Electron Bombarded Semiconductor Image Sensors 电子轰击半导体图像传感器
作者：Verle Aebi and Kenneth Costello，2011
摘要：低噪声电子轰击半导体增益过程使新型单光子敏感、基于光电阴极的图像传感器成为可能。这些成像仪形成了两大类设备：用于高时间带宽光子计数应用的低像素计数成像仪和用于单光子敏感凝视应用的高像素计数成像仪。第一类设备已经展示了成像光子计数成像仪在1GHz量级的带宽下工作，并能够区分多个光子事件。在第二类设备中，百万像素格式的单光子灵敏度是通过集成现代CMOS图像传感器和电子轰击配置中的光电阴极获得的。本章对这两类器件进行了概述，并表明它们接近理想探测器所要求的特性，具有100%的量子效率，无限的增益和带宽，没有多余的增益噪声。
正如本卷第5章和其中的参考文献中详细描述的那样，利用真空中的电子倍增技术实现单光子探测已经有许多年的可能。在这种单光子探测方法中，光电阴极被用来产生光电子，这些光电子发射到真空后，被施加的电压加速到高能量，并撞击提供相对低噪声放大的电子倍增器。这种低噪声放大将单光子输出信号增加到一个足够高于系统电子噪声地板的水平，以允许检测单光子。过去广泛使用的电子倍增管是光电倍增管中的电极节链或像增强管中的微通道板。
最近，光子探测器已经开发出来，电子倍增是由光电阴极发射的光电子直接轰击半导体阳极而产生的。当光电子被加速到高能量在半导体中耗散时，光电阴极和阳极之间施加的电压和增益通过电子-空穴对的产生来获得能量。电子轰击半导体(EBS)增益过程比用dynode链或微通道板获得的额外噪声系数更低[3,4]。与以前的电子乘法器相比，EBS增益过程也非常线性，能够实现非常高的动态范围。
利用EBS增益过程实现了两大类单光子数或低光子数图像传感器。第一类的成员被称为混合光电倍增管或光电探测器(HPDs)或增强光电二极管(IPDs)。这些设备以并行方式读出所有像素，并维持光子到达信息的光子时间以及光子的空间位置。第二类EBS图像传感器由电子轰击CCD (EBCCD)或电子轰击CMOS (EBCMOS)图像传感器组成。这类图像传感器不保留光子到达的时间，但只输出在每帧每像素的基础上的集成信号。
电子轰击半导体增益过程：
当高能电子撞击半导体时，电子能量被一系列的散射碰撞耗散，从而产生EBS增益。在这个过程中产生了电子-空穴对。产生的电子在半导体中遵循随机路径，一些电子向后散射出半导体。电子可以从半导体靶产生弹性和非弹性的反向散射。后向散射系数随目标平均原子数的增加而增大，随着陆能量[9]的增加而减小。约30%的2kev电子从硅靶背散射出来，约85%的总电子能量沉积在靶中[10,11]。
EBS增益过程的特征是半导体靶电子轰击后产生电子-空穴对所需的平均能量。硅的典型值为3.64 eV，砷化镓的典型值为4.4 eV[6,12]。产生的电子然后由IPD或EBCMOS器件的反向偏置二极管或CCD器件的势阱中收集。所产生的电子通过与基体或背面的空穴复合而失去。背面表面的有效钝化对于背面薄CMOS或CCD图像传感器实现高增益和低着陆能量至关重要。
Aebi等人的论文给出了背面轰击ccd的典型EBS增益与电子着陆能量曲线，Suyama等人的论文也给出了HPD成像阵列的类似结果[13,14]。Suyama报道了在2kev电子着陆能量下EBS增益为180，在9kev电子着陆能量下EBS增益为2100。最近，Nikzad通过在背面变薄的CCD器件[15]上沉积掺杂δ的硼钝化层，在600 V的电子着陆电压下获得了高达50的EBS增益。
EBS增益过程噪声非常低，因为增益机制本质上是确定的，并且EBS过程产生的次级电子和空穴没有额外的载流子乘法发生。该过程的噪声统计特征为Fano因子F[16]。噪声波动被发现小于由泊松统计控制的增益过程的预期值。具有平均单光电子增益的EBS增益过程的方差为：
对于硅，范诺（Fano）系数约为0.115，对于GaAs 0.10，两者都大大小于纯泊松过程[17]的值1。
EBCCD和EBCMOS EBS图像传感器：
在CCD发明后不久，电子轰击硅成像仪演示的最初方法之一是基于CCD和EBCCD图像传感器的使用[24,25]。图4.5所示为这种类型传感器的接近聚焦电子光学设计示意图。在这些设备中，CCD背面被变薄，以使从光电阴极发射的光电子能够直接对背面照射的CCD进行电子轰击。由于在合理轰击能量下的光电子距离较短且不会穿透典型的多晶硅门，因此需要背照结构CCD[11]正面结构。EBS增益过程的结果是一个低的超额噪声因子类似于观察到的HPD或IPD，并使光电阴极引用的噪声地板小于一个光电子。产生的电子被收集在CCD势阱中，用于随后的读出。相对于其他低光水平成像技术，如emccd或图像增强相机，emccd配置在低光水平成像应用上的显著优势已经得到证明[11,13,15,26 - 28]。
最近，CMOS图像传感器在各种图像传感器的应用中得到了广泛的接受。CMOS图像传感器与CCD图像传感器相比具有优势，因为它与主流CMOS半导体制造技术兼容，而且不像CCD那样需要专用的半导体生产线。相对于CCD图像传感器，CMOS图像传感器还能够集成更高级别的onchip功能。集成在CMOS图像传感器上的典型功能包括数字序列器，可读出感兴趣的任意区域，片上模数转换器，噪声抵消电路，以及增加动态范围[29]的电路。这些新功能已经与EBCMOS图像传感器的低噪声EBS增益过程相结合[30,31]。
EBCMOS传感器的最终性能将在很大程度上取决于CMOS成像仪的结构和设计。首先，CMOS成像区域必须有100%的填充因子(没有死区)。活性区域的任何还原都会导致光电子的丢失。这相当于降低了光电阴极的量子效率或灵敏度。在最低光水平，低光水平相机性能是由光子统计决定的。对于成像仪来说，为了获得足够的微光分辨率和性能，必须检测出最大光子数。其次，CMOS成像架构必须最大限度地集成接近100%占空比的图像光子。当与高填充系数相结合时，这一要求使采集到的信号达到最佳的低光级性能。
