用于数字硅光电倍增器的再充电电路的制作方法

用于数字硅光电倍增器的再充电电路


背景技术：

1.以下涉及在数字正电子发射断层扫描(pet)系统、天文探测器、光探测和测距(lidar)系统等中经常使用的类型的硅光电倍增器(sipm)探测器阵列。在用于数字pet的sipm中，探测器阵列的每个像素本身都包括单元的阵列，其中，每个单元包括被反向偏置到其击穿电压之上的单个光电雪崩二极管(spad)，以及支持电路的部分。支持电路包括用于在spad进入击穿时生成和验证触发事件以及在触发事件之后的时间间隔内跨像素的单元的阵列来对击穿事件进行计数的子模块。在触发事件之后(例如击穿之后)，淬灭和刷新电路用于加速spad的恢复。用于pet的sipm探测器阵列的一些说明性示例在frach等人的题为“digital silicon photomultiplier for tof-pet”的美国专利us9268033以及solf的题为“timestamping detected radiation quanta”的美国专利公开us2016/0011321al中进行时了描述。
2.以下公开了解决这些问题和其他问题的特定改进。


技术实现要素：

3.在一个公开的方面中，一种光学探测器包括：单元的阵列；再充电电路，其被配置为将再充电信号施加到所述阵列中的单元的组。在一些实施例中，每个单元包括：单光子雪崩二极管(spad)，其被反向偏置到高于所述spad的击穿电压；连接到所述spad的触发逻辑单元，其用于输出指示spad是否处于击穿状态的触发信号；以及条件再充电电路，其被配置为在满足以下两个条件下对所述spad进行再充电：(i)所述再充电电路将所述再充电信号施加到所述单元并且(ii)由所述单元的所述触发逻辑单元输出的所述触发信号指示所述单元的spad处于击穿状态。
4.在另一个公开的方面中，一种方法包括：利用连接到单光子雪崩二极管(spad)触发逻辑单元来输出触发信号，所述触发信号指示所述spad处于击穿状态。所述方法还可以包括，利用条件再充电电路：接收指示所述spad处于击穿状态的所述触发信号；接收指示对所述spad进行再充电的再充电信号；响应接收到指示所述spad处于击穿状态的所述触发信号并且接收到指示对所述spad进行再充电的再充电信号，对所述spad进行再充电。
5.在另一个公开的方面中，一种光学探测器包括：单元的阵列，每个单元包括：单光子雪崩二极管(spad)，其被反向偏置到所述spad的击穿电压之上；连接到所述spad的阳极的触发逻辑单元，其被配置为输出触发信号。在一些实施例中，所述阵列中的每个单元被配置为在施加再充电信号时将所述spad连接到接地，并且所述再充电信号包括占空比。
6.一个优点在于在再充电期间发生暗计数的情况下防止spad的“多米诺效应”击穿。
7.另一个优点在于改进的再充电电路。
8.给定实施例可以不提供前述优点，提供前述优点中的一个、两个、更多或全部，和/或可以提供其它优点，对于本领域普通技术人员而言，在阅读和理解了本公开后，这将变得显而易见。
附图说明
9.本发明可以采取各种部件和各部件的布置以及各种步骤和各步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选的实施例的目的并且不应被解释为对本发明的限制。
10.图1图解地图示了pet扫描系统的实施例。
11.图2图示了常见的行再充电的示例。
12.图3图示了包括示例性条件再充电电路以形成具有门控的再充电的行再充电配置的单元实施例。
13.图4示出了示例条件再充电电路。
14.图5图示了传统再充电的数据的示例。
15.图6图示了具有50％占空比的智能再充电数据的示例。
16.图7示意性地图示了根据本文描述的系统和方法的实施例的流程图。
具体实施方式
