CN107110985A - 具有内部校准电路的硅光电倍增管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硅光电倍增管，所述硅光电倍增管包括多个微单元，所述多个微单元响应于入射辐射提供脉冲输出，每个微单元包括电路，所述电路配置成启用和禁用所述脉冲输出。每个微单元包括单元禁用开关。所述控制逻辑电路控制所述单元禁用开关和自测试电路。当所述单元禁用开关处于第一状态下时，微单元的脉冲输出被禁用。一种用于微单元的自测试校准方法包括：向所述微单元提供测试启用信号；在预定时间段内集成暗电流；将所述集成暗电流与预定阈值水平进行比较；以及如果高于所述预定阈值水平，则提供信号。
Description
背景技术
可以使用包括雪崩光敏二极管(APD)的微单元阵列来实施光子传感器。APD可以制造于硅晶圆上，作为硅光电倍增管(silicon photomultipliers，SiPM)。在常规的硅光电倍增管装置中，每个APD可以通过抑制电阻器连接到读出网络，所述抑制电阻具有介于100kΩ到1MΩ的典型值。当施加到SiPM的偏压高于击穿电压时，所检测的光子将产生雪崩，APD电容将放电到击穿电压，并且重新充电电流将产生信号。
SiPM技术可以具有本征暗计数(intrinsic dark count)(即，在缺少光的时候响应，通常由热离子排放引起)，这可以是由于晶体缺陷、杂质和其他异常。缺陷在阵列中的各个微单元之间的分布可能不均匀，导致每个装置有少量微单元具有极高的暗计数发生率(dark count generation rate)的可能性。
可以通过在施加的电压下测量SiPM的光致发光(photoluminescence)来定位所述阵列中的噪声微单元。所识别出的噪声微单元可以通过使用激光脉冲从所述阵列断开连接。这种方法的实际实施非常复杂并且昂贵。出于这些原因，该方法对于在大量SiPM生产中实施不具有吸引力。
识别噪声微单元的另一个方法是测量每个微单元的暗计数，并且以编程方式抑制噪声微单元。为实施此方法，每个微单元都需要配备具有唯一地址的地址行。此外，单个微单元均制造成包括可用于禁用或启用微单元的静态存储单元。需要使用外部控制器来实施校准过程。
附图说明
图1示出了具有微单元阵列的常规硅光电倍增管像素的简化电气模型；
图2A-2B示出了根据一些实施例的微单元的示意图；
图3示出了根据一些实施例的微单元阵列的方框图；以及
图4示出了根据一些实施例的过程。
具体实施方式
根据各实施例，微单元制造成包括对所述微单元进行自测试以识别具有高暗计数率的微单元。如果暗计数率高于预定阈值，则所述电路可以禁用所述微单元。根据实施方案，此自测试程序可以在装置通电时执行并且/或者通过作为微单元的重置信号而接收的命令来执行。根据实施例，配备了监控器，以对在自测试期间禁用的微单元的数量进行计数。所述监控器跟踪所述阵列内的禁用微单元的计数。如果所述阵列内的禁用微单元的数量达到预定数量，则所述监控器可以阻止所述电路禁用更多微单元。根据实施例，所述阵列内的活动微单元的数量保持高于预定阈值。
以SiPM技术制造的APD的典型暗计数率是每平方毫米约100千条计数每秒(Kcps)。对于50微米×50微米规格的SiPM微单元，此速率对应于每微单元约250cps。根据实施例，一体式自测试电路可以在自测试期间检测暗计数脉冲。此自测试程序可以在通电时执行，或者通过重置命令执行。所述自测试的持续时间可以是约0.1到1.0秒，具体取决于平均噪声电平。如果暗计数超过阈值，则所述微单元内的电路将禁用微单元，直到下一个自测试程序启动。根据实施方式，向装置求和块提供特殊脉冲，以限制每个装置要关闭的微单元数。
