光子探測技術在高能物理、天體物理、醫學成像等學科領域中扮演著重要的角色。特別是在輻射探測應用中，實現單光子高水平的靈敏探測一直是近幾十年以來光電探測器發展的最終目的。硅光電倍增管（SiPM）技術作為理想固態光子探測器研究領域前所未有的嘗試，憑借其出色的性能（增益高、偏置電壓低、時間響應快速、對磁場不敏感等），吸引著越來越多研究者的關注。

據麥姆斯咨詢報道，中國工程物理研究院流體物理研究所的科研團隊圍繞SiPM的結構原理，回顧、分類、總結了SiPM在結構、性能及應用等方面近年來取得的研究進展。相關研究內容以“硅光電倍增管在輻射探測領域中的應用進展”為題發表在《激光與光電子學進展》期刊上。

SiPM的發展與研究現狀

20世紀90年代Golovin和Sadygov等提出了多像素結構的新光電探測器——SiPM。該模型為當前SiPM在各領域應用表現出的巨大潛力奠定了關鍵基礎。SiPM的關鍵技術發展歷程如圖1所示。

圖1 SiPM的關鍵技術發展歷程

自21世紀以來，伴隨半導體制造工藝水平的快速發展，無論是SiPM的關鍵技術還是SiPM商業化產品均取得了不錯的成績。以SiPM器件結構發展為例，韓國科學技術院設計了一種新型P-on-N結構SiPM用于藍光探測。該結構以先注入深N阱再注入淺P+阱的方式形成PN結，從而確定了SiPM的有源面積和擊穿電壓VBR。但由于PN結中的無效電場分布，該器件總體上表現出相對較低的光子探測效率（PDE）和相對較高的暗計數率（DCR）。隨后通過改變快速熱處理（RTP）條件和用于結形成的離子注入條件，反向電流降低，擊穿電壓降低了近20%，并且藍光狀態下的PDE提高了近2倍。意大利布魯諾·凱斯勒基金會（FBK）提出了高密度RGB-SiPM結構，各微單元之間設置比外延層厚度更深的溝槽，以完全隔離微單元。深溝槽使高電場區域邊緣與溝槽中心的距離減小至2 μm，使得幾何填充因子顯著提升。國內的各科學研究團隊也在SiPM器件結構上取得了巨大的突破。北京師范大學核科學與技術學院新器件實驗室提出采用外延淬滅電阻代替傳統位于探測器表面的多晶硅淬滅電阻方法，研制了外延電阻淬滅型硅光電倍增管（EQR SiPM），大大減小了表面電阻材料對光的吸收與遮擋，增大了光敏區間，實現了填充因子與探測效率的最大化。

圖2 新型SiPM結構的橫截面示意圖：（a）P-on-N結構，（b）RGB-SiPM結構，（c）EQR SiPM結構

目前，在全球范圍內，SiPM產品日漸成熟，延續高探測效率的同時，在光敏面積、暗噪聲、溫度穩定性等方面有了極大的改善，其性能基本滿足各個領域的應用需求。以光敏面積為3 mm×3 mm的SiPM產品為例，全球部分知名生產商的SiPM產品性能參數對比如表1所示。

表1 全球部分SiPM研究機構及知名生產公司SiPM產品一覽

SiPM原理

單光子雪崩二極管（SPAD）工作原理

SiPM由成百上千個相同的SPAD構成，基于雪崩倍增原理實現內部增益。SPAD本質上可以看作一個PN結，其產生的電場強度隨施加的偏置電壓的增大而增大。當偏置電壓過低時，生成的電子-空穴對不會產生額外的倍增。增大偏置電壓使得撞擊光子生成的電子獲得足夠的能量，可以通過電離撞擊生成二次電子-空穴對，獲得較大的倍增。當偏置電壓進一步增大直至高于擊穿電壓VBR時，空穴與電子均將獲得足夠的能量。此時，耗盡層中的單個載流子在強大的電場環境下可以持續發生雪崩現象。一般可以采用串聯淬滅電阻降低電流（被動淬滅）或直接降低偏置電壓直至低于擊穿電壓（主動淬滅）的方法來控制雪崩結束。因此，根據兩端施加偏置電壓的大小，可將SPAD分為3個工作區間，分別是光電二極管區間、雪崩光電二極管區間和SiPM區間，如圖3所示。

圖3 SPAD的3種工作模式解析圖

SiPM結構

SiPM也稱為模擬SiPM，基于SPAD同串聯的淬滅電阻形成并聯陣列，SiPM的輸出信號是多個SPAD雪崩信號的疊加。傳統的SiPM架構及電路陣列模型如圖4所示。SiPM的并聯陣列結構克服了SPAD無法從輸出信號中確定有多少光子被探測的缺陷。SiPM的輸出信號直接對應探測到的光子數量，因為每個微單元探測到大于一個光子的可能性很小。目前為增大動態響應范圍，單個通道尺寸一般在10~100 μm。

圖4 SiPM示意圖：（a）傳統SiPM結構，（b）SiPM電路陣列結構

重要參數及特性分析

為了在各應用中實現SiPM的最佳性能，需要對SiPM的重要參數及特性進行定性描述和理解，如探測效率、光學串擾、暗計數率、溫度依賴性。圖5描述了各參數之間的關聯性。

