大動態范圍外延電阻淬滅型硅光電倍增器

劉紅敏，龍金燕，代 雷，張鑫淦，梁 琨，2*，楊 茹，韓德俊

(1.北京師范大學 核科學與技術學院 新器件實驗室，北京 100875；2.集成光電子學國家重點實驗室，北京 100083)

1 引 言

硅光電倍增器(Silicon Photomultiplier，SiPM)具有優異的單光子分辨能力和時間分辨能力，其工作電壓低、動態范圍大、光探測效率(Photon Detection Efficiency，PDE)高，可以有效探測極弱光。另外，SiPM還具有體積小、結構緊湊、易于集成、對磁場不敏感等優點，不僅可以替代光電倍增管應用在高能物理、天體物理、核醫學成像以及熒光測量等弱光探測領域，也可用于水下三維測深[1]。國際上SiPM產品器件結構一般采用多晶硅或金屬條在器件表面作為淬滅電阻，如FBK研制的RGB-UHD-SiPM和NUV-HD-SiPM[2-3]、濱松報道的S13361-3050AS-08[4]以及SensL發布的C系列SiPM[5]等，這樣的器件死區面積較大，尤其對于高密度SiPM，其高探測效率與大動態范圍不可兼容。

為了緩解高探測效率與大動態范圍不兼容的矛盾，北京師范大學新器件實驗室(Novel Device Laboratory，NDL)利用外延電阻淬滅技術，將襯底外延層作為SiPM的淬滅電阻研制出外延電阻淬滅型硅光電倍增器(Silicon Photomultiplier with Epitaxial Quenching Resistor，EQR SiPM)，有效減小了SiPM的死區面積，在保持較大動態范圍的同時可以維持較高的PDE。近年來，NDL已成功研制并生產出有效面積為1 mm×1 mm和3 mm×3 mm，微單元尺寸分別是10 μm和12.5 μm的P-on-N型EQR SiPM和7 μm的N-on-P型EQR SiPM，它們均表現出優異的特性[6-8]。

在醫療PET成像、天體物理以及高能物理等領域的應用中，SiPM的PDE要求盡可能高。高能物理實驗中使用的SiPM陣列一般采用ASIC讀出大批量輸出信號，許多商用ASIC不能讀取增益低的SiPM輸出信號[9]，因而在保持NDL EQR SiPM大動態范圍優勢的同時適當增大微單元尺寸可進一步提高其探測效率及增益，有利于拓展EQR SiPM的應用范圍。強子量能器對大動態范圍的要求更高[10]。本文詳細介紹了NDL最新研制的EQR SiPM，該器件的光敏區面積為1 mm×1 mm，APD微單元尺寸分別是15 μm和7 μm。它同時具有較大動態范圍和較高探測效率，在高能物理和強子量能器等應用中具有明顯的優勢。

2 器件結構與實驗裝置

EQR SiPM的典型結構如圖1所示。在N型外延硅片上通過離子注入形成N-enrich區，它與表層的P++層形成P-N結結構，再串聯外延層淬滅電阻可構成APD微單元。微單元尺寸影響器件填充因子，因此SiPM的探測效率與微單元尺寸密切相關；同時，APD微單元大小決定微單元密度，從而影響器件的動態范圍。Gap區的摻雜濃度低于N-enrich區，其P-N結耗盡區形成電學隔離，因而降低了相鄰微單元之間光學串擾的概率。器件表面連續的P++層作為APD微單元的陽極，直接從每個APD微單元收集雪崩信號，而外延層的高電阻可以作為淬滅雪崩過程、恢復微單元初始狀態的淬滅電阻。

