原创 SiPM的选型思考

概述

当前SiPM读出测试系统进行到了一定程度，最初SiPM型号的选定是由项目团队敲定，个人对此经过一段时间的学习，对应为何要如此选型也有了一定的理解。

目前，项目计划在当前基础上衍生额外的项目分之，即SiPM需要选用其它型号。本文基于个人理解试图初步探讨如何对于即将采用的SiPM型号进行选择。

当前SiPM型号

当前使用的SiPM来自滨松的S14161-6050HS-04，这是一个4x4的SiPM阵列，总共16个通道，其电气指标如下图所示。

图1：S14161系列SiPM指标。

新项目SiPM选型指导

新衍生的项目设计根本目标是提升符合分辨率。当前项目有哪些是除了电子电路设计方面无法优化，而需要通过改变SiPM型号来进行优化的呢？这方面主要有两个因素可以考虑：

• 提高光子探测效率
• 降低暗电流

新的SiPM型号无法从根本上大幅度提高所谓的符合分辨率，只能在当前物理条件基础上进行优化。如图1所示，当前使用的SiPM像素尺寸是50um，单通道尺寸为6mm，暗电流典型值为2.5uA，最大值为7.5uA。

从上述两个指导建议，即提高PDE，降低暗电流出发，可以寻求增大像素尺寸，减小单通道尺寸，这样在不改变其它指标情况下可以初步得到一个型号S14161-4075HS-04。从滨松公开网站上无法查询到S14161系列有该型号。

SiPM相关指标的理解

这里对于指标的理解还有两个疑问，即首先是图1给出暗电流整个阵列的暗电流还是单个像素的暗电流？其次是图1给出的增益是整个阵列增益还是单个通道或单个像素的增益？

从滨松官网有关MPPC的基础知识分享，可以了解到增益计算公式如下所示：

Gain = 1/q * Cp * Vov

根据上述公式，增益似乎是基于像素计算，所以图1给出的增益是否可以理解为也是对于型号中单像素增益。

SiPM其它因素考虑

通过咨询，得知滨松应该是很愿意为特定用户进行定制化MPPC的生产。那么在考虑增大PDE方面考虑除了增大像素尺寸外，是否还有其它因素可以是该目标呢？同样在滨松官网给出了PDE计算公式，如下式所示。

PDE = FF * QE * AP

上述公式右侧，第一项是填充系数，第二项是量子效率，最后一项是雪崩概率。理论上来说，大的像素尺寸会带来大的雪崩概率，从而增大PDE，这是为何上述指导意见首先像素尺寸从50um到75um的原因。

那么这里探讨的其它因素是什么呢？和第二项的量子效率无关，和第一项的填充系数应该是有关系的。如图2所示，在SiPM器件手册里给出的封装尺寸可以看出，SiPM通道 之间存在比较大的“沟道”间隔。

图2：S14161-6050HS-04封装尺寸示意图

如上图所示，这里通道之间有个0.2mm的间隔，0.2mm相对50um或75um的像素尺寸是非常巨大间隔。这个间隔必然会降低整体阵列的PDE，这里提出一个想法，通过将这个沟道尺寸尽量降低来提升或优化整体器件的PDE。唯一担心的问题是，这有可能是滨松封装生产上的限制。因为遍查其它阵列器件，该尺寸都是固定的0.2mm。而且如图3所示，竞争对手的这个指标也是0.2mm。

图3：ON Semi（SENSL）家SiPM芯片封装尺寸示意图

如图3所示，SiPM阵列其实就是由多个单通道SiPM封装而成，那么如果用正片原料直接代替分割好的小颗粒封装成类似尺寸SiPM是否可行？这样就解决了通道间过大间隔问题。内部通过“电气分割”再将正片材料分成同样的通道。这是一种思路。