圖5 SiPM主要特性參數關系網絡

SiPM也存在許多可能影響其性能的非理想因素。SiPM的噪聲包括主要噪聲源和相關噪聲源2種，它們的波形圖及來源如圖6所示。主要噪聲源是指在無光照條件下，由熱攪動或其他因素隨機產生的電子-空穴對和載流子觸發雪崩倍增效應，導致電流脈沖輸出。暗計數率（DRC）用于表征該信號的頻率。相關噪聲源包括即時串擾、延遲串擾和外部串擾。初級雪崩效應產生的光子直接穿越到相鄰的SPAD并觸發次級雪崩，從而引起即時串擾。即時串擾通常發生在初始雪崩發生的幾百ps之后，很難在波形圖上準確測試。延遲串擾是由于二次雪崩產生的光子被鄰近的SPAD未耗盡層吸收，并擴散到SPAD的倍增區域而產生雪崩效應。該過程的發生需要一定的時間，通常可與主信號區分開，如圖6所示。外部串擾的產生是由于初級雪崩效應產生的光子經外部閃爍體或保護窗的反射回到SPAD。

圖6 SiPM噪聲示意圖：（a）SiPM噪聲來源，（b）噪聲波形圖

前端電子學系統

前端電子學在各應用中為最大程度發揮SiPM的特性和優點起到重要作用。不適合的前端電子讀出電路將限制SiPM的性能。例如，在高密度的SiPM陣列應用中，使用成熟的單個讀出理想電路是不切實際的。若采用多路合成技術降低讀出通道數，一方面會降低信號讀出速度，另一方面光子時間分辨率會因電子噪聲疊加增大而降低，從而限制了時間精度的準確性。

SiPM在輻射探測領域的應用

近年來，人們對SiPM的研究越發深入，圖7（a）收集、分類、總結了SiPM在各領域學科的應用現狀，主要包括輻射探測、正電子發射斷層掃描、生物成像技術、空間粒子輻射等。圖7（b）是過去20年間在輻射探測領域有關SiPM和光電倍增管（PMT）應用的公開文獻數量統計圖。其結果表明，近10年有關SiPM的研究數量大幅度增長，研究熱度接近甚至超越了PMT。

圖7 SiPM的研究現狀：（a）SiPM在各領域的應用，（b）近20年輻射探測領域基于SiPM和PMT的公開文獻統計數量對比

中子探測器

中子沒有電荷，即使在高密度金屬中也能穿透得很深。相比于其他類型輻射探測，中子探測可用于評估軟質和凝聚態物質中的晶格，甚至是磁結構和自旋波等。中子的探測技術基于中子誘發核反應。在此反應中，中子被散射原子的原子核俘獲，同時產生具有高能量的次級粒子，這些粒子能夠通過監測次級帶電粒子引起的電離現象實現中子探測。

圖8 基于SiPM的中子閃爍探測器結構圖

正電子發射斷層掃描

正電子發射斷層掃描（PET）是1970年代開發的一種用于觀察體內功能過程的醫學成像技術，通過引入化學示蹤劑來觀察特定組織的功能狀態，目前已經在癌癥影像診斷方面起著至關重要的作用。早期，臨床PET機器中的標準光電探測器是PMT，但是PMT的大尺寸限制了探測器的空間分辨率。SiPM的尺寸微小且對磁場不敏感，可有效提升PET分辨率。飛行時間（ToF）技術為PET提供了更高的圖像質量，通過更精準地識別從正電子湮滅事件到探測器的距離，提供更明確的診斷信息。一個典型的ToF-PET結構如圖9所示，它由30個檢測塊組成，具有3840個通道。其中，每個檢測塊由兩個探測模塊和一個前端模塊組成，該前端模塊由兩個配備專用集成電路和SiPM接口的電路板以及一個ASIC接口板組成。

圖9 典型ToF-PET單元結構圖

其他應用

除了上述應用，Santangelo等測試了SiPM應用于生物傳感技術的檢測低熒光水平的能力。分別測試了DNA微陣列的干燥樣本和實時聚合酶鏈式反應（PCR）的液體樣本的系統線性情況。結果表明，SiPM比傳統的探測器具有更高的靈敏度。在生物發光檢測分析中，SiPM的應用也取得了關鍵性成果，如圖10所示。

圖10 SiPM在生物傳感熒光探測的應用

總結與展望

20世紀90年代快速發展的SiPM技術打開了輻射探測領域的新紀元。與PMT相比，SiPM具有更緊密的結構、更低的偏置電壓、更高的增益、更好的磁場靈敏度。作為在弱光探測應用中的單光子探測器，SiPM已經逐步開始取代PMT，成為在核物理、高能物理試驗中的首要選擇。以SiPM的基本工作原理為基礎，展開討論了重要參數的影響，著重分析論述了近年來SiPM在輻射探測方面應用的最新進展。

當前，我國在SiPM方面已經具備了一定的技術儲備，但是依舊處于發展的黃金上升期。預計未來SiPM會朝著高動態范圍器件的方向發展。通過研究更高密度的SPAD并結合先進的封裝技術，使SiPM陣列單元之間的死區最小化，在不影響光子探測效率的同時，增加SiPM的動態范圍。此外，高集成化的數字SiPM（DSiPM）也具有廣闊的發展前景。未來可以集成讀出電子系統至DSiPM，也有望利用DSiPM實現具有出色時間分辨率的單光子計數技術。