Методика оценки и сравнения кремниевых фотоумножителей

Кремниевый фотоумножитель (SiPM) представляет собой детектор чувствительный к единичным фотонам, который сочетает в себе эксплуатационные характеристики, превосходящие традиционные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), с практическими преимуществами твердотельного сенсора. Кремниевый фотоумножитель изготовлен на основе множества микроячеек, представляющие собой плотно упакованные лавинные фотодиоды, работающие в гейгеровском режиме (SPAD сенсоры), со встроенными шунтирующими резисторами, которые преобразуют двоичный сигнал с этих микроячеек в единый аналоговый сенсор. Более глубокое введение в технологию может быть найдено в статье [1].

Кремниевые фотоумножители впервые стали коммерчески доступными в 2005 году, и с тех пор было сделано множество различных улучшений параметров, и всё большее количество производителей выпускают эти детекторы для продажи. Выбор оптимального датчика для конкретной задачи может оказаться достаточно сложным вследствие большого выбора детекторов доступных на рынке. В этой статье рассматриваются некоторые из основных факторов, которые необходимо учитывать при выборе подходящего сенсора для Вашего применения. Ниже будут обсуждаться вопросы производительности, однородности параметров и надёжности, техническая поддержка продукта.

Параметры производительности

Чувствительность и эффективность регистрации фотонов (PDE)

Для большого количества прикладных задач эффективность регистрации фотонов (Photon Detection Efficiency - PDE) является основным параметром. Она является мерой чувствительности датчика, и определяется как процент падающих фотонов, которые будут усилены высоким внутренним коэффициентом усиления для создания измеряемого сигнала. Лучшие в своём классе кремниевые фотоумножители сейчас приближаются, а как в случае с SiPM детекторами компании SensL, превышают пиковое значение PDE>50%. Кривая PDE является функцией длины волны (Рис.1.) и также зависит от напряжения смещения (Рис.2.). Эффективность регистрации фотонов кремниевых фотоумножителей разных производителей существенно различается и даже между несколькими датчиками одного производителя, в зависимости от типа датчика (см. раздел посвященный микроячейкам в SiPM в статье [1]). Важно также учитывать чувствительность SiPM детектора, которая показана на рис.3. Из-за высокого внутреннего усиления чувствительность SiPM остаётся высокой в широком спектральном диапазоне.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• имеет ли SiPM детектор достаточную чувствительность на необходимых для применения длинах волн? Оптимальная производительность детектора будет на длине волны, где находится пик чувствительности/PDE, но благодаря высокой чувствительности SiPM также хорошо регистрирует фотоны вне области пика.
• какое перенапряжение необходимо приложить к SiPM детектору для достижения максимального значения PDE и как это влияет на другие параметры производительности?
  

Рисунок 1 - Зависимость PDE как функции длины волны и напряжения смещения

Рисунок 2 - Зависимость PDE как функция перенапряжения

Рисунок 3 - Зависимость чувствительности как функция длины волны и напряжения смещения

Скорость темнового счёта (DCR)

Скорость темнового счёта (Dark current rate - DCR) является основным источником шума в кремниевых фотоумножителях. Она определяется как скорость счёта на уровне одного фотона, которая создается тепловой генерацией электронов в активной области кремния, а не за счёт падающего на SiPM источника света. Параметр скорости темнового счета является особенно важным при регистрации слабого свечения или в задачах с длительным временем интегрирования. Тем не менее, в любом применении, скорость темнового счета влияет на соотношение сигнал/шум. Типовое значение скорости темнового счёта для SiPM детекторов SensL составляет 30 кГц/мм². Важно отметить, что скорость счёта будет расти при увеличении размера сенсора. На рис.4. показана зависимость скорости темнового счета от перенапряжения (рис. 4) и температуры.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• указана ли скорость темнового счета на 1 мм² активной области или для всей площади SiPM детектора?
• является ли скорость темнового счета SiPM детектора достаточно низкой, чтобы достичь требуемого соотношения сигнал/шум?
  
