硅光電倍增管在輻射探測領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展綜述

光子探測技術(shù)在高能物理、天體物理、醫(yī)學(xué)成像等學(xué)科領(lǐng)域中扮演著重要的角色。特別是在輻射探測應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)單光子高水平的靈敏探測一直是近幾十年以來光電探測器發(fā)展的最終目的。硅光電倍增管（SiPM）技術(shù)作為理想固態(tài)光子探測器研究領(lǐng)域前所未有的嘗試，憑借其出色的性能（增益高、偏置電壓低、時間響應(yīng)快速、對磁場不敏感等），吸引著越來越多研究者的關(guān)注。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，中國工程物理研究院流體物理研究所的科研團(tuán)隊圍繞SiPM的結(jié)構(gòu)原理，回顧、分類、總結(jié)了SiPM在結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用等方面近年來取得的研究進(jìn)展。相關(guān)研究內(nèi)容以“硅光電倍增管在輻射探測領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展”為題發(fā)表在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上。

SiPM的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代Golovin和Sadygov等提出了多像素結(jié)構(gòu)的新光電探測器——SiPM。該模型為當(dāng)前SiPM在各領(lǐng)域應(yīng)用表現(xiàn)出的巨大潛力奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。SiPM的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 SiPM的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展歷程

自21世紀(jì)以來，伴隨半導(dǎo)體制造工藝水平的快速發(fā)展，無論是SiPM的關(guān)鍵技術(shù)還是SiPM商業(yè)化產(chǎn)品均取得了不錯的成績。以SiPM器件結(jié)構(gòu)發(fā)展為例，韓國科學(xué)技術(shù)院設(shè)計了一種新型P-on-N結(jié)構(gòu)SiPM用于藍(lán)光探測。該結(jié)構(gòu)以先注入深N阱再注入淺P+阱的方式形成PN結(jié)，從而確定了SiPM的有源面積和擊穿電壓VBR。但由于PN結(jié)中的無效電場分布，該器件總體上表現(xiàn)出相對較低的光子探測效率（PDE）和相對較高的暗計數(shù)率（DCR）。隨后通過改變快速熱處理（RTP）條件和用于結(jié)形成的離子注入條件，反向電流降低，擊穿電壓降低了近20%，并且藍(lán)光狀態(tài)下的PDE提高了近2倍。意大利布魯諾·凱斯勒基金會（FBK）提出了高密度RGB-SiPM結(jié)構(gòu)，各微單元之間設(shè)置比外延層厚度更深的溝槽，以完全隔離微單元。深溝槽使高電場區(qū)域邊緣與溝槽中心的距離減小至2 μm，使得幾何填充因子顯著提升。國內(nèi)的各科學(xué)研究團(tuán)隊也在SiPM器件結(jié)構(gòu)上取得了巨大的突破。北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院新器件實(shí)驗室提出采用外延淬滅電阻代替?zhèn)鹘y(tǒng)位于探測器表面的多晶硅淬滅電阻方法，研制了外延電阻淬滅型硅光電倍增管（EQR SiPM），大大減小了表面電阻材料對光的吸收與遮擋，增大了光敏區(qū)間，實(shí)現(xiàn)了填充因子與探測效率的最大化。

圖2 新型SiPM結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖：（a）P-on-N結(jié)構(gòu)，（b）RGB-SiPM結(jié)構(gòu)，（c）EQR SiPM結(jié)構(gòu)

目前，在全球范圍內(nèi)，SiPM產(chǎn)品日漸成熟，延續(xù)高探測效率的同時，在光敏面積、暗噪聲、溫度穩(wěn)定性等方面有了極大的改善，其性能基本滿足各個領(lǐng)域的應(yīng)用需求。以光敏面積為3 mm×3 mm的SiPM產(chǎn)品為例，全球部分知名生產(chǎn)商的SiPM產(chǎn)品性能參數(shù)對比如表1所示。

