用于核醫學成像的硅光電倍增管光電探測器的研究進展

謝肇恒，周坤，李素瑩，田澗，楊昆，任秋實

1.北京大學 生物醫學工程系，北京100871；2.河北大學質量技術監督學院 測量控制技術與儀器系，河北 保定 100871

用于核醫學成像的硅光電倍增管光電探測器的研究進展

謝肇恒1，周坤1，李素瑩1，田澗1，楊昆2，任秋實1

1.北京大學 生物醫學工程系，北京100871；2.河北大學質量技術監督學院 測量控制技術與儀器系，河北 保定 100871

硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）是近年來逐漸興起的一種用于核醫學的光電探測器件，其具有尺寸小、工作電壓低、對磁場不敏感等優點，具有替代傳統光電倍增管的巨大潛力。本文首先介紹SiPM探測器的相關原理，然后重點闡述SiPM制備的相關工藝，討論了各種不同工藝的特點及性能。其次，本文列舉了針對不同用途所開發的SiPM前端讀出專用集成電路，以及相應的電子學性能。最后介紹了有關SiPM探測器應用在PET、PET/MR中的最新進展，并對SiPM探測器的未來發展趨勢進行了展望。

硅光電倍增管；雪崩光電二極管；互補金屬氧化物半導體；讀出專用集成電路；正電子發射斷層掃描

多模態成像設備作為活體分子成像的里程碑，深化了人類對生物學和病理學的理解，在臨床疾病的診療中發揮著日益重要的作用。核醫學影像主要包括正電子發射計算機斷層掃描（Positron Emission Tomography，PET）、單光子發射計算機斷層顯像（Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT）兩種技術。經過近半個世紀的發展，PET、SPECT目前可以在組織、細胞、分子水平上顯示活體的細胞代謝等生物學特征，與CT或MR組合后，可以達到信息互補，能夠精確地提供被掃描組織或器官的結構及功能信息，在神經、肌肉、心臟類疾病和腫瘤診斷中有著舉足輕重的作用[1-2]。

PET/SPECT成像的采集過程是“光-電”轉化的過程，即通過閃爍晶體將γ光子轉化為熒光，再由光電探測器轉化為電信號。光電探測器作為探測系統重要的組成部分，直接決定了后期圖像重建的質量。以PET為例，現有商用PET設備大多以光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）作為光電探測器。90年代以來，隨著半導體工藝的發展，硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）技術日趨成熟，逐漸被應用于高能物理、生物醫學成像、量子通信等弱光探測領域。相比于傳統的PMT，SiPM具有單光子響應高、對磁場不敏感、制備工藝簡單、成本低、體積小、易于CMOS工藝集成、工作電壓低等優點[3-6]。近年來，基于SiPM開發的PET探測器得到了迅速發展，尤其在PET/MR以及SPECT/MR等磁兼容要求較高的應用領域，SiPM已經逐步取代了PMT成為主流探測器。因此，SiPM的研究和開發有著巨大的發展空間。

本文首先介紹SiPM探測器的相關原理，然后重點闡述SiPM制備的相關工藝，討論各種不同工藝的特點及性能。其次，本文列舉了針對不同用途所開發的SiPM前端讀出專用集成電路（Application Specifc Integrated Circuit，ASIC），以及相應的電子學性能。最后介紹了有關SiPM探測器應用在PET、PET/MR中的最新進展，并對SiPM探測器的未來發展趨勢進行了展望。

1 SiPM的基本原理和性能參數

SiPM又被稱為MPPC（Multi-Pixel Photon Counter）或MAPD（Multi-Pixel Avalanche Photon Detector），MPGMAPD（Multi-pixel Geiger-mode Avalanche Photodiode），AMPD（Avalanche Micro-pixel Photodiode）。它由成百上千個工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管（Avalanche Photon Detector，APD）單元構成，每一個APD單元都串聯一個100 kΩ～1 MΩ電阻用以控制APD單元的雪崩淬滅和電壓恢復，等效電路圖，見圖1。

圖1 A.SiPM等效電路圖；B.Hamamatsu MPPC[7]光子計數示意圖

衡量SiPM性能的主要參數有以下幾個：

（1）動態范圍（Dynamic Range）。SiPM可同時探測到的最大光子數目，當光子個數（n）遠小于APD單元個數（m）時，器件處在線性區，被激發的像素單元個數（N）的概率服從二項分布[8]：

