大动态范围外延电阻淬灭型硅光电倍增器

刘红敏，龙金燕，代 雷，张鑫淦，梁 琨，2*，杨 茹，韩德俊

(1.北京师范大学 核科学与技术学院 新器件实验室，北京 100875；2.集成光电子学国家重点实验室，北京 100083)

1 引 言

硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier，SiPM)具有优异的单光子分辨能力和时间分辨能力，其工作电压低、动态范围大、光探测效率(Photon Detection Efficiency，PDE)高，可以有效探测极弱光。另外，SiPM还具有体积小、结构紧凑、易于集成、对磁场不敏感等优点，不仅可以替代光电倍增管应用在高能物理、天体物理、核医学成像以及荧光测量等弱光探测领域，也可用于水下三维测深[1]。国际上SiPM产品器件结构一般采用多晶硅或金属条在器件表面作为淬灭电阻，如FBK研制的RGB-UHD-SiPM和NUV-HD-SiPM[2-3]、滨松报道的S13361-3050AS-08[4]以及SensL发布的C系列SiPM[5]等，这样的器件死区面积较大，尤其对于高密度SiPM，其高探测效率与大动态范围不可兼容。

为了缓解高探测效率与大动态范围不兼容的矛盾，北京师范大学新器件实验室(Novel Device Laboratory，NDL)利用外延电阻淬灭技术，将衬底外延层作为SiPM的淬灭电阻研制出外延电阻淬灭型硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier with Epitaxial Quenching Resistor，EQR SiPM)，有效减小了SiPM的死区面积，在保持较大动态范围的同时可以维持较高的PDE。近年来，NDL已成功研制并生产出有效面积为1 mm×1 mm和3 mm×3 mm，微单元尺寸分别是10 μm和12.5 μm的P-on-N型EQR SiPM和7 μm的N-on-P型EQR SiPM，它们均表现出优异的特性[6-8]。

在医疗PET成像、天体物理以及高能物理等领域的应用中，SiPM的PDE要求尽可能高。高能物理实验中使用的SiPM阵列一般采用ASIC读出大批量输出信号，许多商用ASIC不能读取增益低的SiPM输出信号[9]，因而在保持NDL EQR SiPM大动态范围优势的同时适当增大微单元尺寸可进一步提高其探测效率及增益，有利于拓展EQR SiPM的应用范围。强子量能器对大动态范围的要求更高[10]。本文详细介绍了NDL最新研制的EQR SiPM，该器件的光敏区面积为1 mm×1 mm，APD微单元尺寸分别是15 μm和7 μm。它同时具有较大动态范围和较高探测效率，在高能物理和强子量能器等应用中具有明显的优势。

2 器件结构与实验装置

EQR SiPM的典型结构如图1所示。在N型外延硅片上通过离子注入形成N-enrich区，它与表层的P++层形成P-N结结构，再串联外延层淬灭电阻可构成APD微单元。微单元尺寸影响器件填充因子，因此SiPM的探测效率与微单元尺寸密切相关；同时，APD微单元大小决定微单元密度，从而影响器件的动态范围。Gap区的掺杂浓度低于N-enrich区，其P-N结耗尽区形成电学隔离，因而降低了相邻微单元之间光学串扰的概率。器件表面连续的P++层作为APD微单元的阳极，直接从每个APD微单元收集雪崩信号，而外延层的高电阻可以作为淬灭雪崩过程、恢复微单元初始状态的淬灭电阻。