• скорость темнового счета меняется в зависимости от приложенного к SiPM детектору перенапряжения и температуры – проверьте значение этих параметров, когда они принимаются во внимание;
  
• параметр DCR указан для самых дорогих SiPM детекторов или он одинаков для всей линейки продукции производителя SiPM детекторов?
  

Рисунок 4 - Скорость темнового счета в зависимости от приложенного перенапряжения

Эффекты кросс-ток и послеимпульсы

Эффекты кросс-ток (cross-talk) и послеимпульсы (afterpulsing) представляют собой два вида помех, которые вызывают возникновение нежелательного шума. Объяснения этих эффектов можно найти в статье [1]. Оба явления указываются в процентах вероятности их возникновения для каждого зарегистрированного SiPM детектором фотона. Измерения слабых световых сигналов могут быть ухудшены, если значения этих параметров слишком высоки, хотя это сильно зависит от применения. Недавние исследования показывают, что эффект кросс-ток может оказывать минимальное влияние на определение значения временного разрешения схемы совпадений (CRT-coincidence resolving time) в позитронно-эмиссионной томографии, но они имеют важное значение для использования кремниевых фотоумножителей в новом большом телескопе для регистрации черенковского излучения.

Как эффект кросс-ток, так и послеимпульсы увеличиваются с ростом перенапряжения и размером микроячейки в SiPM детекторе [1]. Существуют большие различия в этих параметрах у кремниевых фотоумножителей разных производителей. Некоторые производители добились определенного успеха в реализации «канавочной» технологии (trench technology), представляющая собой нанесенные канавки между отдельными микроячейками в SiPM детекторе, которая раньше считалась лучшим способом для снижения эффекта кросс-ток. Тем не менее на сегодняшний день одни из самых низких значений эффекта кросс-толк у представленных на рынке кремниевых фотоумножителей, которые не имеют канавок между микроячейками.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• важны ли эффекты кросс-ток и послеимпульсы для Вашей задачи?
• не считайте, что наличие канавок между микроячейками гарантирует лучшие параметры для снижения эффекта кросс-ток.

Время нарастания и восстановления

Время нарастания в микроячейке кремниевого фотоумножителя очень быстрое, однако в наблюдаемом выходном сигнале преобладает импеданс общего массива SiPM. Производители оптимизируют данный параметр, чтобы обеспечить быстрый временной сигнал. Типовые времена нарастания для быстрых SiPM детекторов составляют единицы наносекунд.

Время восстановления или время затухания импульса определяется в первую очередь периодом сброса заряда микроячейки, который определяется эффективной ёмкостью мироячейки и значением шунтирующего резистора. Поскольку ёмкость микроячейки зависит от её площади, то время сбрасывания заряда микроячейки будет различаться для разных размеров микроячеек. Дополнительным фактором, влияющим на время восстановления, является последовательное сопротивление от остальной части SiPM детектора, которое будет более значительным для детекторов большой площади.

Для обеспечения наилучших временных характеристик компания SensL добавила третий электрод (в дополнение к аноду и катоду), который обеспечивает специальный быстрый выход для достижения лучшего времени нарастания сигнала, рис. 5. Быстрый выход имеет ёмкостную связь с каждой микроячейкой, в то время как выходной сигнал является производной от внутреннего быстрого переключения микроячейки в ответ на регистрацию единичных фотонов. Эти быстрые выходные сигналы обычно имеют времена нарастания от 300 пс до 1 нс и длительность импульса от 600 пс до 3 нс (в зависимости от размера SiPM детектора).

Типовые сигналы с быстрого и стандартного выхода кремниевого фотоумножителя SensL можно увидеть на рис.5. Этот сигнал может быть использован для проведения сверхбыстрых временных измерений, использую способность чётко отличать время прибытия первого фотона в импульсе, а также обеспечивать высокую скорость счёта или возможности для регистрации времени прихода второго фотона. Помимо улучшения временных характеристик быстрый выход имеет значительно более низкую ёмкость, которая может быть полезна при создании схем считывания для SiPM детекторов. Быстрый выход SiPM детектора с активной областью 1 мм имеет собственную ёмкость 1 пФ, в то время как считывание сигнала с анода или катода будет иметь емкость около 100 пФ.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• являются ли требования к временным параметрам или скорости счёта критически важными для Вашей задачи? Нужно иметь в виду использование быстрого выхода. Если нет, тщательно изучите различные размеры SiPM детекторов и/или размеры микроячеек.

