[논문 리뷰] Towards a new concept of photomultiplier based on silicon technology

S. Priviteraa, S. Tudisco외 11명|arXiv (Cornell University)|2007. 05. 04.

Radiation Detection and Scintillator Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 ST-Microelectronics에서 제작한 5x5 단일 광자 분열 다이오드(SPAD) 어레이를 사용한 새로운 실리콘 기반 광다이오드 개념을 제시한다. 이 장치들은 높은 단일 광자 감도, 낮은 암흑 노이즈, 피코초 수준의 정밀 시간 해상도를 달성하였으며, 픽셀 간 아날로그 신호 합산이 성공적으로 구현되어 SiPM 유사 구성에서 강도 해상도 출력을 통한 정량적 광자 수 센서 기능을 가능하게 하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• SPAD 어레이를 기반으로 한 실리콘 기반 신개념 광다이오드 개발.
• ST-Microelectronics의 신세대 SPAD의 광자 탐지 효율, 암흑 노이즈, 시간 해상도 측면에서 성능 특성 분석.
• 공통 읽기 아키텍처에 통합된 다수의 SPAD이 미치는 영향 분석, 특히 교차 캐리지(crosstalk)와 비균일성에 중점.
• 하이브리드 5x5 SPAD 어레이를 사용한 SiPM 유사 장치의 실현 가능성 검증, 입사 광자 수에 비례하는 아날로그 출력 제공.

제안 방법

• 반도체 잠재층과 p-epitaxial 구조를 사용한 매립형 p+층을 활용해 활성 영역 20 µm, 피치 200 µm인 5x5 SPAD 어레이 제작으로 반응성과 분리도 향상.
• 안정적인 압전 끄기 위해 통합된 금속 저항-반도체 피드백을 갖춘 수동 끄기 회로 사용.
• 10 kHz 반복 주기의 670 nm 피코초 레이저를 사용한 광학적 특성 측정, 다중 광자 이벤트 시뮬레이션을 위해 강도를 변조.
• 단일, 이중 또는 다중 광전자 이벤트에 해당하는 출력 펄스 강도를 측정하기 위해 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통한 신호 캡처.
• 실험 데이터에서 유도된 입력 파rameter(비균일성, 교차 캐리지 확률, 암흑 카운트율 등)를 사용한 신호 강도 분포에 대한 몬테카를로 시뮬레이션.
• 시뮬레이션된 강도 분포와 실험 측정 결과를 체계적으로 비교하여 비균일성과 교차 캐리지의 기여도를 분리 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공통 읽기 아키텍처에 구현된 5x5 SPAD 어레이가 다중 광자를 신뢰성 있게 강도 해상도로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 픽셀 간 비균일성이 SPAD 어레이의 신호 강도 분포에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 교차 캐리지와 암흑 카운트율은 SiPM 유사 장치의 스펙트럼 해상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기판 기여도가 어레이 내 관측된 교차 캐리지에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 측정된 장치 파rameter를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션은 실험적 신호 분포를 정확하게 재현할 수 있는가?

주요 결과

• SPAD 장치는 낮은 암흑 카운트율을 유지하면서도 높은 광자 탐지 효율(PDE)을 달성하여 단일 광자 탐지에 적합함을 입증하였다.
• 5x5 SPAD 어레이는 강도 분포에서 명확하고 잘 분리된 단일, 이중, 삼중 광전자 피크를 나타내어 효과적인 아날로그 신호 합산을 확인하였다.
• 교차 캐리지가 강도 분포를 높은 값 쪽으로 이동시키는 것으로 관측되었으며, 시뮬레이션 결과 이는 스펙트럼의 가우시안 유사 배경에 영향을 미친다.
• 픽셀 반응의 비균일성이 강도 분포의 비대칭적 왜곡을 유발하였으며, 측정된 14% 비균일성 수준이 실험 데이터와 일치함을 확인하였다.
• 개선된 픽셀 비균일성은 시뮬레이션 비교를 통해 스펙트럼 해상도 향상에 기여하는 것으로 나타났다.
• 실험 및 시뮬레이션 결과를 토대로 기판이 교차 캐리지의 주요 원인일 가능성이 확인되었다.