表1 全球部分SiPM研究機(jī)構(gòu)及知名生產(chǎn)公司SiPM產(chǎn)品一覽

SiPM原理

單光子雪崩二極管（SPAD）工作原理

SiPM由成百上千個相同的SPAD構(gòu)成，基于雪崩倍增原理實(shí)現(xiàn)內(nèi)部增益。SPAD本質(zhì)上可以看作一個PN結(jié)，其產(chǎn)生的電場強(qiáng)度隨施加的偏置電壓的增大而增大。當(dāng)偏置電壓過低時，生成的電子-空穴對不會產(chǎn)生額外的倍增。增大偏置電壓使得撞擊光子生成的電子獲得足夠的能量，可以通過電離撞擊生成二次電子-空穴對，獲得較大的倍增。當(dāng)偏置電壓進(jìn)一步增大直至高于擊穿電壓VBR時，空穴與電子均將獲得足夠的能量。此時，耗盡層中的單個載流子在強(qiáng)大的電場環(huán)境下可以持續(xù)發(fā)生雪崩現(xiàn)象。一般可以采用串聯(lián)淬滅電阻降低電流（被動淬滅）或直接降低偏置電壓直至低于擊穿電壓（主動淬滅）的方法來控制雪崩結(jié)束。因此，根據(jù)兩端施加偏置電壓的大小，可將SPAD分為3個工作區(qū)間，分別是光電二極管區(qū)間、雪崩光電二極管區(qū)間和SiPM區(qū)間，如圖3所示。

圖3 SPAD的3種工作模式解析圖

SiPM結(jié)構(gòu)

SiPM也稱為模擬SiPM，基于SPAD同串聯(lián)的淬滅電阻形成并聯(lián)陣列，SiPM的輸出信號是多個SPAD雪崩信號的疊加。傳統(tǒng)的SiPM架構(gòu)及電路陣列模型如圖4所示。SiPM的并聯(lián)陣列結(jié)構(gòu)克服了SPAD無法從輸出信號中確定有多少光子被探測的缺陷。SiPM的輸出信號直接對應(yīng)探測到的光子數(shù)量，因為每個微單元探測到大于一個光子的可能性很小。目前為增大動態(tài)響應(yīng)范圍，單個通道尺寸一般在10~100 μm。

圖4 SiPM示意圖：（a）傳統(tǒng)SiPM結(jié)構(gòu)，（b）SiPM電路陣列結(jié)構(gòu)

重要參數(shù)及特性分析

為了在各應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)SiPM的最佳性能，需要對SiPM的重要參數(shù)及特性進(jìn)行定性描述和理解，如探測效率、光學(xué)串?dāng)_、暗計數(shù)率、溫度依賴性。圖5描述了各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性。

圖5 SiPM主要特性參數(shù)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

SiPM也存在許多可能影響其性能的非理想因素。SiPM的噪聲包括主要噪聲源和相關(guān)噪聲源2種，它們的波形圖及來源如圖6所示。主要噪聲源是指在無光照條件下，由熱攪動或其他因素隨機(jī)產(chǎn)生的電子-空穴對和載流子觸發(fā)雪崩倍增效應(yīng)，導(dǎo)致電流脈沖輸出。暗計數(shù)率（DRC）用于表征該信號的頻率。相關(guān)噪聲源包括即時串?dāng)_、延遲串?dāng)_和外部串?dāng)_。初級雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的光子直接穿越到相鄰的SPAD并觸發(fā)次級雪崩，從而引起即時串?dāng)_。即時串?dāng)_通常發(fā)生在初始雪崩發(fā)生的幾百ps之后，很難在波形圖上準(zhǔn)確測試。延遲串?dāng)_是由于二次雪崩產(chǎn)生的光子被鄰近的SPAD未耗盡層吸收，并擴(kuò)散到SPAD的倍增區(qū)域而產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。該過程的發(fā)生需要一定的時間，通?？膳c主信號區(qū)分開，如圖6所示。外部串?dāng)_的產(chǎn)生是由于初級雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的光子經(jīng)外部閃爍體或保護(hù)窗的反射回到SPAD。

圖6 SiPM噪聲示意圖：（a）SiPM噪聲來源，（b）噪聲波形圖

前端電子學(xué)系統(tǒng)

前端電子學(xué)在各應(yīng)用中為最大程度發(fā)揮SiPM的特性和優(yōu)點(diǎn)起到重要作用。不適合的前端電子讀出電路將限制SiPM的性能。例如，在高密度的SiPM陣列應(yīng)用中，使用成熟的單個讀出理想電路是不切實(shí)際的。若采用多路合成技術(shù)降低讀出通道數(shù)，一方面會降低信號讀出速度，另一方面光子時間分辨率會因電子噪聲疊加增大而降低，從而限制了時間精度的準(zhǔn)確性。