當n逐漸增大到一定程度時（n＜m），器件達到飽和，被激發單元數N不再隨光電流線性增加。

（2）探測效率（Photon Detection Effciency，PDE）。主要由3個變量決定[9]：

QE(λ)為每個激發像素單元的耗盡層中，產生電子空穴對的量子效率，主要和入射光子的波長(λ)有關；Ptr(λ,U,T)為蓋革模式下電子空穴對發生雪崩的概率，由于溫度變化會造成電子空穴對的電離系數的波動，從而影響反PN結的雪崩電壓[10]；òfll為器件感光面積所占的比例。

（3）暗計數。表征了SiPM在弱光下的探測能力，造成暗電流的主要機制是導帶和價帶之間的俘獲中心以及電子隧穿效應[11]。

2 SiPM的發展歷史

1961年，美國無線電公司McIntyre[12]提出的統計學理論，詳細解釋了硅基PN結反向偏置后發生雪崩的物理機理、電學性質。3年后，Haitz[13]在Schockley實驗室發明了第一個工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管（Geiger-mode Avalanche Photodiode，GAPD）。但是受當時半導體工藝的限制，GAPD技術一直受制于倍增噪聲、頻帶寬度的影響，如何在放大信號的同時減少噪聲、提高帶寬成為了研究的重點。

20世紀70年代中期，前蘇聯列別杰夫物理研究所的Shubin博士發現，當施加在“金屬-絕緣層-半導體”（Metal-Insulator-Semiconductor，MIS）上的反偏電壓大于雪崩電壓時，半導體和絕緣體之間積累的電荷會對雪崩電場提供一個負反饋（Avalanche with Negative Feedback，ANF），這種自淬滅（Self-quenching）的過程最終降低了APD的噪聲、響應時間。80年代末，前蘇聯杜布納核子聯合研究所的Sadygov與Golovin在硅片表面淀積SiC替代了原有的SiO2絕緣層，作為雪崩淬滅電阻，這種整體設計的掩埋層、針狀PN結，被稱作“金屬-電阻-半導體”（Metal-Resistor-Semiconductor，MRS） 結構[14]，見圖2。

圖2 MRS結構工藝圖。

此后，Zecotek公司通過改進MRS工藝技術，在APD單元間制作光學隔離槽將SiPM產業化，使其在藍光波段探測效率超過30%，光學串擾低于3%。但是，MRS結構中超薄的（100～200 nm）淬滅電阻層會在硅片表面形成短路，限制了MRS工藝的成品率；其次，藍紫光/UV光在到達結區之前，需要穿過2 μm厚的電阻層和掩埋層，大量藍紫/UV光被吸收，探測效率下降（圖2B）。由于多數（＞80%）閃爍晶體的峰值波長在300～500 nm之間，MRS結構的光譜特性影響了該器件在核探測領域中的應用[15]。

隨著半導體工藝技術的發展，90年代末，現代意義上的SiPM被俄羅斯國立核研究大學的Dolgoshein[16]教授所在的團隊研制成功。該團隊在APD像素陣列中加入多晶硅條作為雪崩淬滅電阻，在淬滅電阻與PN結區之間加入SiO2作為緩沖層，降低了短路風險，提高了成品率，其工藝結構，見圖3[16]。該結構的主要問題是存在高探測效率和大動態范圍權衡關系：如果提高SiPM的動態響應范圍，就必須減少APD單元的面積，從而引起器件表面Al互聯線、多晶硅條占用面積的比例增高，器件幾何填充因子降低，探測效率降低。

圖3 A.MEPhISiPM摻雜結構工藝圖；B.24×24陣列實物圖

此后，俄羅斯其他課題組[3,17-18]也相繼發表了各種改進工藝，尤其是CPTA提出的光學溝道（Optical Trench）技術（圖4B），利用SiO2來阻斷相鄰像素之間的光學串擾，將原有的串擾降低了近90%[18]。此外，德國Ninkovi?[19]制備了背照式的SiMPl（Silicon Multi-pixel Light）器件（圖4C）。該器件利用處在非耗盡區的硅襯底作垂直的淬滅電阻，由P+-N--N+（P+為柵極，N-為漏極，N+為源極）的摻雜模式形成的耗盡區將相鄰的像素隔開，不需要光學阻斷溝道；無其他結構的P+型背板不需要表面多晶硅電阻；全局設計的陰極板連接了各個像素單元。相比于P+基底上進行N摻雜的傳統工藝（MEPhISiPM），背照式SiMPl大幅提高了填充因子（＞80%）（圖4D、4E）。但由于這種淬滅電阻的結構類似于結型場效應晶體管，增長了器件的恢復時間。

圖4 A.SiPM相鄰單元光學串擾示意圖；B.光學溝道隔離示意圖；C.結構摻雜結構剖面簡化圖；D.E.MEPhISiPM[6]，HLL SiMPl[19]器件填充圖（彩色標度代表每個激活單元的雪崩發生率）