Рисунок 5 - Формы выходного сигнала с быстрого и стандартного выхода с SiPM детектора SensL

Производительность системы

Напряжение пробоя и рабочее напряжение смещения

Напряжение пробоя (V_BR) это точка смещения, при которой напряжённость электрического поля генерируемая в обеднённом слое кремниевого фотоумножителя, является достаточной, чтобы создать гейгеровский разряд. Типовое напряжение пробоя в SiPM детекторах SensL составляет около 24.5 В. Компания SensL рекомендует выбирать напряжение смещения (Vbias) между 1 В и 5 В выше напряжения пробоя. Поэтому для SiPM детекторов SensL Vbias составляет <30 В, контрастирующее с некоторыми SiPM детекторами других производителей, которые имеют Vbias примерно от 50 В до более чем 100 В. Преимущество низкого напряжения смещения заключается в том, что SiPM детектор соответствует директиве «сенсоров с низким рабочим напряжением». Ещё одним фактором, относящимся к напряжению смещения, является возможный разброс типового значения напряжения смещения. Эта однородность значения напряжения смещения может быть жестко ограничена при серийном производстве SiPM детекторов, как например в случае компании SensL, все изготавливаемые SiPM детекторы которой имеют разброс напряжения смещения не превышающий ± 250 мВ [5]. Это особенно важно при использовании большого количества кремниевых фотоумножителей в одной системе, например в калориметре или годоскопе. Если напряжение смещения Vbias изменяется слишком сильно от детектора к детектору, то потребуется индивидуальная настройка смещения.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• есть ли преимущество использовать SiPM детектор с низким напряжением смещения?
• несколько SiPM детекторов, которые используются в единой системе, они могут быть подключены от общего напряжения смещения?
  
• если производитель согласится предоставить кремниевые фотоумножители в пределах узкого диапазона разброса напряжения пробоя Vbr, это повлияет на выбор? А если это увеличит стоимость SiPM детектора?
  
• принимаются ли во внимание напряжение питания и потребляемая мощность SiPM детекторов?
  

Температура

Температура влияет как на напряжение пробоя, так и на скорость темнового счета SiPM детектора. В кремниевых фотоумножителях компании SensL используется тонкий обедненный слой и малые уровни залегания легирующей примеси, которые позволяют получить в детекторах низкие значения напряжения пробоя Vbr. Температура, как известно, влияет на напряжение пробоя кремниевых диодов, и детекторы с меньшим значением Vbr гораздо менее чувствительны к изменению температуры, чем датчики с высоким значением Vbr. Все кремниевые фотоумножители компании SensL имеют температурную зависимость только 21.5 мВ/^oC, тогда как высоковольтные SiPM детекторы с большим напряжением пробоя будут иметь большее изменение температуры, как показано на рис. 6. Поскольку скорость темнового счета непосредственно связана с тепловой генерацией электронов, этот шум также увеличивается с ростом температуры и является одним из лимитирующих факторов использования датчиков в задачах, где SiPM детекторы работают при повышенных температурах. Наоборот, охлаждение кремниевого фотоумножителя снижает скорость темнового счета таким образом, что каждое понижение температуры на 20 ^oC обеспечивает снижение этого фактора в 10 раз (один порядок величины). Некоторые недавние исследования показали, что при температуре жидкого аргона скорость темнового счета SiPM детектора составила <10 Гц/мм² при напряжении Vbr+5 В [2]. Схемы температурной компенсации могут быть использованы для корректировки изменения напряжения смещения SiPM детектора с изменением температуры, но увеличение скорости темнового счета может быть снижено только с помощью активного охлаждения детектора.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• колебания температуры в Вашем применении требуют схемы компенсации напряжения смещения SiPM детектора?
• при более высоких рабочих температурах является ли увеличение скорости темнового счета SiPM детектора допустимым?

