应用于大型高能物理实验的硅光电倍增器（SiPM）及其质量控制研究.PDF

第十六届全国核电子学与核探测技术学术年会 应用于大型高能物理实验的硅光电倍增器 （SiPM）及其质量控制研究 李永正，程 岳，王凯君，李伯成，梁 琨，杨 茹，韩德俊 （北京师范大学新器件实验室 /hkxyweb/NDL/index.htm ） 2012年8月 主要内容 研究目的和意义 衬底体电阻淬灭SiPM简介 质量控制规范与流程 总结 一、研究目的和意义 近年来一些大型高能物理实验研究对SiPM提出 了更高的要求，例如欧洲核子中心（CERN ）的 COMPASS实验要求SiPM必须具有非常大的动态范 围和较高的光探测效率（PDE ），单元密度为几 k/mm2 以下的SiPM 已经不再适用。 COMPASS实验要求SiPM尺寸为3 ×3mm2 ，单元 2 密度10000/mm ，光探测效率在500nm处达到12%以 4 上，增益高于3 ×10 ，暗计数率在1p.e.阈值小于 2 1MHz/mm 。 除动态范围、PDE外，SiPM还有其它重要性能参 数，SiPM的测量必须有一个优化的测量规范和流程， 以实现对SiPM的快速筛选和严格的质量控制。 大型高能物理实验对探测器的可靠性、一致性及使 用寿命等有非常严格的要求。 我们以COMPASS实验及某次流片为例，介绍北京 师范大学新器件实验室研制的衬底体电阻淬灭大动态范 围SiPM的新进展、从芯片到器件的检测规范和流程。 二、衬底体电阻淬灭SiPM简介 新器件实验室（NDL ）研制的基于外延层体电 阻淬灭的SiPM能够有效缓解SiPM大动态范围与高 探测效率不能兼得的矛盾。 特点：采用衬底体电阻代替 一般位于表面的多晶硅条电 阻控制雪崩淬灭，避免表面 电阻材料及铝互联线等对光 的遮挡和吸收 。 减小“死区”面积，增大几 何填充因子。对于较小的 APD单元面积和较高的单元 密度也能保持较大的探测效 率。 新器件实验室衬底体电阻淬灭SiPM结构示意图 三、质量控制规范与流程 3.1 器件芯片I-V特性检测 流片工艺结束后，对芯片上SiPM管芯进行严格 的反向I-V特性测量，部分结果如图1所示，记录击 穿电压Vb ， 图1 反向I-V特性 3.2 管壳封装 芯片I-V特性测量后，进行划片封装，对SiPM进 行编号。 图2 TO-5封装后的SiPM示例照片 3.3 单光子分辨谱和增益的测量 弱光照射到SiPM时，激发若干APD单元，SiPM 输出脉冲在多道的分布图就是单光子分辨谱。