17.然而，特定问题可能由于噪声而出现。具体来说，所谓的暗计数是如下的spad击穿：其与光子探测无关，但主要是由于单光子雪崩二极管结中的热生成的载流子。这种暗计数能够导致错误触发，从而在处理、拒绝错误触发和sipm重置时引入不希望的探测器死区时间。此外，如果在再充电期间发生击穿，则能够发生击穿多米诺骨牌效应，其中相邻的spad也发生击穿。
18.以下涉及在医学核成像系统例如数字正电子发射断层扫描(pet)系统中经常使用的类型的硅光电倍增管(sipm)探测器阵列。然而，所公开的方法在核医学成像领域之内和之外都有许多应用。
19.参考图1，放射发射成像系统10包括扫描器12。扫描器12被布置和定尺寸为在检查区域中接收俯卧的人体对象。
20.在医学核成像中可以使用不同的扫描技术和变体。一种这样的技术是pet。在pet的一个示例中，向对象施予包括正电子发射放射性同位素的放射性药物。放射性药物可以被设计为在感兴趣的器官或组织中聚集，例如脑、肺、肿瘤等。在施予放射性药物之后，将对象加载到检查区域中。随着时间的推移，放射性药物将在放射性衰变事件中发射正电子。放射性药物发射的正电子在与电子相互作用之前将行进很短(通常可以忽略不计)的距离。一旦正电子与电子相互作用，正电子和电子两者将湮灭，并产生一对相反方向的伽马光子(有时也称为湮灭光子)。伽马光子沿相反方向移动，并且每个伽马光子可以在到达扫描器12中的闪烁体100时被检测到。这个示例可以取决于对伽马光子的对的同时检测。因此，一些算法可能忽略不同时到达的伽马光子。
21.为了检测伽马光子，使用了硅光电倍增管(sipm)探测器阵列。在这些探测器中，探测器阵列的每个像素本身都包括单元的阵列，其中，每个单元包括反向偏置到其击穿电压之上的单个光电雪崩二极管(spad)，以及支持电路的部分。(在下文中，术语“像素”用于指代spad单元的阵列，因为在pet应用中，所述单元阵列形成较大pet探测器阵列的一个像素。然而，应当理解，在一些其他应用中，可以使用单个spad单元阵列，例如作为lidar系统中的辐射探测器，在这种情况下可能只有一个“像素”。)支持电路包括子模块，用于在spad发生击穿时生成和验证触发事件，在触发事件之后的时间间隔内对像素单元阵列上的击穿事件
进行计数，并且为事件分配数字时间戳.在击穿后使用淬灭和刷新电路来加速spad的恢复。为了在pet探测器设计中提供高的空间分辨率，使每个单元占用的硅空间尽可能小。虽然一些支持电路必须位于阵列中的单元区域中，但支持电路的可行部分被放置在像素的外围，并且还被设计为服务多个单元(例如，整行单元)。用于pet的sipm探测器阵列的一些说明性示例在frach等人的题为“digital silicon photomultiplier for tof-pet”的美国专利us 9268033，以及solf的题为“timestamping detected radiation quanta”的美国专利公开号us 2016/0011321 a1中进行了描述，两者均通过引用整体并入本文。
22.用于检测伽马射线的完整pet辐射探测器还包括闪烁体100，当伽马射线被吸收时，闪烁体100生成闪光(闪烁)。sipm像素102探测构成闪烁的光子的爆发。积分时间间隔内的计数总数是针对探测事件的光子能量的度量，而触发信号的计时提供针对事件的时间戳。此外，希望在室温下操作sipm，或至少限制冷却的量。
23.有趣的是，再充电电路104被定位于像素区域的外围，并且单个再充电电路与像素的一行单元相连。在其静默状态下，spad被偏置到比其击穿电压高几伏。当spad击穿时，结上的电压降低到低于其击穿电压，并且必须被恢复到高于击穿电压以重置spad。再充电电路通过短暂导通晶体管以将spad的阳极连接到地来操作，从而将电荷施加到阳极上并使被击穿的spad高于其击穿电压，从而返回到静默状态。
