CC BY
17УДК 621.383.523
Методы подавления оптической связи между ячейками матрицы кремниевых фотоумножителей
А.А. Жуков1, Е.В. Попова2, Н.Н. Герасименко3'4
1НПК «Технологический центр» (г. Москва)
2Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Национальный исследовательский университет «МИЭТ» 4Национальный исследовательский Томский государственный университет
Methods for Optical Cross-Talk Suppression between Cells in a Matrix of Silicon Photomultipliers
A.A. Zhukov1' E.V. Popova2, N.N. Gerasimenko3'4
1 SMC «Technological Centre», Moscow
2
National Research Nuclear University MEPhI, Moscow 3National Research University Electronic Technology «MIET» 4National Research Tomsk State University
Экспериментально исследованы способы подавления оптической связи между ячейками в кремниевых фотоэлектронных умножителях. Рассмотрены механизмы подавления оптической связи и показана степень влияния каждого из них. Исследован способ разделения светочувствительных ячеек на основе вытравливания V-образных канавок. Показана принципиальная возможность снижения оптической связи между ячейками с 20-40 % до 0,1-0,7 % в диапазоне перенапряжения 2-5 В соответственно.
Ключевые слова: кремниевые фотоэлектронные умножители; подавление оптической связи; V-образные канавки.
The reproducible technologies for creating the efficient method for suppression of the optical connection between the cells in silicon photoelectron multipliers have been experimentally studied and obtained. The mechanisms of the optical communication suppression have been considered and for each of them the influence value has been shown. The way of separation of the photosensitive cells based on etching of V-shaped trenches has been investigated. The principal possibility of optical cross-talk decreasing between the cells from 2040% to 0.1-0.7% in the range of over bias 2-5 V, respectively, has been shown.
Keywords: silicon photomultiplier (SiPM), optical cross-talk suppression, V-shaped trenches.
Введение. Для различных областей применения используются фотоумножители, которые показывают оптимальные результаты. Сравнительные характеристики лавинных фотодиодов (ЛФД), PIN-фотодиодов (PIN), вакуумных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и гейгеровских кремниевых фотоумножителей ^ФЭУ) приведены в таблице.
© А.А. Жуков, Е.В. Попова, Н.Н. Герасименко, 2015
Сравнительные характеристики фотодетекторов
Параметр Тип фотоумножителя
ЛФД рт ФЭУ 81ФЭУ
Эффективность регистрации света (420 нм), % 60-70 60-70 30 30-60 (зависит от размера ячейки)
Величина усиления сигнала, раз 100-200 1 106-107 105-107 (зависит от размера ячейки)
Шум-фактор, ЕОТ >2 1 1,15-4,0 1,02-1,5
Пороговая чувствительность фотоэлектронов ~10 ~1000 1 1
Разброс времени срабатывания/10 фотоэлектронов, пс ~1000 - ~100 30
Напряжение смещения, В 100-1000 10-100 1000-2000 ~50
Работа в магнитном поле Возможна Возможна Сложно или невозможно Возможна
SiФЭУ - быстро развивающийся тип фотодетекторов, являющихся основой для решения широкого круга научных и прикладных задач, где требуется регистрация импульсного излучения малой интенсивности. К основным преимуществам данного типа приборов относятся следующие: высокая эффективность регистрации света в совокупности с возможностью регистрировать единичные фотоны с последующим усилением сигнала; возможность работы на малых напряжениях смещения; нечувствительность к магнитному полю. Характеристики разработанных детекторов позволяют не только заменить вакуумные ФЭУ во многих применениях, но и создавать на их основе качественно новые системы, содержащие тысячи и миллионы каналов регистрации, - адрон-ные калориметры, телескопы для гамма-астрономии, позитронно-эмиссионные томографы нового поколения. Малые габариты, совместимость со стандартной МОП-технологией и, как следствие, низкая стоимость делают этот класс фотоэлектронных приборов перспективным.
Эксперимент. Для подавления оптической связи необходимо установить способы распространения вторичного оптического сигнала. Такое исследование проводится с использованием специальных тестовых структур, состоящих из пары гейгеровских ячеек, расположенных на определенном расстоянии друг от друга и имеющих индивидуальные выводы для подключения к внешней цепи. Для исследования коэффициента оптической связи между двумя одиночными ячейками использовалась специальная экспериментальная установка, схема которой приведена на рис.1.