Рисунок 6 - Изменение рабочего напряжения от температуры для низковольтного SiPM детектора SensL в сравнении с высоковольтным SiPM другого производителя

Применение в конкретной задаче

Выбор конкретного кремниевого фотоумножителя может в конечном счёте сводится к параметру производительности, который является характерным для данной задачи

Некоторые примеры:

Временное разрешение схемы совпадений (CRT) важно для задач в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Значение CRT влияет на общее качество получаемого изображения системы и становится наиболее важным параметром в коммерческих конструкциях ПЭТ систем. Величины PDE и SPTR (однофотонное временное разрешение – Single Photon Timing Resolution) являются параметрами SiPM детектора, которые в данном конкретном случае имеют наибольшее влияние.

Энергетическое разрешение гамма излучения важно в спектроскопических задачах, таких как радиационные портальные мониторы и гамма-спектрометры для обнаружения угроз в системах безопасности. Более высокое энергетическое разрешение детектора позволяет точно идентифицировать различные изотопы. Хорошее энергетическое разрешение зависит в первую очередь от наличия высокого PDE SiPM детектора, однако, в области низких температур эффект кросс-ток может также иметь большое значение для этого применения.

В таких прикладных задачах, как ЛИДАР и распознавание жестов, требуются исключительные временные параметры для достижения наилучшего пространственного разрешения с целью определения дальности до исследуемого объекта. В этих задачах число отраженных от объекта фотонов может быть очень небольшим, поэтому низкий уровень шума и высокое значение однофотонного временного разрешения являются основными факторами.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• существуют ли какие-либо параметры, которые важны для Вашего конкретного применения и какие рабочие характеристики SiPM детектора влияют на производительность всей системы?

Корпусирование

Корпусирование кремниевого фотоумножителя, а именно тип корпуса, в который монтируется чип SiPM детектора, и соединение его контактов, также имеют важные особенности при использовании в некоторых задачах. Некоторые характеристики различных корпусов приведены в таблице 1.

Форм фактор

Самой очевидной особенностью при обсуждении типа корпуса кремниевого фотоумножителя является его форм-фактор (форма и размер), а также тип контактов входных/выходных сигналов (штырьки или контактные площадки).

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• должен ли SiPM детектор быть компактным, чтобы поместиться в миниатюрной системе?
• должна ли быть сведена к минимуму мёртвая зона между гранями активной области чипа SiPM детектора, чтобы позволить сформировать плотноупакованный массив (матрицу) из SiPM детекторов [3]?
• есть ли предпочтение к штырьковому разъему, к которому обычно припаиваются ручным паяльником или к контактным площадкам, которые монтируются методом пайки расплавления дозированного припоя?

Оптическое пропускание/поглощение света

Прозрачный материал, используемый для инкапсуляции (корпусирования) кремниевого фотоумножителя, может оказывать влияние на кривую PDE, как показано на рис. 7. Стекло используемое в новом TSV корпусе кремниевых фотоумножителей SensL имеет значительное преимущество по сравнению с MLP (SMT) корпусом регистрации света в ультрафиолетовой области спектра. Это расширение в УФ область спектра стало возможным без использования силиконовой резины или тонких пленок, которыми покрывают различные корпуса фотодиодов.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• используются ли в Вашем применении длины волн, которые могут поглощаться материалом входного окна корпуса SiPM детектора?

Рисунок 7 - Кривая PDE для различных типов корпусов SiPM детектора

Магнитная совместимость

В некоторых задачах наличие в корпусе детектора магнитных материалов может быть проблемой. Одной из таких задач является позитронно-эмиссионная томография совмещенная с магнитно-резонансной томографией (ПЭТ-МРТ), где используются магнитные поля индуктивностью до 3 Тл. Было показано, что сами кремниевые фотоумножители не подвержены влиянию магнитного поля [5], но в некоторых случаях ферромагнитные металлы на основе сплавов железа используемые в корпусах SiPM детекторов могут нарушить магнитное поле, вызывая незначительные искажения получаемого изображения. Однако TSV корпус SiPM детекторов компании SensL имеет преимущество, заключающееся в отсутствии каких-либо ферромагнитных металлов, например никеля.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• существуют ли в Вашем применении какие-либо магнитные поля, которые могут быть затронуты ферромагнитными материалами, содержащимися в корпусе SiPM детектора?