24.此外，主动淬灭和再充电电路最大限度地减少了spad的死区时间。理想情况下，这些电路将设计为单独对每个spad进行淬灭和再充电(参见nolet等人，“quenching circuit and spad integrated in cmos 65nm with 7.8ps fwhm single photon timing resolution”，instruments，2018)。然而，单个spad淬灭和再充电所需的电路通常很大，并且可能需要模拟部件来调整淬灭和再充电时间。因此，为每个spad单元提供单独的再充电电路可能不切实际，尤其是在期望高的空间分辨率的pet探测器等应用中，这驱使使得spad单元尽可能小。
25.替代地，可以使用通用行再充电技术来减少面积要求并将定时电路卸载到传感器外围(参见frach等人的“the digital silicon photomultiplier-principle of operation and intrinsic detector performance”,ieee nuclear science symposium conference record.nuclear science symposium，2009年12月)。在这种情况下，每个spad都独立地猝灭，但多个spad(通常为一行或多行)被再充电一次。该方法显著减小了单元电子器件的面积，并由于较高的填充因子而导致器件的光子探测效率更高。
26.图2图示了spad中的一行单元中的两个单元的电气示意图示例，它们具有共同的行再充电。参考此，每个单元202包括反向偏置在spad的击穿电压之上的单光子雪崩二极管(spad)(204)，以及连接到spad 204的触发逻辑单元206。触发逻辑单元206被配置为向像素的触发网络输出触发信号，指示spad 204是否处于击穿状态。说明性触发逻辑单元206执行额外的功能，包括在读出线上生成读出信号，以及控制可用于断开spad 204的任选的启用晶体管212(例如，如果spad 204有缺陷并且应该被停用的话)。合适的触发逻辑单元的一些说明性示例在frach等人的美国专利us 9268033和solf的美国专利公开号us 2016/0011321 a1中公开。
27.如在图2中进一步可见，每个单元202还包括再充电晶体管220，其控制spad 204的再充电。单元202的再充电晶体管220是再充电电路的一部分，所述再充电电路被配置为将
再充电信号施加到阵列的多行单元。(更一般地，再充电电路被配置为向阵列的单元组施加再充电信号；在说明性示例中，所述组是阵列中的单元的行，但也可以考虑其他分组)。再充电电路还包括针对每行的输出再充电信号的再充电驱动器222，以及将驱动器222连接到该行中的所有单元的再充电晶体管220的电导体224。以此方式，输出再充电信号的驱动器222将再充电信号施加到该行的所有单元的再充电晶体管220。在操作中，像素控制器检测行上任何地方发生spad击穿(例如，经由触发逻辑单元206输出的读出和/或触发信号)并控制驱动器222输出再充电信号。在说明性示例中，再充电信号为激活高(active-high)信号(即逻辑“1”)信号，使得驱动器222输出低信号(逻辑“0”)直到像素控制器激活驱动器222以输出激活高再充电信号。(预期采用相反的布置，其中,再充电信号为激活低，如下面将讨论的)。施加到每个单元202的再充电晶体管220的栅极的激活高再充电信号使得spad 204的阳极连接到电接地，从而将电荷置于阳极上并且使被击穿的spad高于其击穿电压从而回到静默状态。
28.还设想了采用“反转布置”的实施例，其中再充电信号为激活低。在这些实施例中，再充电晶体管是pmos类型的(图2中所示的再充电晶体管220是nmos，因为它在栅极为逻辑0时打开并且在栅极为逻辑1时关闭)并且整个电路也是“反转”的。作为背景，美国专利申请公开us2011/0079727a1说明了两种读出方式的一些方面。
