硅光电倍增管在辐射探测领域应用进展综述

光子探测技术在高能物理、天体物理、医学成像等学科领域中扮演着重要的角色。特别是在辐射探测应用中，实现单光子高水平的灵敏探测一直是近几十年以来光电探测器发展的最终目的。硅光电倍增管（SiPM）技术作为理想固态光子探测器研究领域前所未有的尝试，凭借其出色的性能（增益高、偏置电压低、时间响应快速、对磁场不敏感等），吸引着越来越多研究者的关注。

据麦姆斯咨询报道，中国工程物理研究院流体物理研究所的科研团队围绕SiPM的结构原理，回顾、分类、总结了SiPM在结构、性能及应用等方面近年来取得的研究进展。相关研究内容以“硅光电倍增管在辐射探测领域中的应用进展”为题发表在《激光与光电子学进展》期刊上。

SiPM的发展与研究现状

20世纪90年代Golovin和Sadygov等提出了多像素结构的新光电探测器——SiPM。该模型为当前SiPM在各领域应用表现出的巨大潜力奠定了关键基础。SiPM的关键技术发展历程如图1所示。

图1 SiPM的关键技术发展历程

自21世纪以来，伴随半导体制造工艺水平的快速发展，无论是SiPM的关键技术还是SiPM商业化产品均取得了不错的成绩。以SiPM器件结构发展为例，韩国科学技术院设计了一种新型P-on-N结构SiPM用于蓝光探测。该结构以先注入深N阱再注入浅P+阱的方式形成PN结，从而确定了SiPM的有源面积和击穿电压VBR。但由于PN结中的无效电场分布，该器件总体上表现出相对较低的光子探测效率（PDE）和相对较高的暗计数率（DCR）。随后通过改变快速热处理（RTP）条件和用于结形成的离子注入条件，反向电流降低，击穿电压降低了近20%，并且蓝光状态下的PDE提高了近2倍。意大利布鲁诺·凯斯勒基金会（FBK）提出了高密度RGB-SiPM结构，各微单元之间设置比外延层厚度更深的沟槽，以完全隔离微单元。深沟槽使高电场区域边缘与沟槽中心的距离减小至2 μm，使得几何填充因子显著提升。国内的各科学研究团队也在SiPM器件结构上取得了巨大的突破。北京师范大学核科学与技术学院新器件实验室提出采用外延淬灭电阻代替传统位于探测器表面的多晶硅淬灭电阻方法，研制了外延电阻淬灭型硅光电倍增管（EQR SiPM），大大减小了表面电阻材料对光的吸收与遮挡，增大了光敏区间，实现了填充因子与探测效率的最大化。

图2 新型SiPM结构的横截面示意图：（a）P-on-N结构，（b）RGB-SiPM结构，（c）EQR SiPM结构

目前，在全球范围内，SiPM产品日渐成熟，延续高探测效率的同时，在光敏面积、暗噪声、温度稳定性等方面有了极大的改善，其性能基本满足各个领域的应用需求。以光敏面积为3 mm×3 mm的SiPM产品为例，全球部分知名生产商的SiPM产品性能参数对比如表1所示。

表1 全球部分SiPM研究机构及知名生产公司SiPM产品一览

SiPM原理

单光子雪崩二极管（SPAD）工作原理

SiPM由成百上千个相同的SPAD构成，基于雪崩倍增原理实现内部增益。SPAD本质上可以看作一个PN结，其产生的电场强度随施加的偏置电压的增大而增大。当偏置电压过低时，生成的电子-空穴对不会产生额外的倍增。增大偏置电压使得撞击光子生成的电子获得足够的能量，可以通过电离撞击生成二次电子-空穴对，获得较大的倍增。当偏置电压进一步增大直至高于击穿电压VBR时，空穴与电子均将获得足够的能量。此时，耗尽层中的单个载流子在强大的电场环境下可以持续发生雪崩现象。一般可以采用串联淬灭电阻降低电流（被动淬灭）或直接降低偏置电压直至低于击穿电压（主动淬灭）的方法来控制雪崩结束。因此，根据两端施加偏置电压的大小，可将SPAD分为3个工作区间，分别是光电二极管区间、雪崩光电二极管区间和SiPM区间，如图3所示。

图3 SPAD的3种工作模式解析图

SiPM结构

SiPM也称为模拟SiPM，基于SPAD同串联的淬灭电阻形成并联阵列，SiPM的输出信号是多个SPAD雪崩信号的叠加。传统的SiPM架构及电路阵列模型如图4所示。SiPM的并联阵列结构克服了SPAD无法从输出信号中确定有多少光子被探测的缺陷。SiPM的输出信号直接对应探测到的光子数量，因为每个微单元探测到大于一个光子的可能性很小。目前为增大动态响应范围，单个通道尺寸一般在10~100 μm。

图4 SiPM示意图：（a）传统SiPM结构，（b）SiPM电路阵列结构

重要参数及特性分析

为了在各应用中实现SiPM的最佳性能，需要对SiPM的重要参数及特性进行定性描述和理解，如探测效率、光学串扰、暗计数率、温度依赖性。图5描述了各参数之间的关联性。

