外延电阻淬灭型硅光电倍增器的最新研究进展

北京师范大学新器件实验室(NDL)一直致力于研制结构紧凑、工艺相对简单的外延电阻淬灭型硅光电倍增器(silicon photomultiplier with epitaxial quenching resistor,EQR SiPM)。近期为了满足硅光电倍增器(silicon photomultiplier,SiPM)在核医学成像方面的需要,NDL通过优化器件设计和制作工艺,成功研制出微单元尺寸为15μm、有效面积为9 mm~2的EQR SiPM。相较以往同类型器件,实现了器件暗计数率(dark count rate,DCR)的进一步降低同时保持了较高的光子探测效率(photon detection efficiency,PDE),在环境温度为20℃、过偏压为7 V时,DCR的典型值为226 kHz/mm~2、峰值PDE为46%。另外,为了进一步提升EQR SiPM的动态范围,NDL还研制出微单元尺寸为6μm、有效面积为9 mm~2、微单元数目为244720的EQR SiPM,在环境温度为20℃、过偏压为7 V时,DCR的典型值为240 kHz/mm~2、峰值PDE为28%,其较大的动态范围特别适合高能宇宙射线的测量、强子量能器等应用。

PET应用中的硅光电倍增器研究

本文介绍了硅光电倍增器(SiPM)研制所取得的最新进展及PET应用中SiPM的研究现状。新器件实验室(NDL)制造出光敏面积为2.2mm×2.2mm的SiPM器件,并将SiPM与2mm×2mm×10mm的LYSO晶体耦合,实验结果显示,器件探测FDG 511keV光子的能量分辨率达12.83%,符合时间分辨率达564ps。

大动态范围外延电阻淬灭型硅光电倍增器

外延电阻淬灭型硅光电倍增器(EQR SiPM)的特点是利用硅衬底外延层来制作器件淬灭电阻。为了进一步提高大动态范围EQR SiPM的光子探测效率,并且解决填充因子较低和增益较小等问题,在前期研究工作的基础上研制出微单元尺寸分别为15μm和7μm的EQR SiPM,有源区面积均是1 mm×1 mm。通过改变EQR SiPM的微单元尺寸优化填充因子,有效提高了探测效率与增益;其微单元密度分别是4400个/mm 2和23200个/mm 2,依然保持着较大的动态范围。室温条件下(20℃),工作在5 V过偏压的EQR SiPM至少可分辨13个光电子;15μm和7μm EQR SiPM的增益分别为5.1×105和1.1×105,在400 nm波长下的峰值光探测效率分别达到40%和34%。

高密度外延电阻淬灭硅光电倍增器研究

针对表面淬灭电阻技术引起死区面积较大,以及高光子探测效率与大动态范围不能同时满足的矛盾,应用外延电阻淬灭技术,采用与雪崩光电二极管微单元相连的衬底外延层硅材料制作了淬灭电阻.研制成功的外延电阻淬灭硅光电倍增器的有源区面积为1×1mm^2,微单元尺寸为7μm,微单元密度高达21 488个/mm^2,测试结果表明:漏电流为10量级,反向击穿电压为24.5V,过偏压为2.5V时,增益达1.4×10~5,室温下暗计数率约为600kHz/mm^2,串话率低于10%,说明该器件具有良好的光子计数特性.该高密度硅光电倍增器测量的动态范围是1.8×10~4个/mm,光子探测效率为16%(@λ_(peak)=480nm),恢复时间为8.5ns,单光子分辨能力较高,并且在液氮温度环境能够探测光子,这对于拓展硅光电倍增器在极低温度条件下的应用,比如暗物质测量实验方面具有潜力.

基于国产SiPM的量能器探测单元研究

为满足环形正负电子对撞机项目的需求,研究了基于国产SiPM的强子量能器探测单元。该探测单元由ESR反射膜包裹塑料闪烁体组成。实验测试表明:该探测单元的均匀性与MC模拟基本一致。均匀性为在平均值10%的偏差内的区域能达到93.75%。探测效率达到94.6%。良好的响应均匀性和探测效率结果表明了CEPC采用这种国产的SiPM基本可行。