图l示出了常规硅光电倍增管像素的简化电气模型，其中微单元是所述单元的SiPM阵列内的多个微单元中的一个微单元。在一个实例中，图示的微单元可以是以盖革模式在模拟SiPM内操作的单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列的一部分。在图示的实例中，所述模型具有相关联的阴极52和阳极54。所述模型的微单元部分包括二极管电容器58和电流脉冲66，例如可以与光电二极管相关联。图示实例中的抑制电路(quench circuitry)包括抑制电阻(quench resistor)72和寄生抑制电容器60。在此实例中，抑制电路的下游建模了寄生电阻62和寄生电感器64。
在此模型中，微单元的每个APD，例如图示的微单元，通过抑制电路连接到读出网络，包括抑制电阻器(Rq)72，所述抑制电阻器具有介于约100kΩ到约1MΩ之间的典型值。当所检测的光子产生雪崩事件时，产生电流脉冲66，并且微单元二极管电容Cd 58放电到击穿电压，并且重新充电电流将产生可测量的输出信号。单光电子(SPE)信号的典型脉冲形状74具有快速上升时间(即，尖锐上升沿)，然后是长下降时间(即，缓慢下降尾部)。
图2A到图2B示出了根据一些实施例的包括自测试电路210的微单元200。图2A示出了常规操作模式下的微单元200。图2B示出了自测试模式下的微单元。微单元200包括与抑制电路206串联的APD 204。根据实施例，自测试电路210连接在APD和抑制电路的连接处。根据实施方案，自测试电路210制造于采用SiPM的硅晶圆上，并且一体化成微单元的一部分。
自测试电路210包括具有反馈电阻Rf、电容器Cint和相关电路部件的运算放大器(OP AMP)212，受控于来自微单元控制逻辑218的ConfigCell信号。在一个实施方案中，OPAMP可以配置成电流感测放大器。电流感测放大器的一个输入连接到APD和抑制电路的结点，以接收信号208。根据实施例，电流感测放大器212的另一端子连接到参考电压电平(例如，在一个实施例中的公共地)。电流感测放大器提供电流感测放大器输出信号213，所述电流感测放大器输出信号具有与信号208的电流强度成比例的电压。
图2A示出了微单元200的正常操作模式配置。在此模式中，TestEnable信号230设置成False、开关240闭合并且开关219在默认打开，但是可以基于上一个自测试程序循环中的微单元控制逻辑218状态而闭合。电流感测放大器212的输出作为输入提供给运算放大器(或者比较器)214，运算放大器在运算放大器214的第二输入端子处，将信号213的电压与预定阈值电压Vth进行比较。当信号213的电压超出(在绝对电压电平下)阈值电压时，运算放大器214在其输出处产生逻辑信号。运算放大器214的输出连接到单触发脉冲电路(one-shot pulse circuit)215。在正常操作模式(图2A)下，单触发脉冲电路向像素求和器提供脉冲。在此模式下，通过微单元控制逻辑2***用闩锁电路216。
图2B示出了微单元200的自测试模式配置。通过像素控制器从输入线230发出的TestEnable信号的上升沿可重置微单元控制逻辑218，所述微单元控制逻辑使开关219断开并且开关240闭合。在自测试模式下，如果微单元的暗计数高，则微单元控制逻辑电路218提供设置成True的CellDisable信号，所述信号将闭合开关219并且断开开关240。在自测试模式下，微单元控制逻辑电路通过ConfigCell信号禁用单触发215，并且启用闩锁216。集成电容器Cint切换到OP AMP 212的反馈回路，所述OP AMP配置成电荷灵敏放大器(chargesensitive amplifier)。时钟信号Intg设置并且重置电容器Cint的积分持续时间(integration duration)。时钟信号由像素控制器或微单元控制逻辑电路提供。
