Ð¢ÐµÑ Ð½Ð¾Ð»Ð¾Ð³Ð¸Ñ SiPM и возможности её применения для ...

Технология SiФЭУ и
возможности её применения для
регистрации 175 нм фотонов
Попова Елена Викторовна
МИФИ
13 апреля 2012

Содержание:
•Что такое SiФЭУ. Конструкция и принцип
действия
•Основные параметры SiФЭУ
•SiФЭУ сегодня
•Примеры использования SiФЭУ
•Разработка SiФЭУ для регистрации света 175нм

Экспериментальная физика для регистрации света слабой
интенсивности широко использует вакуумные ФЭУ
Основные недостатки ФЭУ:
•большие размеры,
•высокое напряжение питания
•чувствительность к магнитным полям
Нужен детектор нового типа – замена вакуумного ФЭУ.
Изобретен в России в конце 20 века (Гасановым А.Г., Головиным
В.М., Садыговым З.Я., Юсиповым Н.Ю)
МИФИ - группа проф.Б.А.Долгошеина – одни из первых разработчиков – 1993г.

SiФЭУ
Новый фотодетектор: кремниевый фотоэлектронный
умножитель (SiФЭУ)
ячейки
hν
R 50Ω
подложка
U смещ
∼60V
SiФЭУ – основные особенности:
Ячейки одинаковые!
Ячейки должны быть независимые! – основная проблема SiФЭУ
Ячейка – стандартный сигнал – состояние 0 или 1
SiФЭУ – суммарный сигнал на выходе – аналоговый
Ячейка –p-n-переход в гейгеровском режиме
SiФЭУ - твердотельный аналог ФЭУ

SiФЭУ
p-n-переход при обратном смещении
n
-
+
ОПЗ
p
Ударная ионизация
Лавинное умножение
E
Гейгеровский разряд
Особенности гейгеровского режима
R
U смещения
•Выходной сигнал не зависит от входного
•Выходной сигнал Q определяется зарядом,
накопленным на емкости ячейки C ячейка
Внутреннее усиление
1
PIN
ЛФД
Гейгеровский
режим
Напряжение пробояU
Q = C ячейка
⋅(U- U пробой
)
М= Q/е –усиление
М=10 5 -10 7
Длительность гейгеровского разряда
около 1 нс и его прекращение
происходит благодаря
ограничивающему резистору

SiФЭУ
Свет слабой интенсивности
Функция отклика SiФЭУ с разным числом ячеек
light
свет
шум
интенсивность света увеличена
шум
“световые” и “шумовые” сигналы
одинаковы
Number of pixels fired
1000
100
10
1
1 10 100 1000 10000
⎡
N
firedcells
= N
total
⋅ ⎢1
⎢⎣
Number of photoelectrons
−
e
−
N
576
1024
4096
photon
N
•Возможна коррекция насыщения
total
⋅ PDE
⎤
⎥
⎥⎦

15000
Основные параметры SiФЭУ
1 ячейка
•Эффективность регистрации
пьедестал
2 ячейки
света PDE
Число отсчетов
10000
5000
3 ячейки
•Усиление G
•Кросстолк xt
4 ячейки
•послеимпульсы ap
0
5 ячеек 6 ячеек
100 200 300 400
•Темновой счет f
номер канала АЦП
Основные параметры SiФЭУ определяются
из одноэлектронного спектра
•Время восстановления ячейки τ
Очень важно –PDE, усиление, кросстолк
(послеимпульсы) определяются независимо

параметры SiФЭУ
Усиление и эффективность регистрации света
в зависимости от напряжения смещения
20
40
Усиление ячейки M, 10 5
15
10
5
0
0
0 1 2 3 4 5 6
U пробой
=48V
Перенапряжение ΔU=U-U пробой , V
30
20
10
Эффективность регистрации света ε , %

