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(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 新器件實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

1 引 言

硅光電倍增器(Silicon Photomultiplier，SiPM)具有優(yōu)異的單光子分辨能力和時(shí)間分辨能力，其工作電壓低、動(dòng)態(tài)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(jié)構(gòu)緊湊、易于集成、對磁場不敏感等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以替代光電倍增管應(yīng)用在高能物理、天體物理、核醫(yī)學(xué)成像以及熒光測量等弱光探測領(lǐng)域，也可用于水下三維測深[1]。國際上SiPM產(chǎn)品器件結(jié)構(gòu)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(bào)道的S13361-3050AS-08[4]以及SensL發(fā)布的C系列SiPM[5]等，這樣的器件死區(qū)面積較大，尤其對于高密度SiPM，其高探測效率與大動(dòng)態(tài)范圍不可兼容。

為了緩解高探測效率與大動(dòng)態(tài)范圍不兼容的矛盾，北京師范大學(xué)新器件實(shí)驗(yàn)室(Novel Device Laboratory，NDL)利用外延電阻淬滅技術(shù)，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(qū)面積，在保持較大動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)可以維持較高的PDE。近年來，NDL已成功研制并生產(chǎn)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(xiàn)出優(yōu)異的特性[6-8]。

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

2 器件結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)裝置

EQR SiPM的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。在N型外延硅片上通過離子注入形成N-enrich區(qū)，它與表層的P++層形成P-N結(jié)結(jié)構(gòu)，再串聯(lián)外延層淬滅電阻可構(gòu)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(guān)；同時(shí)，APD微單元大小決定微單元密度，從而影響器件的動(dòng)態(tài)范圍。Gap區(qū)的摻雜濃度低于N-enrich區(qū)，其P-N結(jié)耗盡區(qū)形成電學(xué)隔離，因而降低了相鄰微單元之間光學(xué)串?dāng)_的概率。器件表面連續(xù)的P++層作為APD微單元的陽極，直接從每個(gè)APD微單元收集雪崩信號(hào)，而外延層的高電阻可以作為淬滅雪崩過程、恢復(fù)微單元初始狀態(tài)的淬滅電阻。

圖1 EQR SiPM的結(jié)構(gòu)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(shí)物照片如圖2所示。

圖2 EQR SiPM的實(shí)物圖Fig.2 Picture of EQR SiPM

圖3是表征SiPM各項(xiàng)參數(shù)的基本實(shí)驗(yàn)裝置。除溫度系數(shù)以外，其他參數(shù)表征的實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度均為20 ℃。

圖3 EQR SiPM特性表征的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental setup for EQR SiPM characterization

Keithley SMU為SiPM提供反向工作電壓，同時(shí)作為電流表測量反向電流，最終得到SiPM的電流-電壓關(guān)系(I-V曲線)。無光照環(huán)境中，SiPM的輸出信號(hào)經(jīng)過NDL-AMP-40-1型號(hào)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(hào)，從而得到暗計(jì)數(shù)率(Dark Count Rate，DCR)和光學(xué)串話隨過偏壓的關(guān)系。對于關(guān)聯(lián)噪聲以及微單元的恢復(fù)時(shí)間則是通過數(shù)字示波器(LeCroy WaveRunner 640Zi)采集1 ms時(shí)間序列上的信號(hào)，根據(jù)關(guān)聯(lián)噪聲與初始暗計(jì)數(shù)產(chǎn)生機(jī)制的不同導(dǎo)致其時(shí)間分布上的差異，利用Matlab程序進(jìn)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(xù)譜光源經(jīng)532 nm濾波片入射在EQR SiPM的表面，并輸出同步觸發(fā)信號(hào)，利用力科示波器對SiPM響應(yīng)輸出信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而得到輸出信號(hào)的面積分布譜，可以表征SiPM的單光子分辨能力，進(jìn)一步計(jì)算得到SiPM的增益。利用光子計(jì)數(shù)法測量PDE，是將氙燈光源輸出的光束經(jīng)過單色儀通入到積分球中，經(jīng)過積分球輸出兩路強(qiáng)度和光斑大小相同的單色光，分別入射到用于定標(biāo)的PIN和EQR SiPM表面，并根據(jù)器件的光響應(yīng)計(jì)算其探測效率。

