大動態范圍外延電阻淬滅型硅光電倍增器

劉紅敏，龍金燕，代 雷，張鑫淦，梁 琨，2*，楊 茹，韓德俊

(1.北京師范大學 核科學與技術學院 新器件實驗室，北京 100875；2.集成光電子學國家重點實驗室，北京 100083)

1 引 言

硅光電倍增器(Silicon Photomultiplier，SiPM)具有優異的單光子分辨能力和時間分辨能力，其工作電壓低、動態范圍大、光探測效率(Photon Detection Efficiency，PDE)高，可以有效探測極弱光。另外，SiPM還具有體積小、結構緊湊、易于集成、對磁場不敏感等優點，不僅可以替代光電倍增管應用在高能物理、天體物理、核醫學成像以及熒光測量等弱光探測領域，也可用于水下三維測深[1]。國際上SiPM產品器件結構一般采用多晶硅或金屬條在器件表面作為淬滅電阻，如FBK研制的RGB-UHD-SiPM和NUV-HD-SiPM[2-3]、濱松報道的S13361-3050AS-08[4]以及SensL發布的C系列SiPM[5]等，這樣的器件死區面積較大，尤其對于高密度SiPM，其高探測效率與大動態范圍不可兼容。

為了緩解高探測效率與大動態范圍不兼容的矛盾，北京師范大學新器件實驗室(Novel Device Laboratory，NDL)利用外延電阻淬滅技術，將襯底外延層作為SiPM的淬滅電阻研制出外延電阻淬滅型硅光電倍增器(Silicon Photomultiplier with Epitaxial Quenching Resistor，EQR SiPM)，有效減小了SiPM的死區面積，在保持較大動態范圍的同時可以維持較高的PDE。近年來，NDL已成功研制并生產出有效面積為1 mm×1 mm和3 mm×3 mm，微單元尺寸分別是10 μm和12.5 μm的P-on-N型EQR SiPM和7 μm的N-on-P型EQR SiPM，它們均表現出優異的特性[6-8]。

在醫療PET成像、天體物理以及高能物理等領域的應用中，SiPM的PDE要求盡可能高。高能物理實驗中使用的SiPM陣列一般采用ASIC讀出大批量輸出信號，許多商用ASIC不能讀取增益低的SiPM輸出信號[9]，因而在保持NDL EQR SiPM大動態范圍優勢的同時適當增大微單元尺寸可進一步提高其探測效率及增益，有利于拓展EQR SiPM的應用范圍?！?br>