[논문 리뷰] Characterisation of highly radiation-damaged SiPMs using current measurements

E. Garutti, R. Klanner외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 15.

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 어두운 계수율이 10^11 Hz를 초과하는 경우에도 전류-전압 측정을 통해 고도로 방사선 손상된 실리콘 포토멀티플라이어(스팸)를 특성화하는 방법을 제시한다. 픽셀 점유율과 상관 노이즈를 모델링함으로써, 붕괴 전압, 진압 저항, 어두운 계수율, 광검출 효율과 같은 핵심 매개변수를 정확하게 추출할 수 있으며, 고노이즈 영역에서 전통적인 펄스 높이 분석의 한계를 극복한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 어두운 계수율이 10^11 Hz를 초과하는 스팜을 특성화하는 데 있어 기존 방법이 실패하는 문제를 해결하기 위해.
• 심하게 방사선에 노출된 스팜에 적용 가능한 전류-전압 기반 분석 프레임워크를 개발하기 위해.
• 고방사선 손상 조건에서 붕괴 전압, 진압 저항, 광검출 효율과 같은 핵심 매개변수를 신뢰성 있게 추출하기 위해.
• 픽셀 점유율과 상관 노이즈가 고어두운 계수율 영역에서 신호 품질 저하에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 고광도 및 우주 응용 분야에서 스팜 특성화를 위한 표준화되고 재현 가능한 방법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 어두운 상태와 LED 조명 하에서의 정방향 및 역방향 편향 전류 측정을 통해 스팜 매개변수를 추출한다.
• 픽셀 점유율 η는 재충전 시간 τ = Rq·Cpix 동안 픽셀에서 지아이거 발진이 발생할 확률로 정의되며, 중첩 효과 추정에 기여한다.
• 붕괴 전압 Vbd는 역로그 미분(ILD) 방법을 통해 결정되며, 최소 ILD를 이용해 Vbd의 위치를 확인한다.
• 어두운 계수율(DCR)과 지아이거 발진 확률은 조명 하에서의 전류 차이를 이용해 DCR·(1+CN)의 곱으로 유도되며, 여기서 CN은 상관 노이즈이다.
• 광검출 효율(PDE)은 η를 사용해 점유율 영향을 보정하며, η가 약 0.1을 초과할 경우 PDE 감소를 추정한다.
• 이 방법은 Cq = 0을 가정하고 Npix와 Cpix의 알려진 값을 사용하며, Rq는 정방향 편향에서 dIdark/dV로부터 유도된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어두운 계수율이 10^11 Hz를 초과할 경우, 펄스 높이 분석이 비효율적이게 되는데, 어떻게 스팜 매개변수를 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?
• RQ2 방사선에 노출된 스팜에서 어두운 계수로 인한 픽셀 점유율이 효과적인 광검출 효율을 얼마나 감소시키는가?
• RQ3 온도와 방사선 손상은 전류 측정과 붕괴 전압 Vbd 및 Rq와 같은 내재된 스팜 매개변수 간의 상관관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고어두운 계수 조건에서 전류-전압 데이터로부터 DCR·(1+CN)을 정확하게 추출할 수 있는가?
• RQ5 상관 노이즈에 의해 조절되는 지아이거 발진 확률은 방사선에 노출된 스팜에서 초과 전압에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 5×10^13 cm⁻²로 방사선에 노출된 KETEK 스팜에서 -30 °C와 +20 °C에서 어두운 계수율이 10^11 Hz를 초과하여, 기존의 펄스 높이 분석이 불가능해졌다.
• 방사선 노출 후 고초과 전압(Vex) 조건에서 픽셀 점유율 η는 최대 60%에 이를 정도로 상당한 신호 중첩과 PDE 저하가 발생했다.
• 방사선 노출 후 DCR·(1+CN)의 곱은 약 6개의 지수 단위 증가했으며, -30 °C에서 +20 °C로 온도가 상승함에 따라 약 1개 지수 단위 증가했다.
• pGeiger·(1+CN)의 곱은 Vex 증가에 따라 증가했으며, 이는 증가하는 상관 노이즈 때문으로 기인되었고, 높은 Vex에서 높은 점유율로 인한 픽셀 전압 과도 감소로 인해 후속 감소가 관찰되었다.
• 이 방법은 극한의 DCR 수준에서도 전류-전압 데이터와 알려진 스팜 매개변수만을 사용하여 Vbd, Rq, DCR·(1+CN), PDE 보정을 성공적으로 추출하였다.
• 수식은 15 μm 픽셀을 가진 KETEK 스팜에서 검증되었으며, 고광도 환경에서 실제 방사선 손상된 장치에 적용 가능함을 입증했다.