圖1 EQR SiPM的結構示意圖Fig.1 Schematic structure of EQR SiPM

SiPM管芯通過銀漿貼片、壓焊金絲等手段封裝在TO管殼的中間位置，其實物照片如圖2所示。

圖2 EQR SiPM的實物圖Fig.2 Picture of EQR SiPM

圖3是表征SiPM各項參數的基本實驗裝置。除溫度系數以外，其他參數表征的實驗環境溫度均為20 ℃。

圖3 EQR SiPM特性表征的實驗裝置Fig.3 Experimental setup for EQR SiPM characterization

Keithley SMU為SiPM提供反向工作電壓，同時作為電流表測量反向電流，最終得到SiPM的電流-電壓關系(I-V曲線)。無光照環境中，SiPM的輸出信號經過NDL-AMP-40-1型號100倍放大器放大后被泰克示波器接收，并由Labview程序控制電腦采集示波器顯示的輸出信號，從而得到暗計數率(Dark Count Rate，DCR)和光學串話隨過偏壓的關系。對于關聯噪聲以及微單元的恢復時間則是通過數字示波器(LeCroy WaveRunner 640Zi)采集1 ms時間序列上的信號，根據關聯噪聲與初始暗計數產生機制的不同導致其時間分布上的差異，利用Matlab程序進行噪聲分析得到的[11-12]。另外，重頻為1 MHz、脈寬為100 ps的超連續譜光源經532 nm濾波片入射在EQR SiPM的表面，并輸出同步觸發信號，利用力科示波器對SiPM響應輸出信號進行統計分析，從而得到輸出信號的面積分布譜，可以表征SiPM的單光子分辨能力，進一步計算得到SiPM的增益。利用光子計數法測量PDE，是將氙燈光源輸出的光束經過單色儀通入到積分球中，經過積分球輸出兩路強度和光斑大小相同的單色光，分別入射到用于定標的PIN和EQR SiPM表面，并根據器件的光響應計算其探測效率。

3 特性表征

該部分實驗主要表征了EQR SiPM的暗特性(如I-V曲線、DCR、光學串話、關聯噪聲和恢復時間)以及光特性(如單光子分辨譜、增益和探測效率)。

3.1 EQR SiPM暗特性表征

在沒有光照及放射性物質照射的條件下，15 μm 及7 μm微單元EQR SiPM的反向電流隨反向電壓的變化曲線(I-V特性)如圖4所示。通過對I-V曲線求導確定擊穿電壓[13]，得到室溫下這兩種SiPM的擊穿電壓都是19.5 V。此外，15 μm微單元SiPM的最大過偏壓(最大可工作電壓與擊穿電壓的差值)約為8 V，7 μm微單元SiPM的最大過偏壓約為2.5 V。

圖4(b)示意了15 μm微單元EQR SiPM在-30～30 ℃的擊穿電壓變化，圓點表示實際測量的擊穿電壓，直線表示對不同溫度下擊穿電壓的線性擬合。結果表明，該器件擊穿電壓的溫度系數約為17.1 mV/℃。較低的溫度依賴性對于EQR SiPM的實際應用具有重要意義。

(a)EQR SiPMs的I-V曲線 (a)I-V curves of EQR SiPMs

(b)15 μm器件擊穿電壓隨溫度的變化 (b)Breakdown voltage depending on ambient temperature for 15 μm SiPM圖4 EQR SiPM的I-V曲線以及擊穿電壓Fig.4 I-V curves and breakdown voltage of EQR SiPM

SiPM的DCR和光學串話率是衡量其特性優劣的重要參數。圖5表示兩種EQR SiPM的DCR和光學串話率隨過偏壓變化的曲線，7 μm器件的光學串話率過高，導致它在相同過偏壓下的DCR比15 μm更高。

(a)暗計數率 (a)DCR

(b)光學串話率 (b)Crosstalk ratio圖5 EQR SiPM的暗計數率和光學串話率隨過偏壓的變化曲線Fig.5 DCR and crosstalk ratio of EQR SiPM as a function of overvoltage

關聯噪聲與初始暗計數產生機制的不同導致它們在時間分布上存在差異。圖6中通過噪聲分析法區分暗脈沖結果，并擬合得到5 V過偏壓時，微單元尺寸為15 μm的SiPM器件的單元恢復時間約為3.7 ns。

圖6 在5 V過偏壓下15 μm EQR SiPM的暗脈沖散點(曲線是擬合所得的恢復時間曲線)

Fig.6 Scatter plot for the dark pulse amplitude of EQR SiPM with microcell size of 15 μm versus its time interval， and the curve is fitting recovery result for single microcell at 5 V overvoltage

3.2 EQR SiPM的光響應特性

3.2.1 單光子分辨譜及增益

光照射到SiPM表面，將會激發APD微單元發生雪崩倍增。由于微單元形狀和制備條件一致，因此每個微單元激活一次產生的信號應該完全相同，而SiPM輸出信號是所有響應單元信號的總和，所以其幅值和面積呈現出整數倍的關系，并且這些響應事件遵循泊松統計分布。