параметры SiФЭУ
Скорость счета темновых импульсов SiФЭУ в
зависимости от перенапряжения для разных
температур
1
Dark rate, MHz
0,1
1x1mm type 100B
T = +30 0 C (U bd
=33,56)
T = +25 0 C (U bd
=33,44)
T = +20 0 C (U bd
=33,32)
T = +15 0 C (U bd
=33,)
T = +10 0 C (U bd
=33,)
T = +5 0 C (U bd
=33,)
T = 0 0 C (U bd
=33,)
34 35 36 37 38 39
Bias voltage U, V

параметры SiФЭУ
Усиление SiФЭУ для разных температур
Pixel gain. 10 5
30
25
20
15
10
type 100A .
T = +20 U bd
=34,15
T = +15 U bd
=34,04
T = +10 U bd
=33,91
T = +5 U bd
=33,79
T = 0 U bd
=33,65
T = -5 U bd
=33,49
T = -10 U bd
=33,36
T = -20 U bd
=33,08
T = -30 U bd
=32,81
T = -40 U bd
=32,53
T = -50 U bd
=32,26
T = -60 U bd
=31,98
T = -70 U bd
=31,71
T = -80 U bd
=31,43
5
0
32,5 35,0 37,5 40,0
Bias voltage U, V
U breakdown
напряжение пробоя G=0
Перенапряжение ΔU=U-U breakdown
С понижением температуры уменьшается напряжение пробоя U breakdown
-
температурная чувствительность SiФЭУ

параметры SiФЭУ
Напряжение пробоя SiФЭУ в зависимости от температуры
34,0
33,5
Усиление G = C 0
(V-V bd
(T))
G (T 0 ) :0,5 % / 0 C
G(V) 1.2%/50 mV
33,0
U bd
, V
32,5
32,0
31,5
-80 -60 -40 -20 0 20
Temperature T, 0 C
HPK-50: 3 % / 0 C
2.5%/50 mV

параметры SiФЭУ
Время восстановления ячейки
Метод парных импульсов (сравнение амплитуды сигнала SiФЭУ от задержанного
второго светового импульса после засвечивания первым импульсом)
τ=R*C, где R- гасящий резистор, С-емкость ячейки
2000
Recovery tim e. SiPM Z105 (U=60,13). U breakdown
=52,4V. 13/01/2005
LED L53SYC (595nm), t impulse
=10ns, U gen
=-9v, L=1sm.
Amplitude of the second impulse, mV
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Data: Data1_amp
Model: ExpDecay1
Equation: y = y0 + A1*exp(-(x-x0)/t1)
W eighting:
y No weighting
Chi^2/DoF = 565.44691
R^2 = 0.99897
y0 1932.69131 ±11.98254
x0 77.60337 ±--
A1 -1926.00611 ±--
t1 1615.08307 ±37.05734
Charge
first and second impulse arear = (-2,6:10) ns = -10,60622 V*ns
one pixel arear = (-0,4:4)ns = -0,01907 V*ns
N pixels
= 556
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Distance between two light impulses, ns

параметры SiФЭУ

параметры SiФЭУ
Оптическая связь: одна из основных проблем SiФЭУ
Оптическая связь – вероятность, что сработавшая ячейка вызовет
срабатывание другой ячейки
A.Lacaita et al. IEEE TED(1993)
Гейгеровский разряд приводит к
излучению вторичных фотонов
3 фотона с Е>1.14эВ/10 5 носителей
Свечение ячеек SiФЭУ
Эмиссионный микроскоп, MPI

события
события
30000
20000
10000
Влияние оптической связи на сигнал SiФЭУ:
4000
3000
2000
1000
0
параметры SiФЭУ
Одинаковое количество первоначально сработавших ячеек N0
оптическая связь
~ 64%
100 200 300 400
опт. связь
~1%
0
0 200 400 600 800 1000
каналы
N 0 =4.30±0.05 (определено из вероятности «0» сигнала)
0
N
0 − N − N
P (0 )
=
0!
⋅ e
0
=
e
0
•Искажение формы
амплитудного распределения
и ухудшение энергетического
разрешения
•Уменьшение эффективного
динамического диапазона
Пристремленииоптическойсвязи
к 100%, SiФЭУ перестает быть
SiФЭУ и становится лавинным
фотодиодом, работающим в
гейгеровском режиме

