1、一種新型的單光子探測器硅光電倍增器西安工程大學理學院物理系聯系方式:182*關鍵詞:單光子探測,光子數分辨,硅光電倍增器, 激光測距,量子通訊近年來,一種具有脈沖光子數分辨能力的單光子探測器硅光電倍增器(Silicon Photomultiplier,SiPM逐漸引起了人們的重視。SiPM 又被稱為MPPC (Multi-Pixel Photon Counter或MAPD(Multi-Pixel Avalanche Photon Detector, 它由數百至數萬個直徑為幾到幾十微米的雪崩光電二極管(APD單元陣列集成在同一個單晶硅片上構成, 每個APD單元串聯著數百千歐的電阻用于淬滅雪崩擊穿

2、產生的大電流。所有APD單元共用一個取信號電極,并且工作在蓋革模式下。在這種模式下,APD 單元偏置電壓高于擊穿電壓若干伏,當某一個APD單元接收到一個光子時,所產生的光生載流子將有一定概率觸發雪崩擊穿,光電轉換增益可達105-106。由于每一個APD單元有完全相同的結構和淬滅電阻,因此在發生雪崩時,雪崩放電的增益,即輸出信號的幅度均相同。在動態范圍的線性區內,總的輸出信號幅度正比于單位時間發生雪崩擊穿的APD 單元的數目,在示波器上可以看到雪崩脈沖有清晰的倍數關系。由于這種器件可以像光電倍增管一樣進行單光子探測,因此被稱作硅光電倍增器。相比于傳統的光電倍增管(PMT,SiPM具有較高的探測效

3、率,卓越的單光子響應和分辨能力,結實耐用,體積小、易于集成,工作電壓低,不受磁場干擾,可靠性好、成本低廉等諸多優點而在近年來受到很大關注,成為輻射探測器及其相關應用領域中的一個研究熱點,在高能物理、天體物理、核醫學成像、生命科學、等弱光信號的檢測領域有替代傳統光電倍增管的潛力,在量子通訊、激光測距等方面也有較好的應用前景。從上世紀80年代末俄羅斯人第一次提出SiPM以來,人們共提出了四種結構的SiPM,最早提出的SiPM是由淀積在硅片表面的SiC薄膜做為雪崩淬滅電阻,但是這種結構的SIPM 由于工藝和探測效率的問題,限制了其發展。近幾年,有三種結構的SiPM得到了較快發展,一種是利用表面淀積的

4、多晶硅條來坐SiPM的APD單元的淬滅電阻,這是目前最常見的SIPM的結構。其典型的結構原理圖如圖一所示。該種結構的SiPM由于必須在表面制作電阻率精確控制的多晶硅條,因此工藝較為復雜,而且使得器件的幾何填充因子受限,進而限制了探測器的光探測效率。 圖一另一種是利用載流子的負反饋效應來實現APD單元的雪崩淬滅過程,其工作原理圖二所示: 這種結構的SiPM優勢在于省略了在硅片表面制作多晶硅條的工藝,可能使光子探測效率更高. 但是該種SiPM的APD單元的恢復時間較長,而且適合的工作電壓范圍太窄,工作穩定性不高。還有一種是體電阻淬滅的SiPM。這種SiPM在國際上首先由北京師范大學核科學與技術學院

5、的韓德俊教授領導的科研小組研制成功。其結構如圖三所示,該種結構的硅光電倍增器利用硅襯底的體電阻自身對APD單元進行淬滅,大大簡化了工藝, 同時由于將淬滅電阻做到了襯底內部,因此大大減小的了寄生電容,也就減小了器件的恢復時間,提高了SIPM的光子計數率。恢復時間可以達到ns量級,單元數密度在104/mm2時,未經過增透膜等優化處理的器件的峰值光探測效率已達到25.6%。 圖三參考文獻:【1】D. Ren ker, E. Lorenz, “Advances in solid state photon detectors”, *J+ JINST ,4, ( 2009 1-54【3】G. Q. Zhang, X. B. Hu, R. Yang et al., “Demonstration of a silicon photomultiplier with bulk integrated quench