15 μm微單元EQR SiPM進行光響應測量，對器件大量輸出脈沖的面積統計，結果如圖7所示。圖中分立的峰代表著相應的光子數，左邊第一個峰對應于基線(即0 p.e.)，第二個峰對應1個光電子(即1 p.e.)，SiPM 輸出信號面積分布譜的峰谷比越好，表示其信噪比越高，可清晰區分的譜峰數目越多表示光子分辨能力越強。由圖可知，器件在5 V過偏壓下至少可分辨13個光電子，具有良好的單光子分辨能力。

圖7 15 μm EQR SiPM工作在5 V過偏壓下的面積分布譜

Fig.7 Pulse area distribution spectrum for EQR SiPM with microcell size of 15 μm

SiPM的增益被定義為微單元發生一次雪崩倍增所釋放的載流子數目，根據輸出信號面積分布譜的相鄰譜峰之間的間距與單元增益成正比的規律，可計算SiPM的單元增益。通過重復采集不同過偏壓下的面積分布譜，得到圖8所示的增益隨過偏壓的線性變化關系，微單元尺寸為15 μm 的1 mm×1 mm EQR SiPM在5 V過偏壓下的增益為5.1×105，7 μm的1 mm×1 mm EQR SiPM在2 V過偏壓下的增益為1.1×105。

圖8 EQR SiPM增益隨過偏壓的變化Fig.8 Variation of gain with overvoltage of EQR SiPM

3.2.2 光子探測效率

PDE是衡量SiPM特性的主要參數之一，它是指一定時間內探測器探測到的光子數和入射的光子數之間的百分比。圖9是利用光子計數法測量有效面積為1 mm×1 mm，然后利用泊松分布法扣除關聯噪聲影響，修正后兩種微單元尺寸EQR SiPM的PDE隨入射光波長的變化。峰值波長400 nm處，15 μm器件在5 V過偏壓時的PDE為40%，7 μm器件在2 V過偏壓時的PDE為34%。

圖9 微單元尺寸為15 μm和7 μm 的1 mm×1 mm EQR SiPM的光探測效率與入射波長的關系

Fig.9 Photon detection efficient (PDE) versus wavelength of 1 mm×1 mm EQR SiPM with cell size of 15 μm and 7 μm

4 結果討論

4.1 不同微單元NDL EQR SiPM特性對比

PDE由量子效率、蓋革觸發效率和填充因子共同決定，其計算公式為PDE=η0×ε×Ptrigger。當制備工藝、摻雜濃度及其它結構保持一致，器件的量子效率和蓋革觸發效率基本相同，PDE差別來源于填充因子。增大微單元的尺寸可以提高SiPM的填充因子，因而可以提高PDE。

表1中對比了具有7，10，12.5和15 μm 4種不同微單元尺寸，有效面積為1 mm×1 mm EQR SiPM器件的特性。結果表明，增大微單元尺寸可以明顯提高增益，而且隨著填充因子增大，探測效率也增加。較小微單元尺寸器件則具有較高的微單元密度，因此在探測光子時的動態范圍特性更有優勢。

表1 不同微單元尺寸1 mm×1 mm EQR SiPM的特性

4.2 NDL EQR SiPM與MPPC特性對比

表2中示意了NDL研制的EQR SiPM與日本濱松公司MPPC的部分特性參數，器件的微單元尺寸為15 μm，有效面積為1 mm×1 mm。結果顯示，EQR SiPM的工作電壓比MPPC低，最大過偏壓比MPPC高，而且擊穿電壓的溫度依賴性明顯更好，11-1010C-T的擊穿電壓溫度系數僅為17.1 mV/℃，S12571-015P的擊穿電壓溫度系數是65 mV/℃。因為EQR SiPM采用外延硅作為淬滅電阻，減小了死區面積，因而有利于提高光子探測效率。在NDL 11-1010C-T 的峰值波長400 nm處以及濱松S12571-015P的峰值波長460 nm處，NDL EQR SiPM都具有更高的光子探測效率。

表2 NDL和濱松的SiPM 的特性參數對比

5 結 論

NDL最新研制出有源區面積為1 mm×1 mm、微單元尺寸分別為15 μm和7 μm的大動態范圍外延電阻淬滅型硅光電倍增器，器件具有良好的單光子分辨能力，可分辨光子數大于13。與以往微單元尺寸為10 μm和12.5 μm的EQR SiPM相比，15 μm器件增大了微單元尺寸，雖然動態范圍稍降，但是光子探測效率和增益明顯提高；7 μm器件在減小微單元尺寸和增大動態范圍的同時還能保持高探測效率。該EQR SiPM預計可以滿足高能物理實驗等領域對高探測效率和高增益的應用需求，拓展了SiPM的使用范圍。