图5 SiPM主要特性参数关系网络

SiPM也存在许多可能影响其性能的非理想因素。SiPM的噪声包括主要噪声源和相关噪声源2种，它们的波形图及来源如图6所示。主要噪声源是指在无光照条件下，由热搅动或其他因素随机产生的电子-空穴对和载流子触发雪崩倍增效应，导致电流脉冲输出。暗计数率（DRC）用于表征该信号的频率。相关噪声源包括即时串扰、延迟串扰和外部串扰。初级雪崩效应产生的光子直接穿越到相邻的SPAD并触发次级雪崩，从而引起即时串扰。即时串扰通常发生在初始雪崩发生的几百ps之后，很难在波形图上准确测试。延迟串扰是由于二次雪崩产生的光子被邻近的SPAD未耗尽层吸收，并扩散到SPAD的倍增区域而产生雪崩效应。该过程的发生需要一定的时间，通常可与主信号区分开，如图6所示。外部串扰的产生是由于初级雪崩效应产生的光子经外部闪烁体或保护窗的反射回到SPAD。

图6 SiPM噪声示意图：（a）SiPM噪声来源，（b）噪声波形图

前端电子学系统

前端电子学在各应用中为最大程度发挥SiPM的特性和优点起到重要作用。不适合的前端电子读出电路将限制SiPM的性能。例如，在高密度的SiPM阵列应用中，使用成熟的单个读出理想电路是不切实际的。若采用多路合成技术降低读出通道数，一方面会降低信号读出速度，另一方面光子时间分辨率会因电子噪声叠加增大而降低，从而限制了时间精度的准确性。

SiPM在辐射探测领域的应用

近年来，人们对SiPM的研究越发深入，图7（a）收集、分类、总结了SiPM在各领域学科的应用现状，主要包括辐射探测、正电子发射断层扫描、生物成像技术、空间粒子辐射等。图7（b）是过去20年间在辐射探测领域有关SiPM和光电倍增管（PMT）应用的公开文献数量统计图。其结果表明，近10年有关SiPM的研究数量大幅度增长，研究热度接近甚至超越了PMT。

图7 SiPM的研究现状：（a）SiPM在各领域的应用，（b）近20年辐射探测领域基于SiPM和PMT的公开文献统计数量对比

中子探测器

中子没有电荷，即使在高密度金属中也能穿透得很深。相比于其他类型辐射探测，中子探测可用于评估软质和凝聚态物质中的晶格，甚至是磁结构和自旋波等。中子的探测技术基于中子诱发核反应。在此反应中，中子被散射原子的原子核俘获，同时产生具有高能量的次级粒子，这些粒子能够通过监测次级带电粒子引起的电离现象实现中子探测。

图8 基于SiPM的中子闪烁探测器结构图

正电子发射断层扫描

正电子发射断层扫描（PET）是1970年代开发的一种用于观察体内功能过程的医学成像技术，通过引入化学示踪剂来观察特定组织的功能状态，目前已经在癌症影像诊断方面起着至关重要的作用。早期，临床PET机器中的标准光电探测器是PMT，但是PMT的大尺寸限制了探测器的空间分辨率。SiPM的尺寸微小且对磁场不敏感，可有效提升PET分辨率。飞行时间（ToF）技术为PET提供了更高的图像质量，通过更精准地识别从正电子湮灭事件到探测器的距离，提供更明确的诊断信息。一个典型的ToF-PET结构如图9所示，它由30个检测块组成，具有3840个通道。其中，每个检测块由两个探测模块和一个前端模块组成，该前端模块由两个配备专用集成电路和SiPM接口的电路板以及一个ASIC接口板组成。

图9 典型ToF-PET单元结构图

其他应用

除了上述应用，Santangelo等测试了SiPM应用于生物传感技术的检测低荧光水平的能力。分别测试了DNA微阵列的干燥样本和实时聚合酶链式反应（PCR）的液体样本的系统线性情况。结果表明，SiPM比传统的探测器具有更高的灵敏度。在生物发光检测分析中，SiPM的应用也取得了关键性成果，如图10所示。

图10 SiPM在生物传感荧光探测的应用

总结与展望

20世纪90年代快速发展的SiPM技术打开了辐射探测领域的新纪元。与PMT相比，SiPM具有更紧密的结构、更低的偏置电压、更高的增益、更好的磁场灵敏度。作为在弱光探测应用中的单光子探测器，SiPM已经逐步开始取代PMT，成为在核物理、高能物理试验中的首要选择。以SiPM的基本工作原理为基础，展开讨论了重要参数的影响，着重分析论述了近年来SiPM在辐射探测方面应用的最新进展。

当前，我国在SiPM方面已经具备了一定的技术储备，但是依旧处于发展的黄金上升期。预计未来SiPM会朝着高动态范围器件的方向发展。通过研究更高密度的SPAD并结合先进的封装技术，使SiPM阵列单元之间的死区最小化，在不影响光子探测效率的同时，增加SiPM的动态范围。此外，高集成化的数字SiPM（DSiPM）也具有广阔的发展前景。未来可以集成读出电子系统至DSiPM，也有望利用DSiPM实现具有出色时间分辨率的单光子计数技术。