由运算放大器214确定的比较确定APD的暗计数率是否超出预定阈值。如果暗计数率过高，则比较器214跳闸，CellDisable将升高以闭合与电压源Vs相连的开关，从而减小因此而被禁用的APD的偏压，并且抑制电路206禁用并且将微单元与阳极断开。如果暗计数率过高，则微单元200向像素控制器提供暗计数高(dark count high，DCH)信号。
像素控制器将通过对DCH行计数器求和来统计禁用微单元的数量。如果禁用微单元的数量高于预定值，则像素控制器可以发出重新执行或停止测试的命令，同时执行一个或多个后续步骤，直到禁用微单元的总数低于预定值。首先，可以在像素控制器的控制下提高比较器阈值电压Vth。其次，可以通过改变时钟信号的脉冲宽度来缩短由时钟信号Intg设置的积分持续时间。根据实施例，不需要对微单元进行单独寻址。在一些实施方案中，实施方法可以延伸到按行和/或列对微单元进行寻址。
输入线230上的TestEnable信号是微单元控制逻辑电路218的一个输入。所述逻辑电路将TestEnable 230信号与来自闩锁216的信号224相组合。如果两个信号均存在，则开关219启动，并且开关240断开以将微单元从阳极54断开。在开关219启动的情况下，向OPAMP 212的输入提供电源电压Vs。
图3示出了根据一些实施例的具有像素控制器的硅光电倍增管微单元阵列300。微单元阵列300包括多个微单元302，304，30N。这些微单元是根据各个实施例的上文参见图2A到图2B所公开的微单元200的实施方案。图3示出了图2B中的自测试模式下的微单元200。每个微单元通过输出线从微单元闩锁连接到DCH行计数器310，所述DCH行计数器向像素控制器320提供输入。微单元的单触发输出提供到像素求和器。此外，所述微单元从像素控制器连接到TestEnable线。
图4示出了根据实施例的用于在微单元APD SiPM上执行自测试校准的过程400。步骤410中将APD设置为自测试/校准模式。要进入自测试模式，微单元根据上文参照图2B中所公开的内容进行配置。在步骤420中，在由时钟信号Intg设置的预定时间段内，集成APD产生的任何暗电流。所述集成可通过放大器212执行，所述放大器配置成根据一些实施方案的电荷灵敏放大器。在步骤430中，监控所述集成暗电流，并且在步骤432中，将其与预定阈值水平进行比较。所述监控可以由将电荷灵敏放大器212的输出电压与阈值电压电平进行比较的运算放大器214执行。如果暗计数率高于阈值水平，则在步骤440中，过程400向像素控制器提供指示暗计数率高的信号(步骤470)。如果暗计数率高于阈值，则由步骤450的微单元控制逻辑禁用微单元，即步骤460。响应于来自所有微单元的DCH信号，，像素控制器向微单元控制逻辑450更新并且发送TestEnable信号，即步骤470，以停止测试或者重置并且以不同参数开始新测试。
根据各个实施例的***和方法可以通过管理提供暗计数的微单元阵列的各个微单元，改进总体光子检测器性能。实施例的实施可以提高可接受晶圆制造的合格率，从而减小制造检测器的总体成本。
尽管本说明书中描述了特定硬件和方法，但是请注意，可以根据本发明的实施例提供任意数量的其他配置。因此，尽管本说明书中已图示、描述并指出本发明的基本新颖特征，但是应了解，所属领域中的技术人员能够在不脱离本发明精神和范围的情况下对图示实施例的形式和细节以及这些实施例的操作做出各种省略、替代和改变。此外还充分计划和考虑到了不同实施例之间的元素更替。
Claims (20)
1.一种硅光电倍增管阵列，包括：
多个微单元，每个微单元响应于入射辐射提供脉冲输出，每个微单元包括电路，所述电路配置成启用和禁用所述脉冲输出；
所述多个微单元中的每个微单元包括单元禁用开关和自测试电路；并且
其中当所述单元禁用开关处于第一状态下时，所述脉冲输出被禁用。
2.根据权利要求1所述的硅光电倍增管阵列，包括：
