硅光电倍增器的反常击穿特性及其机理研究

The Silicon Photomultiplier (SiPM) gets rapid development in recent years, and gradually becomes a research hotspot in the field of radiation detection. However, there are still some problems to be solved in the SiPM. For example, there are abnormal breakdown characteristics. These problems limit its applications in many fields such as radiation detection. Our team found that the breakdown voltage of SiPM will change with the variation of the gap distance of the Geiger-Avalanche Photodiode (G-APD) cell, the cell number of the G-APD and the junction area of the G-APD cell by experiment , if the size of the G-APD cell is of the order of micrometer, in the case of the other parameters are the same. Existing theory and methods can not exactly predict the breakdown voltage and the maximum normal operating voltage of SiPM, and there is a relative large deviation between the breakdown voltage determined by the classical method and actual voltage when the avalanche pulses begin to occur. The essences of these phenomena have not been studied so far. This project plans to study their mechanisms in detail through the starting point that the optical crosstalk effect playing an important role on the SiPM avalanche breakdown, establishment of the breakdown model considering the effect of optical crosstalk, numerical calculation, designing the test structure of the SiPM and technology experiment, comprehensive testing and analysis of the breakdown characteristic of the SiPM. This project can not only provide theoretical basis for exactly predicting the breakdown voltage of SiPM, but also promoting applications of SiPM such as in the field of nuclear detection.

硅光电倍增器(SiPM)近年来得到较快发展，逐渐成为辐射探测领域的研究热点。然而SiPM依然有问题亟待解决，例如存在反常击穿等特性，这些问题限制了其在辐射探测等很多领域的应用。本项目组在实验上发现，在其他参数相同时，当SiPM的盖革雪崩光电二极管(G-APD)单元尺度在微米量级时，SiPM的击穿电压随其G-APD单元的间隔、单元数目、结面积的变化而明显变化。现有理论和方法不能准确预测SiPM的击穿电压和正常工作的最大过偏压，而且经典方法确定的击穿电压和实际出现雪崩脉冲时对应的电压相差较大。这些现象的本质规律未见研究。本项目拟以光学串话效应对SiPM雪崩击穿有重要影响为基本出发点，建立考虑光学串话效应的击穿模型并进行数值计算，设计器件测试结构并进行流片实验，全面测试与分析其击穿特性，来研究这些现象的机理。这不仅能为准确预测SiPM的击穿电压提供理论依据，而且能促进其在核探测等领域的广泛应用。

对近年来逐渐受到重视的多像素光子计数器（MPPC），又名硅光电倍增器（SiPM）进行了研究。主要进行了两个方面的研究，一是开展了SiPM的击穿淬灭相关特性及其机理的研究，另一方面是开展了有关SiPM的应用基础研究。在第一个方面，获得了最大过偏压范围的影响因素的数据，发现SiPM的二次击穿电压，以及SiPM正常工作电压的范围，不仅受到淬灭电阻值、G-APD单元面积、单元间隔的影响，还在很大程度上受到衬底材料中缺陷和陷阱浓度的影响，缺陷和陷阱浓度越低，最大过偏压范围就越大；发现、分析并解释了SiPM的动态范围的过饱和现象与机理，在SiPM正常工作时，SiPM的非高电场区（即所谓的死区）也有一定的增益，只不过增益比高场区小很多而已；研究了SiPM光子数分辨能力的影响因素，证实了SiPM的光子数分辨能力不仅取决于其中APD单元的工艺的一致性、过偏压，还受到信号处理方式的影响，电子学噪声是制约SiPM输出的雪崩信号幅度一致性的重要因素，实验证明了波形积分可以大幅提高SiPM的光子数分辨能力；从理论上分析了在某些场合利用SiPM的光学串话效应提高其光子探测效率的可行性。. 在第二个方面，进行了激光测距的应用研究，研究了SiPM在自由空间激光测距中应用的可行性和相关性能与参数，实验证明通过调节光电子等效阈值可以提高激光测距的信噪比，获得了可靠的测距数据，结果很好，有好的应用前景。利用SiPM搭建了无需门控选通的晴空背景下的非合作目标激光测距系统，证实了利用单个SiPM，即可实现单光子水平的多目标的同时测距。随着激光功率的增加，利用SiPM配合窄带通滤光片可以在白天轻松地测量几千米以外目标的距离，同时获得不同目标反射回波信号的强度（光子数）信息。这是现有的很多其他探测器无法达到的。倘若将SiPM应用于激光雷达、激光测距等领域，则有望获得性能远好于传统探测器的效果，替代现有探测器。与此同时，还研究了SiPM在电荷积分光子计数模式下，进行THz重复频率的超高速光子计数的相关理论和可行性，建立了电荷积分光子计数模型， 并进行了数值分析，证明利用SiPM进行THz重复频率的超高速光子计数是可能的，有一定科学意义和良好的应用前景。