29.为了进一步说明，在本文公开的实施例中，spad在再充电晶体管闭合时连接到gnd。在阴极具有正偏压(＝v击穿+v过量)时，spad在再充电nmos打开时被偏置在高于击穿电压的v过量。当spad击穿时，电流在结中流动，直到阳极-阴极电压降至v击穿。由于阴极电位是固定的，因此只有阳极电位能够发生变化，并且因此阳极电压会从gnd增加到-v过量(假设nmos晶体管开路，否则将有大电流流过spad)。
30.对于pmos实施例，再充电晶体管被连接到阴极，以便连接到定义过电压的电源。在这种情况下，阳极被偏置到负的v击穿，pmos再充电将阴极连接到定义v过量的电源轨。当再充电开关打开并且阴极电压在击穿时转变为gnd时，spad的阴极保持在v过量。随后的单元电路的整个逻辑因此被反转。
31.这种通用行再充电设计的一个优点是再充电电路的唯一需要位于单元单元202内本地的部件是再充电晶体管220。再充电驱动器222可以被定位于单元202的阵列200的外围。这有利于单元202的小型化，从而实现更小的像素和具有更高空间分辨率的pet探测器。替代地，像素尺寸可以保持固定，并且所公开的方法能够增加单元的填充因子(即，减少单元的对光不敏感的部分面积)，从而增加传感器的灵敏度。更高的灵敏度导致传感器(和系统)更好的定时分辨率。应当注意，当行中的任何单元发生击穿时，像素控制器激活再充电驱动器以将再充电信号施加到包括发生击穿的单元的整行(或其他组)单元。然而，通过其再充电晶体管220将处于其静默状态(即反向偏置其击穿电压之上)的spad的阳极连接到电接地不改变spad的状态，因为它只是略微增加了反向偏置的幅值进一步高于其击穿电压。因此，公共行再充电设计通常被理解为在没有伴随成本的情况下提供部件总数的有利减少和阵列200的随之小型化。
32.如前所述，使用通用行再充电设计，再充电电路将整行的所有spad的阳极接地，无论该行中是否有任何特定的spad发生击穿。通常这不是问题，因为当前未击穿的spad将保持其静默状态。然而，本文认识到，如果这种spad在其静默状态(即，偏置在击穿电压之上而
不处于击穿状态)，并且其阳极通过其再充电晶体管220连接到电接地，则恰好发生击穿，然后spad的pn结流过大的电流，并且spad有效地成为光电发射器。然后，spad发出的光可以触发相邻spad的击穿(击穿多米诺骨牌效应)。
33.换言之，当spad在针对包含该spad的行的再充电循环期间发生击穿时，会出现公共行再充电电路的一个问题。在一些用于pet探测器像素的sipm设计中，有几十个spad连接到再充电线224，并且在再充电开始时并非所有spad都放电。因此，在其再充电晶体管220关闭之后，处于其静默状态的spad之一随后发生击穿的现实可能性是存在的。在这种情况下，大电流开始流过spad，从而导致高的光发射。这种光发射随后会触发同一行或其他行中相邻spad的击穿(击穿多米诺骨牌效应)。这种状态随着再充电的结束而结束，并导致虚假事件，其中,有时最初的spad发射数千个光子，导致许多其他spad发生击穿。这种组合的“多米诺效应”产生一些通过基于能量的验证阈值的事件，引起“噪声”事件，从而增加传感器的死区时间。这些事件中的一小部分也落在系统的能量窗口内，从而增加了pet成像系统的随机符合率。
34.本文公开的系统和方法针对该问题实施了两种解决方案：一种解决方案采用附加电路，另一种解决方案采用修改施加在再充电线上的信号。应当理解，这两种方案可以相互结合使用，也可以单独使用。第一解决方案的一些实施例包括位于单元的区域中的附加电路；所述附加电路执行再充电线和触发线的逻辑“与”(涉及一些缓冲)，并将逻辑“与”的输出应用于通常由再充电线单独激活的晶体管。更一般地，所述附加电路通过触发线对再充电线进行门控。因此，spad阳极仅在满足以下两个条件时才接地：(i)再充电线处于活动状态，并且(ii)特定spad已被触发(并且因此处于击穿状态)。另一方面，处于静默状态的spad在其(缓冲)触发线上将具有逻辑“0”，因此其阳极不被接地。