行计数器，所述行计数器连接到所述多个微单元中的预定行，并且配置成计数所述预定行的每个微单元的闩锁信号输出；
像素控制器，所述像素控制器连接到所述行计数器，所述像素控制器配置成向所述多个微单元中的每个微单元的控制逻辑电路提供信号；并且
所述行计数器向所述像素控制器提供暗计数高指示信号。
3.根据权利要求2所述的硅光电倍增管阵列，所述像素控制器配置成监控所述暗计数高指示信号，并且如果所述暗计数高指示低于所抑制微单元的预定阈值，则向所述多个微单元提供抑制信号。
4.根据权利要求3所述的硅光电倍增管阵列，所述像素控制器配置成在所述暗计数高指示高于所抑制微单元的预定数量时，去除所述抑制信号。
5.根据权利要求1所述的硅光电倍增管阵列，控制逻辑电路向其对应微单元的部件提供配置单元信号。
6.根据权利要求5所述的硅光电倍增管阵列，所述配置单元信号可操作地促使所述对应微单元的比较器阈值电压参考值的变化。
7.根据权利要求1所述的硅光电倍增管阵列，所述多个微单元中的每个微单元包括：
雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管具有阳极端子和阴极端子；
第一运算放大器，所述第一运算放大器具有输出端子、与所述阴极端子电气通信的第一输入端子以及连接到参考电压电平的第二输入端子；
第二运算放大器，所述第二运算放大器具有与所述第一运算放大器输出电气通信的输入，所述第二运算放大器具有连接到阈值电压的另一个输入，以及与单触发脉冲电路电气通信的输出；
单触发脉冲电路，所述单触发脉冲电路配置成产生所述脉冲输出；以及
闩锁电路，所述闩锁电路与所述第二运算放大器输出电连接。
8.根据权利要求7所述的硅光电倍增管阵列，所述第一运算放大器配置成电流感测放大器。
9.根据权利要求7所述的硅光电倍增管阵列，包括抑制电路，所述抑制电路与所述阴极端子串联。
10.根据权利要求1所述的硅光电倍增管阵列，包括像素求和器，所述像素求和器连接到所述多个微单元中的每个微单元的所述脉冲输出。
11.根据权利要求1所述的硅光电倍增管阵列，包括所述自测试电路，所述自测试电路配置成响应于自测试操作提供闩锁信号。
12.根据权利要求11所述的硅光电倍增管阵列，所述控制逻辑电路配置成基于像素控制器信号和所述闩锁电路提供的信号向所述单元禁用开关提供控制信号，所述控制信号使所述单元禁用开关在两个状态之间切换。
13.一种用于硅光电倍增管阵列中的对应微单元的自测试校准方法，所述硅光电倍增管阵列包括多个微单元，所述方法包括：
从像素控制器向所述多个微单元提供测试启用信号，以将所述多个微单元中的每个微单元置于自测试模式下；
集成对应微单元内的雪崩光电二极管在预定时间段所产生的暗电流；
将对应微单元的所集成暗电流与预定阈值水平进行比较；以及
如果对应微单元的所集成暗电流高于所述预定阈值水平，则向所述像素控制器提供暗电流高信号。
14.根据权利要求13所述的方法，包括通过配置成电荷感测放大器的运算放大器，执行所述暗电流集成。
15.根据权利要求13所述的方法，包括调整由所述像素控制器控制的所述集成预定时间段。
16.根据权利要求13所述的方法，包括在所述硅光电倍增管阵列通电时，执行所述自测试。
17.根据权利要求13所述的方法，包括在所述集成暗计数高于所述预定阈值时，禁用对应的微单元。
18.根据权利要求17所述的方法，包括：
对所禁用的对应微单元的数量进行量化；以及
如果所述数量高于所禁用的对应微单元的预定数量，则抑制所述自测试。
19.根据权利要求13所述的方法，包括通过改变所述对应微单元内的开关的状态，将所述对应微单元配置成自测试模式。
20.根据权利要求19所述的方法，包括从对应微单元内的自测试电路提供用于改变所述开关状态的闩锁信号。
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