[論文レビュー] Characterisation of highly radiation-damaged SiPMs using current measurements

E. Garutti, R. Klanner+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2017

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、遮蔽電流が10^11 Hzを超える場合でさえも、電流-電圧測定を用いて高レベルの放射線損傷を受けていたシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を特徴付ける手法を提示する。ピクセル占有率のモデル化と相関ノイズの補正により、破壊電圧、クエンチ抵抗、遮蔽電流、光検出効率といった主要パラメータの正確な抽出が可能となり、高ノイズ領域における従来のパルス高さ解析の限界を克服する。

ABSTRACT

The characterisation of radiation-damaged SiPMs is a major challenge, when the average time between dark counts approaches, or even exceeds, the signal decay time. In this note a collection of formulae is presented, which have been developed and used for the analysis of current measurements for SiPMs in the dark and illuminated by an LED, before and after hadron irradiation. It is shown, how parameters like the breakdown voltage, the quenching resistance, the dark-count rate, the reduction of the photo-detection efficiency due to dark counts and the Geiger discharge probability can be estimated from current-voltage measurements. The only additional SiPM parameters needed are the pixel capacitance, the number of pixels and the correlated noise. Central to the method is the concept of the pixel occupancy, the probability of a Geiger discharge in a single pixel during a given time interval, for which the decay time of the SiPM signal has been assumed. As an illustration the formulae are used to characterise a KETEK SiPM before and after irradiation by a fluence of 5E13 cm$^{-2}$ of reactor neutrons for temperatures of -30°C and +20°C, where dark-count rates exceeding 1E11 Hz are observed.

研究の動機と目的

• 遮蔽電流が10^11 Hzを超えるSiPMを特徴付ける課題に対処すること。この場合、従来の手法は機能しない。
• 重度に照射されたSiPMに適用可能な電流-電圧に基づく解析フレームワークを開発すること。
• 高レベルの放射線損傷下でも、破壊電圧、クエンチ抵抗、光検出効率といった重要なパラメータを信頼性高く抽出できること。
• ピクセル占有率と相関ノイズが、高遮蔽電流領域における信号劣化に与える影響を定量化すること。
• 高輝度および宇宙空間用途におけるSiPM特徴付けのための標準的かつ再現可能な手法を提供すること。

提案手法

• 本手法は、暗電流下およびLED照射下での順方向および逆方向バイアス電流測定を用い、SiPMのパラメータを抽出する。
• ピクセル占有率ηは、再充電時間τ = Rq·Cpixの間にピクセルでゲーパー放電が発生する確率として定義され、重なり効果の推定に用いられる。
• 破壊電圧Vbdは、逆対数微分（ILD）法により決定され、最小ILDがVbdの位置を特定するために用いられる。
• 遮蔽電流（DCR）およびゲーパー放電確率は、照射下での電流差を用いて、DCR·(1+CN)（CNは相関ノイズ）の積から導出される。
• 光検出効率（PDE）はηを用いて占有率の影響を補正し、ηが約0.1を超えるとPDE低下が推定される。
• 本手法はCq = 0を仮定し、既知のNpixおよびCpixを用い、順方向バイアスにおけるdIdark/dVからRqを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遮蔽電流が10^11 Hzを超える場合、従来のパルス高さ解析が無効となる中で、どのようにしてSiPMパラメータを信頼性高く抽出できるか？
• RQ2 遮蔽電流に起因するピクセル占有率が、照射されたSiPMにおける有効光検出効率をどの程度低下させるか？
• RQ3 温度および放射線損傷が、電流測定とVbdやRqといった内在的SiPMパラメータとの相関に与える影響はいかほどか？
• RQ4 高遮蔽電流条件下で、電流-電圧データからDCR·(1+CN)を正確に抽出できるか？
• RQ5 相関ノイズによって調整されるゲーパー放電確率は、照射されたSiPMにおいて過剰電圧に応じてどのように変化するか？

主な発見

• KETEK製SiPMを5×10^13 cm⁻²まで照射した結果、-30 °Cおよび+20 °Cの両温度で遮蔽電流が10^11 Hzを超えた。このため、従来のパルス高さ解析は不適切となった。
• 照射後、高過剰電圧（Vex）条件下でピクセル占有率ηは最大60%に達し、顕著な信号の重なりとPDEの劣化が示された。
• 照射後、DCR·(1+CN)は約6桁、-30 °Cから+20 °Cへの上昇で約1桁増加した。
• pGeiger·(1+CN)はVexの増加に伴い上昇し、相関ノイズの増加に起因すると考えられたが、高Vexではピクセル電圧の低下（高占有率による）により低下した。
• 本手法は、極めて高いDCRレベル下でも、電流-電圧データと既知のSiPMパラメータのみを用いて、Vbd、Rq、DCR·(1+CN)、PDE補正を成功裏に抽出した。
• この式は15 μmピクセルを有するKETEK SiPMを用いて検証され、高輝度環境下における実際の放射線損傷デバイスへの適用可能性が示された。