2009年，Philips公司開發了Digital SiPM[20]，利用CMOS工藝集成了主動淬滅、邏輯觸發器、時數轉換器（Time Digital Converter，TDC）等數字處理電，直接輸出光子計數和相應的時間信息，但制作工藝復雜、成本較高。目前除去Philips公司，其余各大廠商（日本Hamamatsu[10-11]，愛爾蘭Sensl[12]，德國Ketek[13]，意大利FBK-AdvanSiD[14]等）均采用基于多晶硅電阻的被動淬滅工藝技術。國內北京師范大學新器件實驗室韓德俊[21]課題組利用襯底體電阻作為淬滅電阻，研制出光敏面積為0.12 mm×0.12 mm的SiPM單管及陣列，填充因子為41%，在430 nm～480 nm的可見光范圍內的光子探測效率為25.4%，具有微單元密度高、恢復時間短、動態范圍大、成本低的優點。目前其課題組已實現了SiPM的產業化開發。華中科技大學謝慶國課題組聯合俄羅斯國立原子研究大學ValeriSaveliev教授（SiPM的發明人之一）進行了皮秒級SiPM的設計和開發工作。

3 SiPM專用集成電路

受到光照后，SiPM中被激發的APD單元并行輸出（上百個）脈沖電流信號，對前端電路要求較高，該電路必須滿足負載效應小、帶寬大的特點。為了最大限度的發揮SiPM的優點，目前SiPM的前端讀出電路均采用時間、空間分辨率較高的ASIC。根據輸出信號的不同，SiPM的ASIC讀出電路可以分為兩類：① 同時輸出時間信息以及能量信息，這一類電路大多應用于核醫學影像設備，尤其是PET；② 僅輸出能量信息，可應用于天體物理，高能物理等弱光探測領域。

第一類ASIC讀出電路，其與單通道原理電路十分相近，SiPM輸出的信號經過初級放大電路后分為兩路，一路經過快速整形電路、甄別器形成觸發信號用以保存時間信息，另一路則通過慢整形電路以及積分器輸出能量信息。第一類前端讀出電路示意圖，見圖5。

圖5 SiPM第一類前端讀出電路示意圖

由于PET這一全球領先的分子醫學影像診斷技術的快速發展，包含時間信息的SiPM ASIC讀出電路也被廣泛研究，如法國CNRS研究院開發的MAROC2[22-24]、SPIROC[25-27]，歐洲原子能研究中心開發的NINO[28-31]，德國海德堡大學開發的PETA[32-34]、PETA4[35]，以及意大利國家核物理研究所開發的BASIC[5,36-39]，SPIDER[40]等。其中比較有代表意義的是基于0.18 μm的CMOS UMC工藝開發的PETA[32-33]讀出電路，該電路包含40個獨立的快速讀出通道，可以同時進行時間以及能量信息的輸出。對于每一個通道的輸入信號，同樣分為兩路：一路通過快速低噪聲的甄別器，來對時間信息進行標記；第二路經過積分器輸出能量信息。PETA前端讀出專用集成電路，見圖6。

圖6 PETA前端讀出專用集成電路

第二類ASIC電路主要針對高能物理、天文觀測，側重于能量信號的處理。如FLC-SiPM[41]，一款基于0.8 μm的CMOS工藝開發的18通道的SiPM專用集成電路，每一個通道都有一個低噪音、可變增益的電荷放大器以及一個整形時間可變的CR-RC2整形電路，具體電路如圖7所示。

圖7 FLC-SiPM前端讀出專用集成電路

綜上所述，不同的SiPM前端讀出ASIC電路根據用途的不同，采用了相異的半導體工藝、通道數目（32、40、64等）以及不同類型的放大整形電路[22,26,31,35,41-45]。整體統計情況，見表1。

4 SiPM在核醫學領域的應用

SiPM以其探測效率高、工作電壓低、體積小、對磁場不敏感等優點在核醫學中被大量應用[28,46-48]，基于SiPM的PET探測器在時間和空間分辨率上均有顯著提高。Kolb等[49]研發12×12（1.5 mm×1.5 mm×10 mm）硅酸釔镥晶體陣列，與3×3的SiPM探測器耦合，得到了950 ps的時間分辨率以及22%的能量分辨率（511 keV）。Llosa等[24]取得15%的能量分辨率以及1.4 ns的時間分辨率。Kim[50]和Schaart[51]分別利用LYSO:Ce3+與LaBr3:Ce3+晶體實現了小于240 ps的時間分辨率，使得SiPM應用于TOF-PET技術中成為可能。

