北京师范大学 核科学与技术学院 新器件实验室,北京 100875
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15 μm、有效面积为9 mm2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/mm2、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6 μm、有效面积为9 mm2、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/mm2、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。
硅光电倍增器 外延淬灭电阻 光子探测效率 暗计数率 动态范围 silicon photomultiplier epitaxial quenching resistor photon detection efficiency dark count rate dynamic range 红外与激光工程
2022, 51(7): 20210587
1 北京师范大学 核科学与技术学院 新器件实验室, 北京 100875
2 集成光电子学国家重点实验室, 北京 100083
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15 μm和7 μm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4 400个/mm2和23 200个/mm2, 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; 15 μm和7 μm 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%。
硅光电倍增器 外延淬灭电阻 单光子 高探测效率 高增益 大动态范围 Silicon Photomultiplier (SiPM) Epitaxial Quenching Resistance (EQR) single photon detection high detection efficiency high gain large dynamic range
西安建筑科技大学 理学院, 陕西 西安 710055
硅光电倍增器(SiPM)是近年来迅速发展起来的新型固态弱光探测器, 有望取代传统的光电倍增器(PMT)用于拉曼检测中。为了解决拉曼检测中的荧光干扰以及SiPM的高暗计数率的缺陷, 建立了基于SiPM为光探测器的时间分辨拉曼光谱测量系统。以三硝基甲苯(TNT)为样品, 重点研究了其拉曼峰的峰本比(PBR)随选通时间的变化规律。结果表明: 随着选通时间增大, 拉曼峰的PBR 呈现先增大后减小的趋势, 最后变化缓慢。当选通时间为400 ps时, 该方法所测得拉曼峰的PBR要优于商业拉曼谱仪和参考文献[12]采用的门控方法的结果, 并且此时系统所记录的SiPM暗计数水平与PMT相当。该方法在很大程度上实现了对样品荧光和SiPM高暗计数率的抑制, 显著提高了拉曼谱的PBR。
时间分辨拉曼光谱 硅光电倍增器 峰本比 三硝基甲苯 time-resolved Raman spectroscopy Silicon Photomultiplier (SiPM) peak-to-background ratio trinitrotoluene (TNT) 红外与激光工程
2018, 47(10): 1020004
1 西安工程大学 理学院 物理系, 西安 710048
2 加拿大粒子加速器中心(TRIUMF), 温哥华 V6T2A32
为了研究硅光电倍增器(SiPM)在低温下能否正常工作, 选取了两种典型的SiPM, 通过液氮制冷方式, 对SiPM在不同温度下的反向伏安特性进行了研究。结果显示, 不同SiPM的过偏压范围(VB~Vb)随温度的变化差别很大, 并且微量水蒸气凝结仅对未封装的SiPM伏安特性的Vb~VB段有明显影响。分析实验结果得出, SiPM正常工作电压的范围在很大程度上受到衬底材料中缺陷和陷阱浓度的影响。在低温下工作的SiPM, 要求其衬底材料中缺陷和陷阱的浓度更低。在进行SiPM的低温应用和测量时, 应密切监视偏压加在Vb~VB区间时, 器件的电流是否有变化, 而不能只观察击穿之前SiPM的漏电情况。
硅光电倍增器 多像素光子计数器 伏安特性 水汽凝结 silicon photomultiplier multipixel photon counter voltagecurrent characteristic water condensation
1 北京师范大学 核科学与技术学院 新器件实验室, 北京 100875
2 北京市辐射中心, 北京 100875
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1×1mm2, 微单元尺寸为7 μm, 微单元密度高达21 488个/mm2, 测试结果表明:漏电流为10量级, 反向击穿电压为24.5 V, 过偏压为2.5 V时,增益达1.4×105, 室温下暗计数率约为600 kHz/mm2, 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1.8×104个/mm, 光子探测效率为16%(@λpeak=480 nm), 恢复时间为8.5 ns, 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.
光子探测器 硅光电倍增器 外延电阻淬灭 动态范围 光子探测效率 Photon detector Silicon photomultiplier Epitaxial quenching resistance Dynamic range Photon detection efficiency
1 西安理工大学 理学院, 陕西 西安 710048
2 西安工程大学 理学院, 陕西 西安 710048
通过分析多像素光子计数器(MPPC)的工作原理和其光学串话(OC)效应的特点, 提出在使用MPPC输出雪崩信号的幅度或电荷量作为光子计数的参量时, 利用MPPC的OC效应能提高MPPC的光子探测效率的观点, 并从理论上分析了OC效应对光子探测效率的影响。理论分析结果显示, 在这两种光子计数模式下, 利用OC效应能明显提高MPPC的光子探测效率。利用本文模型计算得出当MPPC的雪崩单元数M为1 600个, 忽略OC效应时的光子探测效率等于30%, 光学串话概率等于50%, 以及单脉冲入射光子数均值为10时, 包含OC效应影响的等效光子探测效率可提高50%, 达45%左右。该结果对MPPC在天体物理、粒子物理、荧光光谱探测等弱光探测场合的应用有一定指导意义。
探测器 多像素光子计数器 硅光电倍增器 光子探测效率 光学串话效应 detector multi-pixel photon counter silicon photomultiplier photon detection efficiency optical crosstalk effect
西安工程大学理学院物理系, 陕西 西安 710048
以多像素光子计数器(MPPC)的光电特性和实验结果为基础,通过对传统的工作在线性模式下的雪崩光电二极管的信噪比公式进行修正,得到了适用于MPPC的信噪比表达式。对在随机光子探测模式下的信噪比表达式进行了数值计算和实验验证。数值模拟结果显示在随机光子照射下,最小可探测光子通量的量级为103 count/s, 最小可探测功率量级为10-15 W。对短脉冲光子探测模式下的光子计数信噪比表达式进行了数值分析,结果显示,利用调节合适的光电子数等效阈值进行光子计数的方法能够大大提高探测器的信噪比,该方法相比于传统的光子探测器有明显而独特的优势,在短脉冲弱光探测的场合,诸如脉冲激光测距、高能粒子物理等方面有较大的应用前景。
探测器 多像素光子计数器 硅光电倍增器 信噪比 光电子数等效阈值