35.换言之，再充电脉冲仅被应用于已放电的spad。虽然这不改变spad击穿的概率，但它消除了流经spad击穿的大电流，从而显著降低了击穿多米诺骨牌效应的可能性。此外，电路紧凑，有利于单元的小型化，降低了行再充电线的负载，从而加快了再充电时间，降低了行再充电线驱动器的功耗。
36.图3图示了spad中的一行单元中的两个单元的电气示意图的示例，它们具有共同的行再充电，包括附加电路310，所述附加电路与已经参考图2描述的再充电晶体管220一起形成条件再充电电路220、310，其由附加电路310配置为在以下两个条件下对spad 204进行再充电：(i)再充电电路222、224将再充电信号施加到包括该单元的一行单元并且(ii)触发逻辑单元的206指示单元的spad 204处于击穿状态。如图3中可见，附加电路310通过导体224接收再充电信号312作为输入，并且还接收由触发逻辑单元206输出的触发信号314作为第二输入，所述触发信号314指示单元的spad 204是否处于击穿状态。附加电路310输出门控再充电信号316，其是由触发信号314门控的再充电信号312。
37.在说明性示例中，再充电信号312为激活高(即逻辑“1”操作为通过再充电晶体管220对spad 204进行再充电)并且触发信号也是激活高(即逻辑“1”指示spad 204处于击穿状态，逻辑“0”指示其不处于击穿状态)。对于这种情况，附加电路310用作逻辑与门，实现以下逻辑：
38.门控再充电信号(316)＝再充电信号(312)and触发信号(314)，因此在再充电信号312为逻辑“1”并且触发信号为逻辑“1”两者的情况下，门控再充电信号316仅为逻辑“1”。应
当理解，如果采用不同的激活状态，由附加电路实现的逻辑可能不同。例如，如果再充电信号为激活高但触发信号为激活低(即逻辑“0”表示spad处于击穿状态)，则附加电路适当地实现以下逻辑：门控再充电信号＝再充电信号(312)and not触发信号。
39.图4示出了附加电路310的示例实现方式。附加电路310在每个单元202中实现(如图3所示)，因此应该是紧凑的，以便保持单元的高填充因子以获得高的光子探测效率。图4的示例的基本功能如下：再充电脉冲312动态地存储节点dn上的单元的触发器314输出的状态。再充电信号312为激活高，从而在再充电期间打开将触发信号314连接到dn的p沟道场效应晶体管(p-fet)p1。其余晶体管实现节点dn上存储的状态和再充电信号312之间的逻辑与功能，即spad再充电＝再充电and dn。为了进一步说明dn的背景，spad的状态将在再充电脉冲开始时的再充电时间被存储，否则spad的再充电将在阳极达到附接的逻辑的阈值电压(～v过量/2)后不久停止。通过将状态存储在dn上，确保了spad的再充电晶体管在整个再充电过程中关闭。
40.动态存储(状态被存储在n1和p3的栅极电容上)具有面积小、速度快的优点；但是，由于泄漏，其具有有限的存储时间。pmos p1是传输门的二分之一。此处nmos被省略以节省面积，但可以通过添加由反转的再充电信号控制的nmos来轻松添加(需要额外的nmos+反转器nmos/pmos)。也可以使用其他存储元件(锁存器、触发器)，代价是占用硅面积。
41.有利地，图4的附加电路310仅包括七个晶体管，并且因此可以做得很紧凑。