Радиационная чистота

Материалы, используемые для создания корпуса кремниевого фотоумножителя, могут содержать следы радиоактивных элементов, таких как U238, Ra226 и Th232, которые обеспечивают небольшое количество фонового счёта в определённых условиях низкой освещённости, например в исследовательских задачах, таких как обнаружение тёмной материи, это может быть значительной проблемой. В недавней работе [4] показано, что кремниевые фотоумножители SensL в MLP (SMT) корпусе обладают очень высокой степенью радиационной чистоты, что соответствует стандартам необходимым для таких применений как обнаружение тёмной материи и регистрации двойного бета-распада. Стоит отметить, что параметры радиационной чистоты не являются проблемой для большинства традиционных применений кремниевых фотоумножителей.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• будет ли влиять наличие следов радиоактивных элементов в корпусе SiPM детектора на проведение эксперимента?

Чувствительность к влажности

Существуют практические соображения связанные с тем в каком виде кремниевые фотоумножители поставляются заказчикам и хранятся до их фактического использования. Эти вопросы обычно важны при поставке SiPM детекторов в больших объёмах. Кремниевые фотоумножители в MLP (SMT) и TSV корпусе компании SensL поставляются на ленте в катушках (3000 детекторов), которые подходят для использования в стандартных системах для автоматизированной пайки. Такой параметр как MSL (Moisture Sensitivity Level – уровень чувствительности к влаге) определяет как долго кремниевые фотоумножители могут храниться в оригинальной запечатанной упаковке, прежде чем они потребуют дополнительной процедуры выпекания предшествующей автоматизированной пайке. Кремниевые фотоумножители SensL в корпусе MLP (SMT) имеют MSL рейтинг №3 (из 5 возможных уровней), который является отраслевым стандартом для интегральных схем. SiPM детекторы SensL в TSV корпусе имеют наивысший возможный рейтинг №1 для поверхностного монтажа. Стоит отметить, что корпуса кремниевых фотоумножителей, которые заливают эпоксидной смолой, не имеют MSL рейтинга, поэтому не могут использоваться для автоматизированной пайки.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• имеет ли контрактный производитель определённые требования к хранению кремниевых фотоумножителей перед сборкой, которые могут повлиять на выбор типа корпуса для SiPM детектора?

Таблица 1 - Характеристики различных корпусов SiPM детекторов.

Параметры	Корпус залитый эпоксидной смолой	Прозрачный MLP (SMT) корпус	TSV корпус
Коэффициент заполнения при изготовлении матрицы	хороший	хороший	наилучший
Оптическое пропускание	низкое	хорошее	наилучшее
Выходной импеданс	низкий	хорошее	наилучший (тема для дальнейших исследований)
Рабочая температура	-20 0C – 40 0C	- 40 0C – 85 0C	-40 0C – 95 0C
Надёжность	механическая обработка: снижение надежности	хорошая	наилучшая (тема для дальнейших исследований)
Срок службы	пожелтение эпоксидного покрытие плохо контролируется	хороший	наилучший (тема для дальнейших исследований)
Однородность и воспроизводимость параметров	плохая	хорошая	хорошая (тема для дальнейших исследований)
Стоимость	не рекомендуется для серийного производства. Подходит для научных исследований и тестирования прототипа.	низкая	низкая, но выше чем для MLP (SMT) корпуса на единицу площади при использовании в матрицах с высокой плотностью SiPM детекторов с использованием минимальной мертвой зоны

Производственные возможности, надёжность и однородность параметров

Производственные возможности и тестирование

Производственные возможности влияют на качество и надёжность кремниевых фотоумножителей, тестирование определяет вероятность отличия параметров детекторов от заданной производителем спецификации. Компания SensL использует производственную и упаковочную линию, которые обеспечивают 100% тестирование кремниевых фотоумножителей. Обработка кремниевых пластин осуществляется на КМОП фабрике с использованием стандартного КМОП процесса на 8-дюймовых пластинах. С целью обеспечения качества выпускаемой продукции проводится тестирование мониторинга контроля технологических процессов, при этом выполняется 1 000 000 различных тестов для каждой партии SiPM детекторов. Любые отбракованные при тестировании детекторы не допускаются до стадии корпусирования.