параметры SiФЭУ
Влияние оптической связи на шум SiФЭУ
темновой счет, Гц
10 6
10 5
10 4
10 3
10 2
10 1
10 0
10 -1
усиление 7Е5
усиление 1Е6
усиление 1.3Е6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
порог, ячейки
Скорость счета темновых импульсов, Гц
10 7
10 6
Без подавления оптической связи
с подавлением оптической связи
Пуассон
10 5
10 4
10 3
10 2
10 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Порог, ячейки
f пор =f·xt T , где xt-оптическая связь, Т-порог в ячейках
Медленное падение частоты темновых шумов от величины порога - основной
недостаток SiФЭУ с высокой оптической связью
В экспериментах, где требуется вырабатывать «самотриггер», скорости счета
темновых импульсов не позволяют установить минимальный уровень порога.

SiФЭУ сегодня

SiФЭУ сегодня
Подавление оптической связи. SiФЭУ МИФИ
Распространение вторичного
оптического сигнала внутри SiФЭУ:
Подавление вторичного
оптического сигнала внутри SiФЭУ:
Нет защиты от
оптической связи
1. Прямые фотоны
2. Диффузионные носители
3. Фотоны, отраженные от
обратной стороны кристалла
Комплексная защита
канавки
второй p-n-переход
область повышенного поглощения
света на обратной стороне кристалла
и/или в объеме подложки
3
3
2
1
1
2
Комплексная защита подавляет оптическую связь в 50-100 раз.

эффективность регистрации света, %
60
50
40
30
20
10
SiФЭУ сегодня
Параметры SiФЭУ, разработанных в МИФИ (ячейка
100х100 микрон 2 , чувствительная площадь 1х1, 3х3мм 2 )
Спектральная чувствительность
ФЭУ XP2020Q
(согласно
Philips Photonics)
0
300 350 400 450 500 550 600
длина волны λ, нм
SiФЭУ
ΔU=4.7В
Оптическая связь
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Оптическая
связь
MPPC Hamamatsu 3x3мм 2
MPPC Hamamatsu 1x1мм 2
SiФЭУ 3x3мм 2
SiФЭУ 1x1мм 2
0,0
0 1 2 3 4 5 6
Перенапряжение ΔU, В
Рекордные параметры –
чувствительность к коротковолновому свету
+подавление оптической связи
SiФЭУ, чувствительных к свету 175 нм, нет

SiФЭУ в ФВЭ
Прототип тайлового адронного калориметра на основе
SiФЭУ для международного линейного коллайдера
(коллаборация CALICE, МНТЦ проект 3090 (2005-2007))
пучок
7620 SiФЭУ – первое в мире массовое применение
SiФЭУ изготовлены совместно МИФИ-ПУЛЬСАР, протестированы в ИТЭФ

SiФЭУ в ФВЭ
Исследования прототипа тайлового адронного
калориметра на тестовых пучках в DESY, CERN и FNAL
Реконструкция ливней
Энергетическое разрешение
адронных ливней
E
E
Фит: 45.3% ⊕ 1.97% ⊕ 0.966%
E
E

SiФЭУ в космосе
Международная космическая станция
15 апреля,2005
Эксперимент “LAZIO”(МИФИ-INFN коллаборация)
Зависимость интенсивности потока
космических частиц от широты
Научная задача:Измерение потоков частиц низкой энергии и радиационный
контроль
Техническая задача :проверка работы SiФЭУ в космосе

SiФЭУ в LXe
Vacuum UV detection by SiPM (LXe scintillation, 178nm,-95C):
E.Aprile,P.Cushman,K.Nu,P.Shagin
The goal:LXe detectorwith very low threshold
for dark matter WIMPs search