42.第二种解决方案是给再充电线增加占空比。在一些实施例中，占空比被添加为再充电线224的脉冲队列的一部分。如本文中报告的实验所示(参见图5和6以及相关文本)，所述方法对于抑制击穿多米诺效应也非常有效，并且可以单独使用或与第一种解决方案的附加电路结合使用。
43.第二种解决方案起作用的物理原因是，当在短再充电脉冲期间发生击穿时，spad有机会在off状态期间恢复。可以使再充电脉冲宽度和占空比可调(例如10ns，50％)。适当地选择on状态的持续时间，基于再充电晶体管对v过量的spad电容再充电，通常几乎纳秒。关闭状态的持续时间取决于spad从结移除电荷和对带隙中的任何陷落电荷(trap)进行放电(否则会导致后脉冲)所需的时间。这部分还取决于工作温度，因为陷落电荷寿命是温度的函数。
44.为了进一步解释第二种解决方案，可以通过向再充电脉冲添加占空比来进一步抑制光电发射和多米诺效应。已证明，具有50％占空比的典型10ns长度的再充电脉冲在抑制光电发射方面非常有效，如图5和6所示，其报告了四个传感器像素的实验结果。图5示出了使用10ns长度的静态再充电脉冲和图2的电路(没有附加电路(310))获得的数据。此外，图5中所示的数据显示了在高达1000ph的宽能量范围内的噪声事件(即，单位“ph”表示光子计数，即1000ph表示检测到的噪声“事件”，时间积分能量为1000个光子)以及1500ph-2000ph能量范围内的光子峰值事件的期望信号。相比之下，图6显示了使用具有50％占空比的10ns再充电脉冲和图3的电路(具有附加电路(310))的数据。如图6所示，实际上消除了0-1000ph范围内的噪声事件。
45.对于图5和6中所示的数据，光子峰值事件由总能量为1500ph-2000ph(取决于四个传感器像素的位置)的漫射激光照射产生。spad矩阵的暗计数率是由20℃的热噪声产生的。
46.更具体地说，可以看出，在图2电路的情况下，并且在没有对再充电信号进行脉冲
化(即100％“占空比”)的情况下，普通行再充电导致低能量噪声事件(图5)，能量为几百个光子。相比之下，如图6中所示，通过附加电路(310)并使用50％的占空比，噪声事件几乎被完全消除。如图5和图6的比较所示，所公开的改进的再充电有效地消除了在再充电阶段期间的相关spad击穿的可能性。
47.图7示意性地图示了根据本文描述的系统和方法的实施例的流程图。在步骤710，将占空比应用于指示对spad进行再充电的再充电信号。在步骤720，利用被连接到spad的触发逻辑单元，输出指示spad处于击穿状态的触发信号。在步骤730，利用条件再充电电路来接收触发信号。在步骤740，利用条件再充电电路接收指示对spad进行再充电的再充电信号。在步骤750，利用条件再充电电路，响应于接收到触发信号并接收到指示对spad进行再充电的再充电信号，对spad进行再充电。
48.除了pet，所公开的技术还有许多其他应用，尤其是在高温下使用时(由于更高温度下增加的spad击穿)。更一般地，考虑需要检测具有高时间分辨率时间戳的光脉冲的其他应用。其他应用包括，例如，pet/ct、pet/mr、spect、高能物理、激光雷达和荧光寿命成像显微镜。特别感兴趣的是lidar系统，它基于激光束发射和反射检测之间的飞行时间来执行光学测距。lidar在包括汽车在内的多个行业中都有应用，例如，它被用作激活紧急制动的触发设备。
49.将进一步理解，本文公开的技术可以通过存储指令的非瞬态存储介质来体现，所述指令可由电子数据处理设备读取和执行以执行所公开的技术。这种非瞬态存储介质可以包括硬盘驱动器或其他磁存储介质、光盘或其他光学存储介质、基于云的存储介质例如raid磁盘阵列、闪存或其他非易失性电子存储介质，等等。
50.己经参考优选实施例描述了本发明。本领域技术人员通过阅读和理解前述的详细描述，可以进行各种修改和变型。旨在将本公开理解为包括所有这样的修改和变更，只要它们落在所附权利要求或其等价方案的范围之内。