硅光电倍增器(SiPM)的最新研究进展：外延电阻淬灭技术

本文主要探讨了外延电阻淬灭型硅光电倍增器(SiPM)的最新研究进展，特别是北京师范大学国家纳米科学中心(NDL)开发的9平方毫米等效量子效率(EQE)SiPM，即EQR15。 硅光电倍增器(SiPM)是一种新型的单光子探测器，由多个独立工作的盖革模式雪崩光电二极管(APD)微单元并联组成。每个APD微单元与各自的淬灭电阻串联，并通过公共电极输出信号，信号强度与被激活的微单元数量成正比，进而反映所探测到的光子数。相较于传统的光电倍增管(PMT)，SiPM在非真空环境下运行，具有抗磁性、体积小、功耗低和单光子分辨能力强等优点，广泛应用于天文、高能物理、激光雷达和核医学成像等领域。 SiPM的性能优化主要集中在降低暗电流噪声(DCR)、提高增益(gain)、提升光子检测效率(PDE)和扩大动态范围。低DCR对于提高如正电子发射断层扫描(PET)等高精度应用的定时性能至关重要。滨松公司已经开发出低DCR的S14160-3015PS型号，典型DCR低于100kHz/mm²。另一方面，为了满足宽动态范围的需求，FBK推出了微单元密度高达46190个/mm²的UHDSiPM。 SiPM根据淬灭电阻的布局分为两类：表面多晶硅淬灭电阻型和外延电阻型。前者是常见结构，由滨松、ON和FBK等公司采用，但由于淬灭电阻位于器件表面，限制了其几何填充因子。而NDL的NonP型SiPM则利用P型硅外延层作为淬灭电阻，能够实现更高的几何填充因子，从而兼顾高PDE和大动态范围。 NDL的最新EQR15 SiPM（微单元尺寸为15μm）在9mm²的有效面积上展示了显著的性能提升。通过优化设计和工艺改进，相较于1mm²有效面积的同类产品，EQR15成功降低了DCR，同时保持了高PDE，这对于PET等核医学应用尤其有利，能够提高诊断的准确性和灵敏度。 外延电阻淬灭型SiPM在技术研发上取得了显著进步，尤其是在降低噪声和保持高效探测方面，这预示着其在单光子探测领域将有更广泛的应用前景。