УФ SiФЭУ
Разработка SiФЭУ для регистрации
излучения 175 нм
Эффективность регистрации света ε:
ε=Т*QE*G(U)*A,
где
T-коэффициент пропускания света,
QE- внутренняя квантовая эффективность,
G(U) – вероятность развития гейгеровского
разряда,
А – доля активной площади ячейки SiФЭУ
Возможна независимая оптимизация всех
факторов
Активная
область
ячейка
Считаем, что G(U) и А нами уже оптимизированы
Задача для регистрации света 175нм: оптимизировать Т и QE

УФ SiФЭУ
SiФЭУ, разработанные в МИФИ
100
PDE = T ⋅QE
⋅ A⋅G(U)
Просветление (расчет)
100
80
Внутренняя квантовая
эффективность
80
Internal QE
60
40
InternalQE =
QE
AR
Efficiency, %
60
40
20
PDE для SiФЭУ 100В (эксп)
0
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Wavelength λ, nm
Внешняя
квантовая
эффективность
(эксперимент)
A*Geiger(U)
20
100
0
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
80
60
40
20
A=80%
Geiger=1
Wavelength λ, nm
A ⋅ Geiger(
U ) =
0
200 300 400 500 600 700
Wavelength λ, nm
PDE
QE

УФ SiФЭУ
Просветление SiФЭУ
1
Френелевское
отражение
воздух
воздух
Si
Si
2
Интерференция в тонких
пленках
нитрид
оксид
Прохождение света внутрь кремния, %
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
1
0,0
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
2
Длина волны света, нм
Френель
300_50
300_70
300_10

УФ SiФЭУ
Просветление SiФЭУ
7
6
5
показатели
4
3
2
175 нм
преломления n
экстинкции k
1
0
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
длина волны света, нм

QE SiФЭУ
Глубина поглощения света в кремнии
10000
глубина поглощения света, нм
1000
100
10
1
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
длина волны света, нм
Типичная толщина
входного
окна SiФЭУ
Свет с длиной волны ~400 нм и менее поглощается в
необедненном слое входного окна – носители должны попасть в
область высокого поля – ВНУТРЕННЯЯ КВАНТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

QE SiФЭУ
Квантовый выход в кремнии от энергии фотона
для разных температур
8
7
Энергия фотона
6
5
4
3
2
1
0
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
длина волны света, нм
При энергии фотона >3еВ (

Технология!
Послеимпульсы
1000
Темновой счет SiФЭУ в зависимости от
перенапряжения для разных температур
Темновой счет, кГц
100
10
1
T = 0 0 C
T = -10 0 C
T = -20 0 C
T = -30 0 C
T = -40 0 C
T = -50 0 C
T = -60 0 C
T = -70 0 C
T = -80 0 C
Проблема!
Возможно,
0 1 2 3 4 5 ловушки
Перенапряжение, В
(послеимпульсы)

Послеимпульсы
Темновые импульсы и
послеимпульсы SiФЭУ при низкой
температуре

УФ SiФЭУ
Разработка новых модификаций SiФЭУ
Для каждого из приложений
необходима разработка
SiФЭУ с оптимальными
параметрами –
Технологическое
моделирование одной ячейки
SiФЭУ в программе DIOS ISE
•количество ячеек,
•площадь чувствительной
поверхности,
•спектральный диапазон
•амплитуда выходного
сигнала
• ит.д..
Компьютерное моделирование ISE TCAD

Выводы
• В МИФИ разработаны SiФЭУ с рекордной
эффективностью ≥ 50% для света с длиной волны
350 − 450 нм и одновременно с низким уровнем
оптической связи 3−6%.
• Оптимизированы геометрическая и гейгеровская
эффективность.
• Задачи для разработки SiФЭУ с чувствительностью к
свету с длиной волны 175нм:
o оптимизация просветляющего покрытия;
o оптимизация входного окна (внутренней квантовой
эффективности);
o подавление послеимпульсов для обеспечения
работы при температуре LXe.