К ячейкам приложено напряжение смещения выше напряжения пробоя, и они работают в режиме гейгеровского разряда. Установка включает в себя два канала, один из которых используется для формирования временных «ворот», в диапазоне которых происходит измерение сигналов со второго канала. Порог формирования ворот устанавливается на уровне, достаточном для надежного отделения от шумов электроники. Задержка устанавливается такой, чтобы сигнал со второго канала приходил на зарядово-цифровой преобразователь одновременно с воротами, сформированными в первом канале. Тогда при отсутствии связи между исследуемыми ячейками на зарядово-цифровом преобразователе будет формироваться спектр, соответствующий случайным попаданиям шумовых импульсов
второй ячейки. При наличии оптической связи вид спектра изменится - появятся события, соответствующие срабатыванию второй ячейки из-за фотонов, порожденных при срабатывании первой ячейки, и, наоборот, при срабатывании первой ячейки из-за фотонов, порожденных во второй ячейке, т.е. увеличится число событий, больших пьедестала по сравнению с шумовыми.
Термин «оптическая связь» означает следующее: при развитии электронно-дырочной лавины в полупроводнике образуются фотоны, которые распространяются в объеме фотоприемника, могут поглотиться и вызвать новую лавину в других, преимущественно соседних, ячейках SiФЭУ. Это приводит к дополнительной ошибке при амплитудных измерениях. Количество образующихся фотонов пропорционально числу электронов в лавине, т.е. пропорционально коэффициенту усиления в одной ячейке. Пик в спектре, соответствующий отсутствию сигнала с фотоэлектронного умножителя (0 сработавших ячеек), обычно называют «пьедесталом». Собственная генерация событий фотоумножителя при напряжении смещения называется шумовым сигналом.
Анализ спектров, получаемых с помощью такой установки, показал следующее:
- полное число событий в спектре равно количеству срабатываний первой ячейки либо количеству срабатываний из-за темновых шумов или за счет оптической связи от второй ячейки;
- число событий в спектре больше, чем значение «пьедестала», и равно количеству срабатываний второй ячейки из-за ее темновых шумов, попавших в «ворота» первой, плюс число событий, обусловленных как связью от первой ячейки ко второй, так и от второй к первой.
Отметим, что оптическая связь фотоэлектронных умножителей на основе кремния ^ФЭУ) больше оптической связи пары ячеек примерно в 4-6 раз.
Варианты распространения вторичного излучения внутри кремниевой структуры [1]. Вариант 1. Оптическая изоляция ячеек отсутствует (рис.2,а). Свет, порожденный гейгеровским разрядом ячейки, может проникать в соседние ячейки напрямую, распространяясь в области пространственного заряда (ОПЗ) по траектории 1 (см. рис.2). Если траектория света уходит в глубь подложки, но фотоэффект происходит на расстоянии диффузионной длины от ОПЗ, то появившийся свободный носитель может попасть в ОПЗ соседней ячейки посредством диффузии по траектории 2 (см. рис.2,а). И для самого длинноволнового излучения существует траектория, когда фотон отражается от обратной стороны подложки и снова попадает в ОПЗ соседней ячейки по траектории 3 (см. рис.2,а). Во всех трех случаях здесь и далее понятие «соседняя ячейка» относится к ближайшим к сработавшей, а также к остальным ячейкам SiФЭУ.
Ячейка №1
Усилитель 1
Линейный
разветвитель
| Формирователь
Осциллограф
Ячейка №2
Усилитель 2
1
Задержка
|
Ворота
Зарядово-цифровой преобразователь
Рис.1. Блок-схема экспериментальной установки для исследования оптической связи между ячейками
Рис.2. Пути распространения фотонов: а - отсутствие оптической изоляции между ячейками; б - защита при помощи V-образных канавок; в - защита при помощи У-образных канавок и второго /»-«-перехода между активной областью и подложкой; г - защита при помощи У-образных канавок, второго /-«-перехода, области повышенного поглощения света на обратной стороне подложки
Самый простой способ подавить прямую оптическую связь - расположить ячейки Б1ФЭУ на возможно большем расстоянии друг от друга [2]. При условии, если не требуется достижения максимально возможной эффективности регистрации света и плотного массива ячеек, такой способ прост и удобен. По описанной экспериментальной методике для двух отдельных ячеек Б1ФЭУ измерена оптическая связь для разных расстояний между границами ячеек: 5, 37, 69 и 101 мкм. Результаты приведены на рис.3. Размеры отдельной ячейки составляют 28*28 мкм. Напряжение пробоя (60 ± 3) В, глубина обедненной области около (2,5 ± 0,3) мкм. Видно, что с увеличением расстояния между ячейками оптическая связь уменьшается.
