[論文レビュー] Towards a new concept of photomultiplier based on silicon technology

S. Priviteraa, S. Tudisco+11 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2007

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ST-Microelectronicsがプロセスした5×5個の単一光子アバランチダイオード（SPAD）アレイを用いた新しいシリコンベースのフォトマルチプライヤー概念を提示する。デバイスは高感度な単一光子検出、低雑音、ピコ秒級の時間分解能を達成しており、ピxls間でのアナログ信号の和算が成功裏に実証され、SiPMに類似した構成で光子数を定量的に計数可能な振幅分解出力が可能となった。

ABSTRACT

In order to build a new concept of photomultiplier based on silicon technology, design and characterization of 5x5 arrays of a new generation of single photon avalanche diodes (SPAD) manufactured by ST-Microelectronics have been performed. Single photons sensitivity, dark noise and timing resolution of the SPAD- STM devices in several experimental conditions have been evaluated. Moreover, the effects arising from the multiple integration of many elements and the study of their common read-out have been deeply investigated.

研究の動機と目的

• SPADアレイを用いたシリコン技術に基づく新しいフォトマルチプライヤー概念の開発。
• ST-Microelectronics社の新世代SPADの性能を、光子検出効率（PDE）、雑音数、時間分解能の観点から評価すること。
• 共通のリードアウト構造に統合された複数のSPADが及ぼす影響、特にクロストークと非均一性に焦点を当てた検討。
• ハイブリッド5×5 SPADアレイを用いたSiPMに類似したデバイスの実現可能性を検証し、入射光子数に比例したアナログ出力が得られることを確認すること。

提案手法

• 埋め込まれたp+層とp-エpiタキシャル構造を用いた20 µmの有効面積、200 µmピッチの5×5 SPADアレイのプロセス。これにより応答性と分離性が向上。
• 金属抵抗素子と半導体フィードバックを統合した被動的クench回路を採用し、安定したアバランチの抑制を実現。
• 670 nmのピコ秒レーザー（10 kHz繰り返し周波数）を用いた光学的特性評価。光子数を変化させることで複数光子イベントを模擬。
• 出力パルス振幅を測定するため、振幅-デジタルコンバータ（ADC）を用いた信号取得。単一、二重、複数のフォトエレクトロンイベントに対応。
• 実験データから得た入力パrameter（非均一性、クロストーク確率、雑音率）を用いて、信号振幅分布のモンテカルロシミュレーション。
• シミュレーションと実測の振幅分布を体系的に比較し、非均一性およびクロストークの寄与を分離して特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共通のリードアウト構造を有する5×5 SPADアレイは、複数光子の信頼性の高い振幅分解検出を達成できるか？
• RQ2 ピクセル間の非均一性がSPADアレイにおける信号振幅分布に与える影響は何か？
• RQ3 クロストークおよび雑音率は、SiPMに類似したデバイスのスペクトル分解能にどのように影響するか？
• RQ4 基板寄りの寄与がアレイ内での観測されるクロストークにどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 測定されたデバイスパラメータを用いたモンテカルロシミュレーションは、実験的信号分布を正確に再現できるか？

主な発見

• SPADデバイスは高い光子検出効率（PDE）と低い雑音数を達成し、単一光子検出に適していることが示された。
• 5×5 SPADアレイは、振幅分布に明確に分離された単一、二重、三重フォトエレクトロンピークを示し、効果的なアナログ信号の和算が確認された。
• クロストークは振幅分布を高値側にずらす影響を示し、シミュレーションではこれがスペクトルのガウス型バックグラウンドに作用していることが判明。
• ピクセル応答の非均一性が振幅分布の非対称的歪みを引き起こし、測定された14%の非均一性レベルが実験データと整合的であった。
• ピクセルの均一性が向上することで、スペクトル分解能が著しく向上することが、シミュレーション比較により示された。
• 実験およびシミュレーション結果から、基板がクロストークの主な要因である可能性が特定された。