• Backup slides

Cooled SiPM matrixes module for astropartical applications
P. Buzhan et al. / NIM A 610 (2009) 131–134
SiPM 5x5mm2 signals
Δ=20ns
50 Ohm
load
Cooled module with 4 SiPMs 5x5mm2
Δ=2.5ns
Specially
designed
FE

Timing with 3x3mm 2 100B SiPM
40ps laser 405nm single photon mode
T=-40C
Count
700
600
500
400
300
200
100
U=38 V
FWHM = 205 ps
FWHM, ps
400
350
300
250
200
150
100
50
0
540 560 580 600 620 640 660
20 ps/ch
0
33 34 35 36 37 38
U, V
Best value for 3x3mm 2 100B SiPM is 205 ps (FWHM)

Voltage stability SiPM 100B for 5V (15%) overvoltage
32
16
0,12
12
Gain *10 5
28
24
20
16
12
8
4
0
0
0 1 2 3 4 5 6
60
Overvoltage (U), V
dG
GdU
14
12
10
8
6
4
2
Relative gain variation, %/100mV
2.0%
( 5V
) =
100 mV
6
crosstalk xt
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0 1 2 3 4 5 6
Overvoltage, V
dxt
xtdU
10
8
6
4
2
0
Relative xt variation, %/100mV
5.6%
( 5V
) =
100mV
PDE(435nm), %
50
40
30
20
10
4
2
Relative pde variation, %/100mV
dε
0.25%
( 5V
) =
εdU
100mV
0
0
0 1 2 3 4 5 6
Overvoltage, V

Temperature stability SiPM 100B
ΔV=4V (12%) overvoltage for T=20ºC
33,6
24
33,4
26.4±0.4mV/ºC
23
var = 0,5 % / 0 C
Ubreakdown (V)
33,2
33,0
Pixel gain. 10 5
22
21
20
32,8
0 5 10 15 20 25 30
Temperature, C
19
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Tem perature T, 0 C
Number of pixels fired (595nm)
1,65
1,60
var = 0,2 % / 0 C
1,55
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Temperature T, 0 C
Crosstalk
0,05
0,04
0,03
var = 2,1 % / 0 C
0,02
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Temperature T, 0 C

Main SiPM’s parameters. Intrinsic jitter.
1000
800
Laser in single photon mode
3x3mm
1x1mm 2 2
Temperature -40C
Room temperature
1x1 mm 2
576 pixels (42 μm)
700
600
Count
600
400
FW HM=140 ps
events
500
400
300
U=38 V
FWHM = 205 ps
200
200
100
0
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
TDC channel (1 ch=5 ps)
0
540 560 580 600 620 640 660
20 ps/ch
35ps FWHM timing resolution was measured with100μm SPAD using single photons
A.Gulinatti, P.Maccagnani, I.Rech, M.Ghioni and S.Cova

Main SiPM’s parameters.
Jitter vs light intensity.
σ ~
1
N phe
ADVANCED TECHNOLOGY & PARTICLE PHYSICS Proceedings of the 7th International Conference on ICATPP-7
Villa, Olmo, Como, Italy, 15 - 19 October 2001
B.Dolgoshein et al.“THE ADVANCED STUDY OF SILICON PHOTOMULTIPLIER”

CPTA(Golovin)/Photonique SSPM
SiPMs with 60-80% geometric factor (for 50-100 μm cell pitch) were produced
High sensitivity in green-red region
With optical crosstalk suppression

Zecotek
Y. Musienko (Iouri.Musienko@cern.ch)

Послеимпульсы
Послеимпульсы
Частота послеимпульсов, с -1
10 7
Т=20С
10 6
10 5
10 4
10 3
10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2
задержка после срабатывания, μc