Процесс корпусирования кремниевых фотоумножителей разработан для осуществления серийного производства большого объёма детекторов и также включает в себя 100% тестирование конечных изделий посредством измерения темнового тока и проведения оптического контроля. Все SiPM детекторы, не прошедшие эти тесты, удаляются из партии и уничтожаются. Все SiPM детекторы, удовлетворяющие результатам тестов и спецификации на изделия, поставляются компанией SensL на ленте в катушках.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• обеспечивает ли имеющийся производитель SiPM детекторов высококачественный продукт?
• имеющийся производственный процесс соответствует объёму производства и удовлетворяет требованиям применения заказчика к однородности параметров SiPM детекторов, когда продукт вышел на полную производственную мощность?

Однородность напряжения пробоя и оптического тока

Результатом высококачественного производства и 100% тестирования является кремниевый фотоумножитель с высокой однородностью (повторяемостью) параметров, как с точки зрения разброса напряжения пробоя, так и оптического тока при заданном уровне освещения. Гистограммы показанные на рисунке 8 и 9 показывают результаты тестирования более чем 100 000 кремниевых фотоумножителей компании SensL. Напряжение пробоя показывает однородность ±221 мВ с оптической однородностью < ±9%.

Моменты, которые необходимо учитывать при выборе SiPM детектора:

• является ли необходимым условием поставка SiPM детекторов с однородным напряжением пробоя и другими характеристиками от партии к партии?

Рисунок 8 - Однородность напряжения пробоя измеренная для более чем 100 000 SiPM детекторов SensL

Рисунок 9 - Однородность оптического ток измеренная для более чем 100 000 SiPM детекторов SensL

Надёжность

Тестирование кремниевого фотоумножителя на надёжность должно быть обязательным условием для любого пользователя, который намерен использовать SiPM детектор в своей системе. Проблема состоит в том, что не существует стандартной программы оценки надёжности кремниевых фотоумножителей или других оптоэлектронных детекторов. Для тестирования собственных кремниевых фотоумножителей компания SensL решила применить отраслевые стандарты схемы последовательности работ при проведении испытаний разработанные для тестирования интегральных схем. Схемы последовательности работ при проведении испытаний SiPM детекторов описаны более подробно в [6] и выполняются на производстве кремниевых пластин и корпусов для каждого типа продукта на основе кремниевых фотоумножителей SensL.

Моменты, которые необходимо учесть при выборе SiPM детектора:

• были ли SiPM детекторы подвергнуты обширным испытаниям по надёжности согласно стандартам JEDEC, действующим для интегральных схем?

Техническая поддержка и документация

Оптимальный кремниевый фотоумножитель должен быть выбран на основе всех факторов, описанных в этой статье: производительность, тип корпуса, надёжность, однородность параметров. Однако при окончательном рассмотрении стоит учитывать помимо перечисленных факторов ещё и техническую поддержку предлагаемой производителем продукции. Компания SensL имеет сильную приверженность оказывать техническую поддержку пользователям, использующим кремниевые фотоумножители SensL. Это особенность реализуется различными путями – контакты с группой инженеров и разработчиков SiPM детекторов, разнообразная техническая документация от справочных данных и руководств пользователя до заметок и интернет-статей в академической научной библиотеке, которая собирает все опубликованные журнальные статьи, где упомянуты применения кремниевых фотоумножителей SensL.

Моменты, которые необходимо учесть при выборе SiPM детектора:

• хорошо ли обеспечивается техническая поддержка продукта в случае возникновения проблем?
• если у меня есть вопрос, у меня есть техническая поддержка со стороны производителя?
  
• я начинающий специалист/эксперт в области кремниевых фотоумножителей. Есть ли документация, соответствующая моему уровню знаний?