3 特性表征

該部分實(shí)驗(yàn)主要表征了EQR SiPM的暗特性(如I-V曲線、DCR、光學(xué)串話、關(guān)聯(lián)噪聲和恢復(fù)時(shí)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(zhì)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(dǎo)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(diǎn)表示實(shí)際測量的擊穿電壓，直線表示對不同溫度下?lián)舸╇妷旱木€性擬合。結(jié)果表明，該器件擊穿電壓的溫度系數(shù)約為17.1 mV/℃。較低的溫度依賴性對于EQR SiPM的實(shí)際應(yīng)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(xué)串話率是衡量其特性優(yōu)劣的重要參數(shù)。圖5表示兩種EQR SiPM的DCR和光學(xué)串話率隨過偏壓變化的曲線，7 μm器件的光學(xué)串話率過高，導(dǎo)致它在相同過偏壓下的DCR比15 μm更高。

(a)暗計(jì)數(shù)率 (a)DCR

(b)光學(xué)串話率 (b)Crosstalk ratio圖5 EQR SiPM的暗計(jì)數(shù)率和光學(xué)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(guān)聯(lián)噪聲與初始暗計(jì)數(shù)產(chǎn)生機(jī)制的不同導(dǎo)致它們在時(shí)間分布上存在差異。圖6中通過噪聲分析法區(qū)分暗脈沖結(jié)果，并擬合得到5 V過偏壓時(shí)，微單元尺寸為15 μm的SiPM器件的單元恢復(fù)時(shí)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(diǎn)(曲線是擬合所得的恢復(fù)時(shí)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(yīng)特性

3.2.1 單光子分辨譜及增益

光照射到SiPM表面，將會(huì)激發(fā)APD微單元發(fā)生雪崩倍增。由于微單元形狀和制備條件一致，因此每個(gè)微單元激活一次產(chǎn)生的信號(hào)應(yīng)該完全相同，而SiPM輸出信號(hào)是所有響應(yīng)單元信號(hào)的總和，所以其幅值和面積呈現(xiàn)出整數(shù)倍的關(guān)系，并且這些響應(yīng)事件遵循泊松統(tǒng)計(jì)分布。

15 μm微單元EQR SiPM進(jìn)行光響應(yīng)測量，對器件大量輸出脈沖的面積統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖7所示。圖中分立的峰代表著相應(yīng)的光子數(shù)，左邊第一個(gè)峰對應(yīng)于基線(即0 p.e.)，第二個(gè)峰對應(yīng)1個(gè)光電子(即1 p.e.)，SiPM 輸出信號(hào)面積分布譜的峰谷比越好，表示其信噪比越高，可清晰區(qū)分的譜峰數(shù)目越多表示光子分辨能力越強(qiáng)。由圖可知，器件在5 V過偏壓下至少可分辨13個(gè)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(fā)生一次雪崩倍增所釋放的載流子數(shù)目，根據(jù)輸出信號(hào)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(guī)律，可計(jì)算SiPM的單元增益。通過重復(fù)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(guān)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(shù)之一，它是指一定時(shí)間內(nèi)探測器探測到的光子數(shù)和入射的光子數(shù)之間的百分比。圖9是利用光子計(jì)數(shù)法測量有效面積為1 mm×1 mm，然后利用泊松分布法扣除關(guān)聯(lián)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(shí)的PDE為40%，7 μm器件在2 V過偏壓時(shí)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(guān)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(jié)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(fā)效率和填充因子共同決定，其計(jì)算公式為PDE=η0×ε×Ptrigger。當(dāng)制備工藝、摻雜濃度及其它結(jié)構(gòu)保持一致，器件的量子效率和蓋革觸發(fā)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(jié)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(shí)的動(dòng)態(tài)范圍特性更有優(yōu)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(shù)，器件的微單元尺寸為15 μm，有效面積為1 mm×1 mm。結(jié)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(shù)僅為17.1 mV/℃，S12571-015P的擊穿電壓溫度系數(shù)是65 mV/℃。因?yàn)镋QR SiPM采用外延硅作為淬滅電阻，減小了死區(qū)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(shù)對比

5 結(jié) 論

NDL最新研制出有源區(qū)面積為1 mm×1 mm、微單元尺寸分別為15 μm和7 μm的大動(dòng)態(tài)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(shù)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(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)還能保持高探測效率。該EQR SiPM預(yù)計(jì)可以滿足高能物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域?qū)Ω咛綔y效率和高增益的應(yīng)用需求，拓展了SiPM的使用范圍。