此外，由于SiPM良好的磁兼容特性，使得SiPM被廣泛應用于PET/MR、SPECT/MR的探測器設計中。以PET/MR為例，同步掃描的PET/MR一體機被廣泛的應用于早期腫瘤篩查、心血管和神經系統疾病的診斷、腦功能研究等熱點領域，每年出版的文獻數以及文章引用量逐年攀升。

目前PET/MR雙模態成像的主要技術難點就包括如何減少MRI和PET成像元件之間的相互干擾，為了避免這種干擾，主流的集成模式分為3種：分離式，嵌入式以及插入式，如圖8所示[52-54]。其中嵌入式和插入式需要良好的核磁兼容特性。傳統的PMT由于電子渡越時間較長，因此受磁場影響很大，阻礙了PET/MR的模態集成。半導體探測器APD，SiPM以其良好的磁兼容特性，獲得了越來越廣泛的關注。與APD相比，SiPM有更多的優勢，Espana等[47]研究表明，SiPM在7T的磁場條件下增益特性基本保持不變，此外SiPM還具有更低的工作偏壓，更小的暗電流以及更佳的熱穩定性，使得SiPM越來越成為磁兼容探測器的首選。

圖8 3種PET/MR設計

2009年，Schulz等[46]基于LSO+SiPM制成了和磁兼容的插入式PET探測器（圖9），取得了18%的能量分辨率以及530 ps的時間分變率，并進行了同時數據采集實驗，驗證了雙模態數據同時、同心采集的可行性。

表1 SiPM前端讀出ASIC電路一覽表

圖9 MR兼容的插入式PET探測器[46]

2013年，Levin等[55]利用高度集成化的LYSO + SiPM + ASIC探測器模塊，搭建了TOF-PET/MR全身掃描。實驗結果顯示，無論射頻開啟與否，PET能量分辨率均為10.5%（511 keV），時間分辨率為390 ps（射頻關）和399 ps（射頻開）。此后研究人員將LaBr3/LGSO+SiPM探測器與臨床MR相結合，廣泛應用于臨床診斷、小動物臨床研究中[32,46,52-59]。

5 總結及展望

綜上所述，國內外學術界已經對SiPM進行了深入的研究，隨著半導體工藝日趨成熟帶來的價格降低，以及PET/MR等產品集成的迫切需要，SiPM將大規模應用于微光探測的核醫學影像系統，為多模態分子醫學影像的發展注入新的活力。

目前，SiPM相關的研究熱點包括半導體工藝、ASIC設計兩方面，未來的研究預計將在集中在以下幾個方面：

（1）在半導體工藝中集成主動淬滅電阻、前端讀出電路，如Philips研發的Digital SiPM[20]，進一步提升器件的填充率和時間分辨率，減少像素間串擾、暗電流。

（2）在設計前端ASIC電路之前，構建更加完善的SiPM電子學模型作為設計基礎，如Banoushi等[60]提出的SAGCM-APD模型，袁俊等[61]提出的SPAD改進模型等。

（3）完善現有的CMOS工藝、降低成本，使其能夠大規模應用于核醫學探測。

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Progress in the Development of Silion Photomultipliers Electrophotonic Detector Based on Nuclear Medicine Imaging

The silicon photomultipliers (SiPM) is a photoelectric detector emerging in recent years and used in nuclear medicine imaging systems. It has a huge potential to substitute the traditional Photomultipliers (PMT) due to its smaller size,lower working bias voltage and magnet compatible,etc. This paper introduced the relevant theories about SiPM frstly. Then,the SiPM production process were emphasized in detail,and the characteristic as well as performance of different production process was discussed subsequently. Furthermore,different kinds of front-end readout ASIC (Application Specifc Integrated Circuits) for SiPM,which were designed for different use,together with their electronic performance were enumerated. Finally,the application of SiPM in PET,PET/MR was demonstrated and future development of SiPM was also discussed.

silicon photomultiplier;avalanche photon detector;complementary metal oxide semiconductor;application specifc integrated circuits;positron emission tomography

XIE Zhao-heng1,ZHOU Kun1,LI Su-ying1,TIAN Jian1,YANG Kun2,REN Qiu-shi1
1. Department of Biomedical and Engineering,Peking University,Beijing 100871,China;2. Department of Measurement Control Technology and Instrument,College of Quality and Technical Supervision,Hebei University,Baoding Hebei 071000,China

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.019

1674-1633(2016)09-0073-07

2016-05-25

作者郵箱：xiezhaoheng@163.com