References
1. R.W. Engstrom, Photomultiplier Handbook (RCA Corporation, New Y ork, 1980)
2. E.J. Bender, Present Image-Intensifier Tube Structures, Electro-Optical Imaging: System Performance and Modelling (SPIE Press, Bellingham, Washington, 2000), pp. 5-1–5-96
3. H. Melchior, M.B. Fisher, F.R. Arams, Photodetectors for optical communication systems, Proc. IEEE 58(10), 1466–1486 (1970)
4. R.L. Bell, Noise figure of the MCP image intensifier tube, IEEE Trans. Electron Devices 22, 821–829 (1975)
5. A.H. Sommer, Photoemissive Materials: Preparation, Properties, and Uses (Robert E. Krieger Publishing Company, Huntington, New Y ork, 1980)
6. R.L. Bell, Negative Electron Affinity Devices (Clarendon, Oxford, 1973)
7. J.P . Edgecumbe, V .W. Aebi, G.A. Davis, A GaAsP photocathode with 40% QE at 550 nm, Electron Tubes Image Intensifiers (SPIE, San Jose, CA, 1992), vol. 1655, pp. 204–211
8. K.A. Costello, V.W. Aebi, G.A. Davis, R.A. LaRue, R.E. Weiss, Transferred electron photocathode with greater than 20% quantum efficiency beyond 1 micron, Photodetectors and Power Meters II SPIE 2550, 177–188 (1995)
9. K.F.J. Heinrich, Electron Beam X-Ray Microanalysis (V on Nostrand Reinhold, New Y ork, 1981)
10. E.H. Darlington, V .E. Coslett, Backscattering of 0.5–10 keV electrons from solid targets, J. Phys. D Appl. Phys. 5, 1969–1980 (1972)
11. M.K. Ravel, A.L. Reinheimer, Backside-thinned CCDs for keV electron detection, Charge-Coupled Devices Solid State Opt. Sensors II SPIE 1447, 109–122 (1991)
12. J.R. Fiebiger, R.S. Muller, Pair-production energies in silicon and germanium bombarded with low energy electrons, J. Appl. Phys. 43, 3202–3207 (1972)
13. V .W. Aebi, K.A. Costello, J.P . Edgecumbe, J.J. Boyle, W.L. Robbins, R. Bell, D. Burt, A. Harris, I. Palmer, P . Pool, Gallium arsenide electron bombarded CCD technology, Image Intensifiers and Applications; and Characteristics and Consequences of Space Debris and Near-Earth Objects SPIE 3434, 37–44 (1998)
14. M. Suyama, A. Fukasawa, J. Haba, T. Iijima, S. Iwata, M. Sakuda, T. Sumiyoshi, F. Takasaki, M. Tanaka, T. Tsuboyama, Y . Yamada, Development of a multi-pixelhyprid photodetector with high quantum efficiency and gain, IEEE Trans. Nucl. Sci. 51(3), 1056–1059 (2004)
15. S. Nikzad, Q. Y u, A.L. Smith, T.J. Jones, T.A. Tombrello, S.T. Elliot, Direct detection and imaging of low-energy electrons with delta-doped charge-coupled devices, Appl. Phys. Lett. 73(23), 3417–3419 (1998)