В работе [3] проведено моделирование для определения эффективного диапазона длин волн спектра вторичных фотонов, вносящего наибольший вклад в появление оптической связи. Установлено, что длина волны таких фотонов составляет от 900 до 1100 нм, а энергия соответственно 1,15-1,4 эВ, глубина поглощения в кремнии света для указанного диапазона - от 20 до нескольких тысяч микрометров. Это означает, что таким способом снизить до экстремально низких значений коэффициент оптической связи не удастся, так как потребуется разносить ячейки друг от друга на расстояния, близкие к сантиметровым.
Вариант 2. Рассмотрим случай, когда ячейки разделены У-образными канавками (см. рис.2,б). Это более универсальный, но и технологически более сложный способ создания разделяющих элементов между ячейками в процессе производства SiФЭУ.
ц
о >.
д
СП
к
со о
0,1
0,01
V-образные канавки получаются в процессе анизотропного жидкостного травления кремния с ориентацией (100) [4]. Самые распространенные варианты анизотропного травления кремния в 33%-ном КОН, ЭДП и 20%-ном TMAH. В силу особенностей анизотропного травления форма боковых стенок близка по качеству к кристаллографическим плоскостям {111} и это качество сохраняется в широком диапазоне глубин канавок. Кристаллографические плоскости {111} кремния образуют угол, равный 70,52°. Пример канавок, полученных при изготовлении рабочей партии Б1ФЭУ в НПК «Технологический центр», показан на рис.4. Ширина d основания канавок и их глубина h связаны соотношением
ь с О
IE-3
5 мкм 37
6$ 101
0 12 3 4 5
Усиление, 10б
Рис.3. Соотношение величин оптической связи для различных расстояний между ячейками 81ФЭУ
h =
d
d
2 • ctg(54,74°) 1,4
Рис. 4. У-образные канавки в кремнии, полученные анизотропным травлением в этилендиамине (размеры даны в мк)
Такие канавки, даже не заполненные поглощающим материалом и не покрытые отражающим материалами, а просто окисленные для защиты поверхности кремния, имеют изолирующие свет свойства. Это связано с тем, что коэффициент преломления кремния значительно превышает коэффициент преломления оксида кремния пох. Для красного и инфракрасного света приблизительно равен 3,2-3,5, поэтому угол полного внутреннего отражения света от поверхности раздела кремний-окисел кремния (показатель преломления окисла п$\о2 = 1,46) равен:
а = arcsin(^) = 24,65°.
«Si
Соответственно, при углах падения света больше, чем 24,65°, свет, излученный в сработавшей ячейке, будет отражаться в сторону подложки. Таким образом, канавки защищают соседние ячейки от попадания в них прямого света, увеличивая долю событий, приходящихся на траектории 2 и 3. Глубина канавок должна быть достаточной для надежного перекрытия ОПЗ ячейки. С точки зрения оптической изоляции лучше, если вершина канавки будет входить внутрь необедненного слоя, находящегося за областью пространственного заряда. Тогда попадание «прямого» света из сработавшей ячейки в соседние над вершиной канавки будет полностью исключено. Однако при изоляции V-образными канавками есть потери в геометрической эффективности и, как следствие, в полной эффективности регистрации света SiФЭУ.
При оставшихся возможных вариантах паразитной регистрации вторичных фотонов по траектории 2 и 3 оптическая защита ячейки будет неполной. Для исключения механизма образования оптической связи по траектории 2 необходимо создание потенциального барьера между активной областью ОПЗ SiФЭУ и остальной частью подложки, обеспечивающей механическую прочность кристалла SiФЭУ. Этот барьер должен предотвращать попадание свободных носителей из объема подложки в рабочий светочувствительный слой SiФЭУ.
Вариант 3. Одним из вариантов создания такого потенциального барьера является использование второго р-п-перехода (см. рис.2,в) между подложкой и активным слоем SiФЭУ [5].
