[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种方法，通过电流-电压测量表征高度辐射损伤的硅光电倍增管（SiPM），即使在暗电流计数率超过10^11 Hz时亦可实现。通过建模像素占位率并考虑相关噪声，该方法可准确提取击穿电压、淬灭电阻、暗电流计数率和光子探测效率等关键参数，克服了传统脉幅分析在高噪声环境下失效的局限性。

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.

研究动机与目标

• 解决暗电流计数率超过10^11 Hz时SiPM表征的挑战，此时传统方法失效。
• 开发适用于严重辐照SiPM的基于电流-电压的分析框架。
• 在高辐射损伤条件下，实现击穿电压、淬灭电阻和光子探测效率等关键参数的可靠提取。
• 量化像素占位率和相关噪声对高暗电流状态下信号退化的影响。
• 为高亮度和空间应用提供标准化、可重复的SiPM表征方法。

提出的方法

• 该方法利用暗态和LED照射下的正向与反向偏置电流测量，提取SiPM参数。
• 像素占位率η定义为在充电时间τ = Rq·Cpix内像素发生盖革放电的概率，用于估计堆积效应。
• 通过反对数导数（ILD）方法确定击穿电压Vbd，使用最小ILD值定位Vbd。
• 利用照射下电流差值，从DCR·(1+CN)中推导出暗电流计数率（DCR）和盖革放电概率，其中CN为相关噪声。
• 通过η对光子探测效率（PDE）进行占位率修正，当η超过约0.1时估算PDE的降低。
• 该方法假设Cq = 0，并使用已知的Npix和Cpix值，Rq由正向偏置下的dIdark/dV导出。

实验结果

研究问题

• RQ1 当暗电流计数率超过10^11 Hz时，如何可靠提取SiPM参数，使传统脉幅分析失效？
• RQ2 由于暗电流导致的像素占位率在辐照SiPM中在多大程度上降低了有效光子探测效率？
• RQ3 温度和辐射损伤如何影响电流测量与SiPM本征参数（如Vbd和Rq）之间相关性？
• RQ4 在高暗电流条件下，DCR·(1+CN)能否从电流-电压数据中准确提取？
• RQ5 受相关噪声调制的盖革放电概率在辐照SiPM中如何随过电压变化？

主要发现

• 对于辐照至5×10^13 cm⁻²的KETEK SiPM，-30 °C和+20 °C下暗电流计数率均超过10^11 Hz，导致传统脉幅分析不可行。
• 辐照后在高过电压（Vex）下，像素占位率η最高达60%，表明存在显著的信号堆积和PDE退化。
• 辐照后DCR·(1+CN)增加了约六个数量级，且从-30 °C升至+20 °C时又增加了约一个数量级。
• pGeiger·(1+CN)随Vex上升，归因于相关噪声增加，但在高Vex下因高占位率导致像素电压下冲而出现下降。
• 该方法仅通过电流-电压数据和已知SiPM参数，成功提取了Vbd、Rq、DCR·(1+CN)和PDE修正值，即使在极端DCR水平下亦适用。
• 该公式在具有15 μm像素的KETEK SiPM上得到验证，证明其在高亮度环境中真实辐射损伤器件中的适用性。