[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于硅的新型雪崩光电二极管阵列（SPAD）光电倍增管概念，采用意法半导体公司制造的5×5单光子雪崩二极管（SPAD）阵列。该器件实现了高单光子灵敏度、低暗噪声和皮秒级时间分辨率，并成功展示了像素间的模拟信号求和，通过幅度分辨输出实现类似SiPM的定量光子计数。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于硅技术的新型光电倍增管概念，采用SPAD阵列。
• 表征意法半导体公司新一代SPAD在光子探测效率、暗噪声和时间分辨率方面的性能。
• 研究在共用读出架构中集成多个SPAD对串扰和非均匀性的影响。
• 验证基于混合5×5 SPAD阵列的类似SiPM器件的可行性，其模拟输出与入射光子数成正比。

提出的方法

• 采用埋入式p+层与p-外延结构，制造具有20 µm有效面积和200 µm节距的5×5 SPAD阵列，以提升响应性能和隔离度。
• 采用带集成金属-电阻-半导体反馈的无源复位电路，实现稳定的雪崩熄灭。
• 利用波长670 nm、重复频率10 kHz的皮秒激光进行光学表征，通过调节光强模拟多光子事件。
• 通过模数转换器（ADC）采集信号，测量对应于单光电子、双光电子或多重光电子事件的输出脉冲幅度。
• 利用实验数据获得的输入参数（包括非均匀性、串扰概率和暗计数率）进行蒙特卡罗信号幅度分布仿真。
• 系统性比较仿真与实测的幅度分布，以分离非均匀性和串扰的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在共用读出配置下，5×5 SPAD阵列能否实现对多光子事件的可靠、幅度分辨检测？
• RQ2 像素间响应非均匀性对SPAD阵列信号幅度分布有何影响？
• RQ3 串扰和暗计数率如何影响类似SiPM器件的能量分辨率？
• RQ4 衬底贡献在阵列中观测到的串扰中起多大作用？
• RQ5 蒙特卡罗仿真能否利用实测器件参数准确再现实验信号分布？

主要发现

• SPAD器件实现了高光子探测效率（PDE）和低暗计数率，证明其适用于单光子探测。
• 5×5 SPAD阵列在幅度分布中清晰显示出单光电子、双光电子和三光电子峰，证实了有效的模拟信号求和。
• 串扰导致幅度分布向更高值偏移，仿真表明其作用于光谱的高斯型背景。
• 像素响应的非均匀性导致幅度分布出现非对称畸变，实测14%的非均匀性水平与实验数据一致。
• 仿真对比表明，提高像素均匀性可显著提升能量分辨率。
• 基于实验和仿真结果，衬底被确定为串扰的可能来源。