SiPM在輻射探測領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，人們對SiPM的研究越發(fā)深入，圖7（a）收集、分類、總結(jié)了SiPM在各領(lǐng)域?qū)W科的應(yīng)用現(xiàn)狀，主要包括輻射探測、正電子發(fā)射斷層掃描、生物成像技術(shù)、空間粒子輻射等。圖7（b）是過去20年間在輻射探測領(lǐng)域有關(guān)SiPM和光電倍增管（PMT）應(yīng)用的公開文獻(xiàn)數(shù)量統(tǒng)計圖。其結(jié)果表明，近10年有關(guān)SiPM的研究數(shù)量大幅度增長，研究熱度接近甚至超越了PMT。

圖7 SiPM的研究現(xiàn)狀：（a）SiPM在各領(lǐng)域的應(yīng)用，（b）近20年輻射探測領(lǐng)域基于SiPM和PMT的公開文獻(xiàn)統(tǒng)計數(shù)量對比

中子探測器

中子沒有電荷，即使在高密度金屬中也能穿透得很深。相比于其他類型輻射探測，中子探測可用于評估軟質(zhì)和凝聚態(tài)物質(zhì)中的晶格，甚至是磁結(jié)構(gòu)和自旋波等。中子的探測技術(shù)基于中子誘發(fā)核反應(yīng)。在此反應(yīng)中，中子被散射原子的原子核俘獲，同時產(chǎn)生具有高能量的次級粒子，這些粒子能夠通過監(jiān)測次級帶電粒子引起的電離現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)中子探測。

圖8 基于SiPM的中子閃爍探測器結(jié)構(gòu)圖

正電子發(fā)射斷層掃描

正電子發(fā)射斷層掃描（PET）是1970年代開發(fā)的一種用于觀察體內(nèi)功能過程的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，通過引入化學(xué)示蹤劑來觀察特定組織的功能狀態(tài)，目前已經(jīng)在癌癥影像診斷方面起著至關(guān)重要的作用。早期，臨床PET機(jī)器中的標(biāo)準(zhǔn)光電探測器是PMT，但是PMT的大尺寸限制了探測器的空間分辨率。SiPM的尺寸微小且對磁場不敏感，可有效提升PET分辨率。飛行時間（ToF）技術(shù)為PET提供了更高的圖像質(zhì)量，通過更精準(zhǔn)地識別從正電子湮滅事件到探測器的距離，提供更明確的診斷信息。一個典型的ToF-PET結(jié)構(gòu)如圖9所示，它由30個檢測塊組成，具有3840個通道。其中，每個檢測塊由兩個探測模塊和一個前端模塊組成，該前端模塊由兩個配備專用集成電路和SiPM接口的電路板以及一個ASIC接口板組成。

圖9 典型ToF-PET單元結(jié)構(gòu)圖

其他應(yīng)用

除了上述應(yīng)用，Santangelo等測試了SiPM應(yīng)用于生物傳感技術(shù)的檢測低熒光水平的能力。分別測試了DNA微陣列的干燥樣本和實(shí)時聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）的液體樣本的系統(tǒng)線性情況。結(jié)果表明，SiPM比傳統(tǒng)的探測器具有更高的靈敏度。在生物發(fā)光檢測分析中，SiPM的應(yīng)用也取得了關(guān)鍵性成果，如圖10所示。

圖10 SiPM在生物傳感熒光探測的應(yīng)用

總結(jié)與展望

20世紀(jì)90年代快速發(fā)展的SiPM技術(shù)打開了輻射探測領(lǐng)域的新紀(jì)元。與PMT相比，SiPM具有更緊密的結(jié)構(gòu)、更低的偏置電壓、更高的增益、更好的磁場靈敏度。作為在弱光探測應(yīng)用中的單光子探測器，SiPM已經(jīng)逐步開始取代PMT，成為在核物理、高能物理試驗中的首要選擇。以SiPM的基本工作原理為基礎(chǔ)，展開討論了重要參數(shù)的影響，著重分析論述了近年來SiPM在輻射探測方面應(yīng)用的最新進(jìn)展。

當(dāng)前，我國在SiPM方面已經(jīng)具備了一定的技術(shù)儲備，但是依舊處于發(fā)展的黃金上升期。預(yù)計未來SiPM會朝著高動態(tài)范圍器件的方向發(fā)展。通過研究更高密度的SPAD并結(jié)合先進(jìn)的封裝技術(shù)，使SiPM陣列單元之間的死區(qū)最小化，在不影響光子探測效率的同時，增加SiPM的動態(tài)范圍。此外，高集成化的數(shù)字SiPM（DSiPM）也具有廣闊的發(fā)展前景。未來可以集成讀出電子系統(tǒng)至DSiPM，也有望利用DSiPM實(shí)現(xiàn)具有出色時間分辨率的單光子計數(shù)技術(shù)。