На рис.5 показаны экспериментальные результаты, полученные при исследовании тестовой партии 81ФЭУ, изготовленной в НПК «Технологический центр». Исследовалась оптическая связь пары ячеек размерами 100^100 мкм с расстоянием между ними 35 мкм. Ячейки имели разные варианты защиты от оптической связи. Контрольные образцы изготовлены без защиты. Исследуемые образцы с канавками имели различную глубину канавок и изготавливались на подложке с разным типом проводимости. Видно, что второй р-п-переход является эффективным средством защиты, существенно понижающим оптическую связь по сравнению со структурой с той же самой глубиной канавок, но без перехода подложка-активный слой. Для эффективного использования второго перехода прямой свет должен быть уже существенно подавлен посредством канавок. В противном случае использование второго перехода не дает заметного уменьшения оптической связи.
Вариант 4. Оставшуюся (см. рис.2,г) последнюю компоненту вторичного излучения, распространяющуюся по траектории 3 - отражение от подложки, можно уменьшить за счет использования допол-
Рис.5. Измеренная оптическая связь пары ячеек, находящихся на одинаковом расстоянии, с различными вариантами защиты от оптической связи: 1 - без подавления оптической связи; 2 - без дополнительного р-п-перехода, канавки 4 мкм;
3 - с дополнительным р-п-переходом, канавки
4 мкм; 4 - без дополнительного р-п-перехода, канавки 8 мкм; 5 - с дополнительным р-п-переходом, канавки 8 мкм; 6 - с дополнительным
р-п-переходом, канавки 12 мкм
нительных светопоглощающих слоев, создаваемых в объеме и/или на обратной поверхности подложки. Это могут быть слои металлов, поликремния и диэлектриков. Для каждой длины волны данный слой и/или чередование слоев следует выбирать индивидуально.
Заключение. Таким образом, на основе анализа экспериментальных данных, полученных при измерении тестовых структур, состоящих из двух ячеек Б1ФЭУ с индивидуальным считыванием сигнала, определены методы подавления оптической связи. Применение таких методов, как формирование заглубленного р-и-перехода и рассечение активных ячеек V-образными канавками, позволяет снизить оптическую связь между ячейками с 20-40 % до 0,1-0,7 % в диапазоне перенапряжения 2-5 В соответственно.
Работа выполнена при финансовой поддержке мегагранта «Исследования в физике высоких энергий и ядерной медицине с применением кремниевых фотоумножителей (SiPM)» (договор 14.А12.31.0006 от 24.06.13).
Литература
1. The cross-talk problem in SiPMs and their use as light sensors for imaging atmospheric Cherenkov telescopes/ E. Popova, P. Buzhan, B. Dolgoshein et al. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. - 2009. - A610. -Р. 131-134.
2. Large area silicon photomultipliers: Performance and applications / B. Dolgoshein, E. Popova, P. Buzhan et al. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. - 2006. - A567. - Is. 1. - P. 78-82.
3. Adam Nepomuk Otte. Observation of VHE gamma-rays from the vicinity of magnetized neutron stars and development of new photon-detectors for future ground based gamma-ray detectors // Ph.D thesis. Technische Universitaet Muenchen. Max-Planck-Institut fur Physik (Werner-Heisenberg-Institut), 2007). -2007.
4. Sze S.M. Semiconductor devices, physics and technology. - 2nd ed. - John Wiley&sons, Inc, 2002.
5. Кремниевый фотоэлектронный умножитель (варианты) и ячейка для кремниевого фотоэлектронного умножителя // Патент Российской Федерации №2290721 от 27.12.2006.
Статья поступила 4 февраля 2015 г.
Жуков Андрей Александрович - начальник участка литографии НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: технологии фотолитографии, жидкостные химические процессы травления.
Попова Елена Викторовна - кандидат физико-математических наук, инженер лаборатории кремниевых фотоумножителей Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Область научных интересов: разработка кремниевых фотоумножителей и приборов на их основе.
Герасименко Николай Николаевич - доктор физико-математических наук, профессор, начальник лаборатории радиационных методов технологии и анализа МИЭТ, профессор Национального исследовательского Томского государственного университета. Область научных интересов: ионная имплантация в полупроводники, процессы формирования структур (самоорганизация) в твердых телах при облучении. E-mail: rmta@miee.ru
