醫學成像、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域。與PMT相比，SiPM的特點是電壓低、結構緊湊、穩定可靠、全固態。
光子計數成像器
最後一點，淺結技術具有CMOS工藝兼容性，可用於製作二極體陣列（見圖3，右圖）。這種結構中，每個二極體或像素採用存儲器架構的概念獨立尋址。它與集成的關斷電路組合成光子計數成像器。開發這種成像器的多個研究小組都展示了這一技術的巨大潛力。SensL正在開發的一種器件（名為數字雪崩二極體）具有單光子靈敏度，還能獲取光子到達時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，使作為微光成像技術備選方案的EMCCD成為歷史。
圖3.淺結二極體技術的三種可能結構。
一個單光子計數高速時間響應探測器
（左）的尺寸為10至100μm。這一器件
對於每個入射光子產生一個數字輸出。
新型大面積高增益光電二極體被稱為
矽光電倍增管（SiPM），它與大量單
光子計數二極體（中）陣列的功能相
似。每個器件都集成了自己的關斷電
路，它將大量電荷輸送到普通輸出節
點上。它對進入探測器的多個光子產
生線性輸出響應。它可製成大探測器
（1至4mm2），能探測到一個到幾百
萬個光子。光子計數成像器（數字雪
崩二極體）與光子計數器的功能相似，
具有單一尋址輸出能力（右）。
這種新型成像器的應用領域非常多樣和廣泛。可獲取時間信息的微光成像器將應用到很多領域，如螢光壽命測量和醫學成像。微光成像器不需要強力的冷卻，因此功耗非常低，可用於諸如可攜式安全系統等多個應用領域。具有高時間解析度的微光成像器可極大地推動一些應用技術的發展，如雷射雷達、時間分辨螢光技術和三維成像。SensL正在製作成像器樣機，使該樣機的時間解析度約達到250ps，陣列規模從4x4增大到32x32，最終達到1000x1000。
技術難題
在設計和優化以淺結技術為基礎的光子成像平臺過程中，還需要解決大量的技術難題。器件所需的偏置電壓高於擊穿電壓，達到35V，大於普通的CMOS工作電壓。這是一個潛在的技術障礙，不利於將傳感器與集成電路組合到同一矽片上。
有三個替代方案可用來解決這一問題。第一個是使用新的高電壓CMOS技術，使常規CMOS器件適應高工作電壓。另一個選擇是使用SOI（絕緣體上矽）晶圓片，它能將二極體和集成電路隔離到兩個不同的矽層中並分別優化。5第三種解決辦法採用分離的矽晶片，一個用於二極體或傳感器，另一個用於像素單元電路。這些晶片通過倒裝焊或鍵合技術組合到一起。
還有一個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的波長時要求阱區比較厚。
儘管優化這一技術還需解決眾多技術難題，但是採用這一技術的探測器將會引發微光成像技術的革命。許多新穎且振奮人心的應用將會出現，例如用於實時醫療診斷的活體定點醫學檢測設備、低成本高性能的夜視技術和用於環境監測的雷射測距成像器。
參考文獻：
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).