具有X-Y交叉读出电极和按电荷分配原理工作的位置灵敏硅光电倍增器

Silicon Photomultiplier (SiPM) is a novel semiconductor photon-counting detector, it is most widely used as the readout out of a scintillation imaging sensor. One of the important problems of scintillation imaging sensor is that there is a contradiction between the device size, the position resolution and the number of readout channels, the number of sensor’s readout channels and the SiPM pixels is usually very large, and the subsequent electronic is complex, leading to a system with lower reliability, higher power consumption and higher cost. In order to overcome these problems, we propose to study a new SiPM device--A position sensitive (PS) SiPM based on X-y crosswire readout electrodes and charge division mechanism, to study how to increase the PS-SIPM effective area, improve the position resolution of single photon detection and decrease the number of readout channels. We expect that this two-dimensional PS-SiPM with high sensitivity, high photon number and spatial resolution, less output channels, simpler structure and lower fabrication cost can be widely used in radiation detections such as high-resolution PET, high-resolution CT and high-resolution neutron imaging.

硅光电倍增器（SiPM）是一种新颖的半导体光子计数探测器，目前最为广泛的应用是作为闪烁成像传感器的读出像素单元来使用。闪烁成像传感器目前存在的一个重要问题是器件面积、位置分辨率与读出通道数之间存在着矛盾关系，成像传感器的读出通道往往非常多，要求的SiPM像素单元及后续电子学通道数量巨大，带来系统复杂、可靠性降低、功耗和成本增加等问题。为了克服这些问题，本项目提出研究一种新的SiPM结构—具有X-Y交叉读出电极和按电荷分配原理工作的位置灵敏（PS）SiPM，研究如何在增大PS-SiPM有效面积的同时提高单光子探测的位置分辨率，减少读出通道数。预期这种灵敏度高、光子数和空间分辨率高、输出通道较少、结构简单及制作成本较低的二维PS-SiPM能够广泛应用于高分辨PET、高分辨CT及高分辨中子成像等辐射探测领域。

针对位置灵敏（PS） SiPM活性区面积与位置分辨率存在矛盾关系的问题，本项目提出研究一种具有X-Y交叉读出电极和按电荷分配原理工作的二维PS-SiPM。它由N x N个面积较小的电荷分配四边形PS-SiPM阵列构成，每行PS-SiPM单元的平行电极串接成一个电极，每列PS-SiPM单元的竖直电极串接成一个电极，器件一共有2N+2个正面电极和1个背面电极。光斑信号的粗略位置（即哪个PS-SiPM单元接收到入射光信号）由有信号输出的双X和双Y电极的交叉位置确定，光斑信号的精细位置（即相对于PS-SiPM单元中心的坐标）再由所述双X和双Y电极按电荷分配四边形PS-SiPM的原理给出。. .项目实施所研制的器件活性区面积为6.24 mm×6.24 mm，共划分了6×6个活性区面积为1 mm×1 mm四边形PS SiPM小单元。其几何填充因子约为40.5 %，G-APD微单元等效周期约为11 μm，420 nm的最大PDE为23 %。当平均光电子数为55.7时，PS SiPM小单元的中心点在X和Y方向上的位置分辨率分别为71.3 μm和68.6 μm，相较NDL活性区面积为6.14 mm×6.14 mm的方形PS SiPM，在MPEN为105时，中心点在X方向上位置分辨率为105 μm结果，可以看出交叉电极结构使得大面积器件在极弱光下的位置分辨率有明显提高，验证了本项目的基本想法。..本项目研究的这种新型二维PS-SiPM结合了“X-Y交叉读出电极”与“电荷分配四边形位置灵敏”两种器件结构的优点，其光敏面积较大，光子数分辨和探测灵敏度高（单光子分辨和探测）、空间分辨率较高、输出通道较少、成本较低，预期在高分辨辐射成像等探测领域有潜在的应用价值。