图1 EQR SiPM的结构示意图Fig.1 Schematic structure of EQR SiPM

SiPM管芯通过银浆贴片、压焊金丝等手段封装在TO管壳的中间位置，其实物照片如图2所示。

图2 EQR SiPM的实物图Fig.2 Picture of EQR SiPM

图3是表征SiPM各项参数的基本实验装置。除温度系数以外，其他参数表征的实验环境温度均为20 ℃。

图3 EQR SiPM特性表征的实验装置Fig.3 Experimental setup for EQR SiPM characterization

Keithley SMU为SiPM提供反向工作电压，同时作为电流表测量反向电流，最终得到SiPM的电流-电压关系(I-V曲线)。无光照环境中，SiPM的输出信号经过NDL-AMP-40-1型号100倍放大器放大后被泰克示波器接收，并由Labview程序控制电脑采集示波器显示的输出信号，从而得到暗计数率(Dark Count Rate，DCR)和光学串话随过偏压的关系。对于关联噪声以及微单元的恢复时间则是通过数字示波器(LeCroy WaveRunner 640Zi)采集1 ms时间序列上的信号，根据关联噪声与初始暗计数产生机制的不同导致其时间分布上的差异，利用Matlab程序进行噪声分析得到的[11-12]。另外，重频为1 MHz、脉宽为100 ps的超连续谱光源经532 nm滤波片入射在EQR SiPM的表面，并输出同步触发信号，利用力科示波器对SiPM响应输出信号进行统计分析，从而得到输出信号的面积分布谱，可以表征SiPM的单光子分辨能力，进一步计算得到SiPM的增益。利用光子计数法测量PDE，是将氙灯光源输出的光束经过单色仪通入到积分球中，经过积分球输出两路强度和光斑大小相同的单色光，分别入射到用于定标的PIN和EQR SiPM表面，并根据器件的光响应计算其探测效率。

3 特性表征

该部分实验主要表征了EQR SiPM的暗特性(如I-V曲线、DCR、光学串话、关联噪声和恢复时间)以及光特性(如单光子分辨谱、增益和探测效率)。

3.1 EQR SiPM暗特性表征

在没有光照及放射性物质照射的条件下，15 μm 及7 μm微单元EQR SiPM的反向电流随反向电压的变化曲线(I-V特性)如图4所示。通过对I-V曲线求导确定击穿电压[13]，得到室温下这两种SiPM的击穿电压都是19.5 V。此外，15 μm微单元SiPM的最大过偏压(最大可工作电压与击穿电压的差值)约为8 V，7 μm微单元SiPM的最大过偏压约为2.5 V。

图4(b)示意了15 μm微单元EQR SiPM在-30～30 ℃的击穿电压变化，圆点表示实际测量的击穿电压，直线表示对不同温度下击穿电压的线性拟合。结果表明，该器件击穿电压的温度系数约为17.1 mV/℃。较低的温度依赖性对于EQR SiPM的实际应用具有重要意义。

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

(b)15 μm器件击穿电压随温度的变化 (b)Breakdown voltage depending on ambient temperature for 15 μm SiPM图4 EQR SiPM的I-V曲线以及击穿电压Fig.4 I-V curves and breakdown voltage of EQR SiPM

SiPM的DCR和光学串话率是衡量其特性优劣的重要参数。图5表示两种EQR SiPM的DCR和光学串话率随过偏压变化的曲线，7 μm器件的光学串话率过高，导致它在相同过偏压下的DCR比15 μm更高。

(a)暗计数率 (a)DCR

(b)光学串话率 (b)Crosstalk ratio图5 EQR SiPM的暗计数率和光学串话率随过偏压的变化曲线Fig.5 DCR and crosstalk ratio of EQR SiPM as a function of overvoltage

关联噪声与初始暗计数产生机制的不同导致它们在时间分布上存在差异。图6中通过噪声分析法区分暗脉冲结果，并拟合得到5 V过偏压时，微单元尺寸为15 μm的SiPM器件的单元恢复时间约为3.7 ns。

图6 在5 V过偏压下15 μm EQR SiPM的暗脉冲散点(曲线是拟合所得的恢复时间曲线)

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的光响应特性

3.2.1 单光子分辨谱及增益

光照射到SiPM表面，将会激发APD微单元发生雪崩倍增。由于微单元形状和制备条件一致，因此每个微单元激活一次产生的信号应该完全相同，而SiPM输出信号是所有响应单元信号的总和，所以其幅值和面积呈现出整数倍的关系，并且这些响应事件遵循泊松统计分布。

