在硅光电倍增管表面制作自成形自对准微透镜阵列的方法

本发明属于半导体芯片，具体涉及在硅光电倍增管表面制作自成形自对准微透镜阵列的方法。

背景技术：

1、硅光电倍增管(silicon photomultiplier，sipm)作为一种高灵敏度、高增益、低功耗的光探测器件，常用于光子计数、时间测量和能量测量等应用。它是由一系列微小的工作在盖革模式的雪崩光电二极管(geiger-mode avalanche photodiode，g-apd)单元组成，当光子入射到某个g-apd单元上时，产生的光生电子空穴对通过内部的雪崩效应放大，从而得到一个电脉冲输出。多个g-apd单元输出的电脉冲可以直接相加，从而实现光子数的分辨。但由于相邻g-apd单元之间存在必要的间隔，入射到间隔区域的光子无法触发盖革雪崩过程，因此间隔区域对光子是不敏感的。间隔区域通常被称为死区(dead region)，死区的存在是限制sipm光子探测效率(pde)提高的重要因素之一。因此，提高sipm的pde的重要途径之一就是将原本要照射到死区的光子汇聚到光敏区。目前将照射到死区的光子汇聚到g-apd单元光敏区的方法主要分为以下3类：第1类方法是光纤耦合法(papa,angela,et al."scintillating fibres coupled to silicon photomultiplier prototypes for fastbeam monitoring and thin timing detectors."824(2016):128-130.)。该方法将含有很多根光纤的光纤束与sipm内的g-apd光敏区对准耦合，从而避免光子照射到死区。但是光纤束与sipm内的g-apd单元需要进行精细的对准操作，步骤较为繁琐，不适合大规模生产和应用。第2类方法是独立制备的光学透镜阵列汇聚法(gramuglia,francesco,et al."towards10ps sptr and ultra-low dcr in sipms through the combination of microlensesand photonic crystals."ieee,2017.)。该方法利用超构材料或光子晶体制作的微透镜阵列将入射光子汇聚到g-apd的光敏区。但是制作超构透镜需要复杂的工艺和设备，制造成本较高，还需要精确的位置和角度控制，同时微透镜阵列对准步骤繁琐，难以适应批量化生产。第3类方法是光阱法(ward,john e.,juan cortina,and daniel guberman."light-trap:a sipm upgrade for vhe astronomy and beyond."11.11(2016):c11007.)。该方法利用微小反射镜阵列将照射到sipm死区的光子反射到g-apd的光敏区。这种方法也需要进行精细的对准操作，同时反射镜的成本比较高。由此可见，现有的将光子汇聚到sipm芯片内g-apd单元的光敏区的方法普遍存在制作成本高，制作难度大，耦合对准步骤繁琐，难以适应批量化生产的问题。因此，如何在sipm表面制作工艺简单、成本低廉的微透镜阵列，对于大幅提高sipm芯片的光子探测效率、提升sipm芯片的整体性能具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供在硅光电倍增管表面制作自成形自对准微透镜阵列的方法，解决了现有的将光子汇聚到sipm芯片内g-apd单元光敏区的方法耦合对准步骤繁琐的问题。

2、本发明所采用的技术方案是：在硅光电倍增管表面制作自成形自对准微透镜阵列的方法，包括以下步骤：

3、步骤1、在硅光电倍增管本体表面沉积金属薄膜层；

4、步骤2、通过光刻对准工艺形成要对金属薄膜层开窗口的光刻胶图形，窗口与硅光电倍增管本体的g-apd单元光敏区一一对应且中心对齐；

5、步骤3、通过刻蚀工艺对金属薄膜层刻蚀形成网孔结构；

6、步骤4、在网孔结构上涂抹一层对透明绝缘封装介质不浸润的涂层；

7、步骤5、向网孔结构上表面滴入液态透明绝缘封装介质，使得每个网孔结构内液态透明绝缘封装介质的下表面向下形成凸面；

8、步骤6、固化得到位于硅光电倍增管表面的微透镜阵列。

9、本发明的特点还在于，

10、硅光电倍增管本体由若干g-apd单元阵列而成，g-apd单元的光敏区为圆形。

11、形成网孔结构的金属薄膜层连接到硅光电倍增管本体高浓度离子掺杂层的上表面，金属薄膜层位于所有g-apd单元外的一圈向上凸起形成有台阶结构。

12、涂层的组成材料为二氧化硅粉末和无水乙醇的悬浊液。

13、透明绝缘封装介质为硅树脂或环氧树脂。

14、固化方式为在紫外灯下固化或放置在自然环境下凝固。

15、本发明的有益效果是：本发明的在硅光电倍增管表面制作自成形自对准微透镜阵列的方法，形成的微透镜阵列与sipm内部的g-apd单元能够自对准，无需对准调节操作，解决了外加微透镜阵列与sipm耦合对准工艺繁琐的问题，可以大幅提升sipm的有效填充因子，进而提高sipm的光子探测效率，且能够大幅度降低微透镜阵列的制造成本，从而方便地实现批量化生产。本发明还可推广至其他阵列化探测器，在其表面制作微透镜阵列，具有一定的普适性。

技术特征：

1.在硅光电倍增管表面制作自成形自对准微透镜阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的在硅光电倍增管表面制作自成形自对准微透镜阵列的方法，其特征在于，所述硅光电倍增管本体由若干g-apd单元阵列而成，g-apd单元的光敏区为圆形。

3.如权利要求1所述的在硅光电倍增管表面制作自成形自对准微透镜阵列的方法，其特征在于，所述形成网孔结构的金属薄膜层连接到硅光电倍增管本体高浓度离子掺杂层的上表面，金属薄膜层位于所有g-apd单元外的一圈向上凸起形成有台阶结构。

4.如权利要求1所述的在硅光电倍增管表面制作自成形自对准微透镜阵列的方法，其特征在于，所述涂层的组成材料为二氧化硅粉末和无水乙醇的悬浊液。

5.如权利要求1所述的在硅光电倍增管表面制作自成形自对准微透镜阵列的方法，其特征在于，所述透明绝缘封装介质为硅树脂或环氧树脂。

6.如权利要求1所述的在硅光电倍增管表面制作自成形自对准微透镜阵列的方法，其特征在于，所述固化方式为在紫外灯下固化或放置在自然环境下凝固。

技术总结本发明公开的在硅光电倍增管表面制作自成形自对准微透镜阵列的方法，包括：在硅光电倍增管本体表面沉积金属薄膜层；通过光刻对准工艺形成要对金属薄膜层开窗口的光刻胶图形，窗口与硅光电倍增管本体的G‑APD单元光敏区一一对应且中心对齐；通过刻蚀工艺对金属薄膜层刻蚀形成网孔结构；在网孔结构上涂抹一层对透明绝缘封装介质不浸润的涂层；向网孔结构上表面滴入液态透明绝缘封装介质，使得每个网孔结构内液态透明绝缘封装介质的下表面向下形成凸面；固化得到位于硅光电倍增管表面的微透镜阵列。本发明解决了现有的将光子汇聚到SiPM芯片内G‑APD单元光敏区的方法成本高、耦合对准步骤繁琐的问题。技术研发人员：张国青,张向通,王磊,李子健,王悦,李连碧,刘丽娜受保护的技术使用者：西安工程大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11