16. U. Fano, Ionization yield of radiations. II. The fluctuations of the number of ions, Phys. Rev. 72, 26–29 (1947)
17. R. Alig, S. Bloom, C. Struck, Scattering by ionization and phonon emission in semiconductors, Phys. Rev. B 22, 5565–5582 (1980)
18. R. Kalibjian, A phototube using a diode as a multiplier element, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-12, 367–369 (1965)
19. P . Cushman, R. Russack, A photomultiplier tube incorporating an avalanche photodiode, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 333, 381–390 (1993)
20. R.A. LaRue, K.A. Costello, G.A. Davis, J.P . Edgecumbe, V .W. Aebi, Photon counting III–V hybrid photomultipliers using transmission mode photocathodes, IEEE Trans. Electron Devices 44, 672–678 (1997)
21. R.A. LaRue, J.P . Edgecumbe, G.A. Davis, S. Gospe, V . Aebi, High quantum efficiency photomultiplier with fast time response, Int. Symp. Optics, Imaging and Instrumentation, Photocathodes and Power Meters SPIE 2022, 64–73 (1993)
22. W.H. Farr, J. Gin, D. Nguyen, GigaHertz bandwidth photon counting, SPIE 7320 (2009)
23. E.A. Beaver, C.E. McIlwain, A digital multichannel photometer, Rev. Sci. Instrum. 42, 1321–1324 (1971)
24. S.R. Shortes, W.W. Chan, W.C. Rhines, J.B. Barton, D.R. Collins, Development of a thinned, backside-illuminated charge-coupled device imager, IEDM Tech. Dig. 415 (1973)
25. G.A. Antcliffe, C.G. Roberts, J.B. Barton, K.K. Pharr, D.W. Mueller, D.R. Collins, Operation of CCD’s with stationary and moving electron-beam input, IEEE Trans. Electron Devices 22, 857–861 (1975)
26. G.M. Williams, A.L. Reinheimer, V .W. Aebi, K.A. Costello, Electron-bombarded back-illuminated CCD sensors for low light level imaging applications, SPIE 2415, 211–235 (1995)
27. M. Suyama, A. Kageyama, I. Mizuno, K. Kinoshita, M. Muramatsu, K. Yamamoto, An electron bombardment CCD tube, SPIE 3173, 422–429 (1997)
28. C.B. Johnson, Review of electron bombarded CCD cameras, SPIE 3434, 45–53 (1998)
29. E.R. Fossum, CMOS image sensors: electronic camera-on-a-chip, IEEE Trans. Electron Devices 44, 1689–1698 (1997)
30. V .W. Aebi, J.J. Boyle, Electron bombarded active pixel sensor, US Patent No. 6,285,018 B1 (2001)
31. V .W. Aebi, K.A. Costello, P .W. Arcuni, P . Genis, S.J. Gustafson, EBAPSR ?: next generation, low power, digital night vision, Presented at the OPTRO 2005 International Symposium, Paris, France, 10 May 2005 (European Space Agency ISSN 1022–6656, 2005)