研究目的
研究0.35微米CMOS工艺在大面积硅光电倍增管(SiPM)中检测弱光子通量的可扩展性。
研究成果
面积达9平方毫米的CMOS硅光电倍增管(SiPM)展现出与定制技术SiPM相媲美的性能,其暗计数率、串扰、光子探测效率、增益及击穿电压温度系数等参数均与面积无关。输出电容、衰减时间和单光子时间分辨率虽随面积变化,但仍适用于低光子通量探测。0.35微米工艺在集成电子开发方面表现出稳定性和成熟度。
研究不足
该研究仅限于0.35微米CMOS工艺;未探索扩展至其他工艺节点或超过9平方毫米的更大面积。输出电容随面积增大而增加,影响信号质量,且暗计数率的变化可能表明工艺不均匀性。
1:实验设计与方法选择:
本研究采用0.35微米CMOS工艺设计并表征了面积分别为1平方毫米、4平方毫米和9平方毫米的硅光电倍增管(SiPM)。研究方法包括电流-电压特性测试、暗计数率与串扰测量、增益测量、光子探测效率测量以及单光子时间分辨率测量。
2:35微米CMOS工艺设计并表征了面积分别为1平方毫米、4平方毫米和9平方毫米的硅光电倍增管(SiPM)。研究方法包括电流-电压特性测试、暗计数率与串扰测量、增益测量、光子探测效率测量以及单光子时间分辨率测量。 样本选择与数据来源:
2. 样本选择与数据来源:从10个晶圆中随机选取芯片,共制备120个SiPM器件样本。
3:实验设备与材料清单:
设备包括Keithley 2636源表、Lakeshore 325温控仪、GDC-J25真空电磁阀、Agilent B1500A半导体分析仪、Keithley PCT-CVU电容-电压计、CAEN N844阈值甄别器、Keysight 81133A脉冲模式发生器、PicoQuant LDH-P-C-440激光二极管、PicoQuant PDL 800-B激光驱动器、Thorlabs NE10A和NE60A滤光片、Thorlabs ED1-C20-MD漫射器、Tektronix DPO71604B数字示波器及宽带电压放大器。材料为采用0.35微米CMOS技术制造的SiPM器件。
4:35微米CMOS技术制造的SiPM器件。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:实验流程包括在不同温度下测量电流-电压曲线、在遮光箱内测量暗计数率与串扰、利用LED照明测量增益、通过单色仪系统测量光子探测效率、采用脉冲激光测量单光子时间分辨率。数据采集与分析使用指定设备与软件完成。
5:数据分析方法:
数据分析包含通过数值微分法确定击穿电压、采用阈值扫描法测量暗计数率、通过电荷积分法计算增益、利用光谱测量法测定光子探测效率、结合波形分析与线性插值法获取时间分辨率。
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capacitance-voltage meter
PCT-CVU
Keithley
Measuring capacitance
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pulse pattern generator
81133A
Keysight
Generating pulses for LED illumination
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laser diode
LDH-P-C-440
PicoQuant
Emitting light for single photon time resolution measurement
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laser driver
PDL 800-B
PicoQuant
Driving the laser diode
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filter
NE10A
Thorlabs
Reducing light flux
-
filter
NE60A
Thorlabs
Reducing light flux
-
diffuser
ED1-C20-MD
Thorlabs
Making light uniform
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digital oscilloscope
DPO71604B
Tektronix
Reading out amplified signals
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source meter
2636
Keithley
Measuring current-voltage characteristics of SiPMs
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temperature controller
325
Lakeshore
Controlling temperature for temperature-dependent measurements
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semiconductor analyzer
B1500A
Agilent
Analyzing semiconductor devices
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vacuum electromagnetic valve
GDC-J25
Controlling nitrogen flow for cooling
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threshold discriminator
N844
CAEN
Discriminating pulses for dark count rate measurement
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voltage wideband amplifier
MINICIRCUITS
Amplifying signals from SiPMs
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