外延淬灭电阻技术突破：高性能硅光电倍增管量产实现新纪元

《The Innovation》：A significant breakthrough achieved in the production of high-performance SiPMs with epitaxial quenching resistors

为解决传统多晶硅淬灭电阻导致的填充因子和光子探测效率(PDE)受限问题，研究人员开展了基于外延淬灭电阻(EQR)的硅光电倍增管(SiPM)制备技术研究。通过将淬灭电阻集成至硅衬底内部，成功实现90%以上良品率的量产线建设。该突破显著提升了SiPM的微单元密度(达2,500/mm2)和动态范围，为TOF-PET(飞行时间正电子发射断层成像)等核医学影像设备提供核心器件支持。

　　

在粒子探测与医学影像领域，硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)正以其高灵敏度、抗磁场干扰和紧凑结构等优势，逐步取代传统光电倍增管(PMT)。然而，基于多晶硅淬灭电阻的传统SiPM面临固有瓶颈：表面电阻结构和金属连线会占用有效感光面积，导致几何填充因子和光子探测效率(Photon Detection Efficiency, PDE)难以进一步提升。特别是在高像素密度应用中，这种限制尤为突出。

针对这一挑战，马克斯·普朗克学会半导体实验室的研究人员最早提出将淬灭电阻直接集成到器件硅体内部的新方案。在此基础之上，来自北京师范大学新器件实验室的CGN资本光子技术(天津)公司团队实现了技术突破，开发出具有外延淬灭电阻(Epitaxial Quenching Resistor, EQR)的新型SiPM。如图1所示，该技术利用外延层本征电阻特性构建埋入式淬灭电阻，与雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode, APD)微单元相连，从根本上改变了电阻集成方式。

研究人员通过优化外延生长工艺和器件结构设计，建立了EQR SiPM封装生产线。该生产线实现了超过90%的产品良率，标志着我国在半导体光电器件领域取得重要进展。与多晶硅电阻SiPM相比，EQR技术同时实现了四大优势：首先，去除表面多晶硅层使有效感光面积显著增加，填充因子提升至40%以上，直接提高了PDE；其次，简化了制造流程，省去了多晶硅沉积、金属化和光学沟槽等步骤，降低了生产成本；第三，在相同像素尺寸下可实现更高微单元密度(最高2,500/mm²)，扩展了线性动态范围；最后，通过重掺杂表面层互联微单元，为实现位置敏感型SiPM提供了可能。

关键技术方法包括：利用外延层电阻特性构建集成淬灭电阻结构，优化微单元布局设计提升填充因子，开发高精度封装工艺确保器件一致性。生产线采用标准化质量控制流程，保障产品性能稳定性。

研究结果

更高填充因子和PDE

通过消除表面多晶硅电阻连接，EQR SiPM有效感光面积显著改善。实验数据显示，在相同像素尺寸下，EQR结构比多晶硅结构填充因子提高超过40%，直接提升了光子捕获能力，为高能物理实验中要求极高PDE的量热器应用提供了解决方案。

简化制造流程和成本控制

EQR技术省去了多晶硅沉积、光刻和蚀刻等复杂工序，减少了掩模版使用数量和工艺步骤。生产线数据表明，制程简化使整体生产成本降低约25%，同时提高了产品一致性和良率。

更高像素密度和动态范围

得益于埋入式电阻设计，EQR SiPM在保持高PDE的同时可实现更小像素尺寸。微单元密度达到2,500/mm²，使单光子计数上限显著提高，线性动态范围扩展至传统SiPM的3倍以上，满足核医学成像中对宽动态信号检测的需求。

位置敏感探测能力

通过连续重掺杂表面层互联微单元，EQR SiPM可实现入射光子位置分辨。这种结构为开发新型成像探测器奠定了基础，尤其在PET(正电子发射断层成像)系统中可同时提供时间信息和空间信息。

研究结论表明，EQR SiPM技术通过创新性的电阻集成方式，解决了多晶硅SiPM在性能提升上面临的多重限制。其短脉冲宽度和快速上升沿特性特别适合TOF-PET(飞行时间正电子发射断层成像)应用，可显著提升图像信噪比，减少辐射剂量，缩短扫描时间。随着外延技术的持续进步，EQR SiPM有望成为下一代高性能SiPM的主流技术，特别是在环形正负电子对撞机等大型科学装置中具有重要应用前景。中国政府近期发布的《医用同位素中长期发展规划(2021-2035)》也为国产SiPM在核医学仪器领域的发展提供了政策支持，预示着该技术将在健康医疗和科学探测领域发挥更大价值。