15 μm微单元EQR SiPM进行光响应测量，对器件大量输出脉冲的面积统计，结果如图7所示。图中分立的峰代表着相应的光子数，左边第一个峰对应于基线(即0 p.e.)，第二个峰对应1个光电子(即1 p.e.)，SiPM 输出信号面积分布谱的峰谷比越好，表示其信噪比越高，可清晰区分的谱峰数目越多表示光子分辨能力越强。由图可知，器件在5 V过偏压下至少可分辨13个光电子，具有良好的单光子分辨能力。

图7 15 μm EQR SiPM工作在5 V过偏压下的面积分布谱

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

SiPM的增益被定义为微单元发生一次雪崩倍增所释放的载流子数目，根据输出信号面积分布谱的相邻谱峰之间的间距与单元增益成正比的规律，可计算SiPM的单元增益。通过重复采集不同过偏压下的面积分布谱，得到图8所示的增益随过偏压的线性变化关系，微单元尺寸为15 μm 的1 mm×1 mm EQR SiPM在5 V过偏压下的增益为5.1×105，7 μm的1 mm×1 mm EQR SiPM在2 V过偏压下的增益为1.1×105。

图8 EQR SiPM增益随过偏压的变化Fig.8 Variation of gain with overvoltage of EQR SiPM

3.2.2 光子探测效率

PDE是衡量SiPM特性的主要参数之一，它是指一定时间内探测器探测到的光子数和入射的光子数之间的百分比。图9是利用光子计数法测量有效面积为1 mm×1 mm，然后利用泊松分布法扣除关联噪声影响，修正后两种微单元尺寸EQR SiPM的PDE随入射光波长的变化。峰值波长400 nm处，15 μm器件在5 V过偏压时的PDE为40%，7 μm器件在2 V过偏压时的PDE为34%。

图9 微单元尺寸为15 μm和7 μm 的1 mm×1 mm EQR SiPM的光探测效率与入射波长的关系

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 结果讨论

4.1 不同微单元NDL EQR SiPM特性对比

PDE由量子效率、盖革触发效率和填充因子共同决定，其计算公式为PDE=η0×ε×Ptrigger。当制备工艺、掺杂浓度及其它结构保持一致，器件的量子效率和盖革触发效率基本相同，PDE差别来源于填充因子。增大微单元的尺寸可以提高SiPM的填充因子，因而可以提高PDE。

表1中对比了具有7，10，12.5和15 μm 4种不同微单元尺寸，有效面积为1 mm×1 mm EQR SiPM器件的特性。结果表明，增大微单元尺寸可以明显提高增益，而且随着填充因子增大，探测效率也增加。较小微单元尺寸器件则具有较高的微单元密度，因此在探测光子时的动态范围特性更有优势。

表1 不同微单元尺寸1 mm×1 mm EQR SiPM的特性

4.2 NDL EQR SiPM与MPPC特性对比

表2中示意了NDL研制的EQR SiPM与日本滨松公司MPPC的部分特性参数，器件的微单元尺寸为15 μm，有效面积为1 mm×1 mm。结果显示，EQR SiPM的工作电压比MPPC低，最大过偏压比MPPC高，而且击穿电压的温度依赖性明显更好，11-1010C-T的击穿电压温度系数仅为17.1 mV/℃，S12571-015P的击穿电压温度系数是65 mV/℃。因为EQR SiPM采用外延硅作为淬灭电阻，减小了死区面积，因而有利于提高光子探测效率。在NDL 11-1010C-T 的峰值波长400 nm处以及滨松S12571-015P的峰值波长460 nm处，NDL EQR SiPM都具有更高的光子探测效率。

表2 NDL和滨松的SiPM 的特性参数对比

5 结 论

NDL最新研制出有源区面积为1 mm×1 mm、微单元尺寸分别为15 μm和7 μm的大动态范围外延电阻淬灭型硅光电倍增器，器件具有良好的单光子分辨能力，可分辨光子数大于13。与以往微单元尺寸为10 μm和12.5 μm的EQR SiPM相比，15 μm器件增大了微单元尺寸，虽然动态范围稍降，但是光子探测效率和增益明显提高；7 μm器件在减小微单元尺寸和增大动态范围的同时还能保持高探测效率。该EQR SiPM预计可以满足高能物理实验等领域对高探测效率和高增益的应用需求，拓展了SiPM的使用范围。