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光子探测效率和高效光子计数检测系统

紫金山天文台台刊 1992年第2期11卷 111-120页

作者：谭征

应当把探测效率作为光子探测系统的一个重要的总体性能指标,它标志了系统灵敏度发挥的程度。探测效率可以用相对统计比较法进行测算。过去的光子探测系统普遍存在漏计现象。因而探测效率明显偏低,作者对漏计的原因进行了探讨。提出克服... 详细信息

应当把探测效率作为光子探测系统的一个重要的总体性能指标,它标志了系统灵敏度发挥的程度。探测效率可以用相对统计比较法进行测算。过去的光子探测系统普遍存在漏计现象。因而探测效率明显偏低,作者对漏计的原因进行了探讨。提出克服漏计的方法。进而研制出一种新型高效光子计数检测系统,经过中星仪的试观测和等高仪的应用,证明该系统探测率高达95％以上,明显地提高了探测的极限和精度。

关键词：光子探测效率光子计数检测系统

实时激光通信用自由运行InGaAs/InP单光子探测器(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第7期61卷 142-149页

作者：童启夏雷勇申向伟谌晨陈伟赵江林任丽崔大健汪亮蔡善勇重庆光电技术研究所重庆400060 量子信息芯片与器件重庆重点实验室重庆400060 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室北京100876

为实现高速、高灵敏度、低成本的激光通信,优化改进一种新的InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)以更好地使其应用于单个单光子探测器(SPD)探测的近红外激光通信系统。与上一代相比,优化各层结构的同时,在其中加入了介质-金属反射层并改... 详细信息

为实现高速、高灵敏度、低成本的激光通信,优化改进一种新的InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)以更好地使其应用于单个单光子探测器(SPD)探测的近红外激光通信系统。与上一代相比,优化各层结构的同时,在其中加入了介质-金属反射层并改进了双Zn扩散工艺。在1.25 GHz高频正弦门控(SWG)工作模式、225 K温度和6 V偏置下,所制备的InGaAs/InP SPAD实现了光子探测效率(PDE)为30%、暗计数率(DCR)为3 kHz和后脉冲概率(Pap)为2.4%的单光子性能。将基于高性能SPAD制备的自由运行负反馈雪崩二极管(NFAD)作为接收机,应用到已有实时激光通信系统中,实验得到了单个NFAD的激光通信性能参数。结果表明,在使用4进制脉冲相位调制(4PPM)方案中,在1 Mbit/s比特率条件下,单个InGaAs/InP NFAD具有1.1×10^(−5)误码率和−69.6 dBm灵敏度。

关键词： InGaAs/InP 单光子探测器单光子雪崩二极管负反馈雪崩二极管光子探测效率激光通信

BESIII低能光子探测效率的研究与离线数据质量检查

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BESIII低能光子探测效率的研究与离线数据质量检查

作者：崔杰杰郑州大学

学位级别：硕士

本文由两部分组成，第一部分是关于BESIII电磁量能器（EMC）对低能光子探测效率的研究，第二部分是离线数据质量检查。光子探测效率是EMC的一个重要指标，在高能区，它对光子的探测效率几乎达到100%，但在低能区，我们还没有得到一... 详细信息

本文由两部分组成，第一部分是关于BESIII电磁量能器（EMC）对低能光子探测效率的研究，第二部分是离线数据质量检查。光子探测效率是EMC的一个重要指标，在高能区，它对光子的探测效率几乎达到100%，但在低能区，我们还没有得到一个统一的结果，同时BESIII物理分析需要对光子的探测效率有一个好的了解。在对低能光子探测效率研究过程中，采用的信号样本为ψ（2S）→γ χcJ，此样本的衰变光子能量在300MeV以下。首先使用ψ（2S）→anything的蒙特卡洛数据（Inclusive MC）对本底情况进行了研究，并将本底的含量控制在1.8%左右，然后研究了寻找丢失光子的方法，定义光子窗口，最后计算出效率并研究了系统误差。在离线数据检查过程中，使用Bhabha和Dimu事例对几个能量点的数据质量进行了初步的检查，发现了TOF存在死道等现象。

关键词：光子探测效率电磁量能器数据质量检查

高光电探测效率CMOS单光子雪崩二极管器件

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光子学报 2017年第8期46卷 1-7页

作者：王巍陈婷李俊峰何雍春王冠宇唐政维袁军王广重庆邮电大学光电工程学院/国际半导体学院重庆410065 中科院微电子所十室北京100029

基于0.18μm CMOS工艺技术,制作了单光子雪崩二极管,可对650~950nm波段的微弱光进行有效探测.该器件采用P^+/N阱结构,P^+层深度较深,以提高对长光波的光子探测效率与响应度;采用低掺杂深N阱增大耗尽层厚度,可以提高探测灵敏度;深N阱与... 详细信息

基于0.18μm CMOS工艺技术,制作了单光子雪崩二极管,可对650~950nm波段的微弱光进行有效探测.该器件采用P^+/N阱结构,P^+层深度较深,以提高对长光波的光子探测效率与响应度;采用低掺杂深N阱增大耗尽层厚度,可以提高探测灵敏度;深N阱与衬底形成的PN结可有效隔离衬底,降低衬底噪声;采用P阱保护环结构以预防过早边缘击穿现象.通过理论分析确定器件的基本结构参数及工艺参数,并对器件性能进行优化设计.实验结果表明,单光子雪崩二极管的窗口直径为10μm,器件的反向击穿电压为18.4V左右.用光强为0.001 W/cm^2的光照射,650nm处达到0.495A/W的响应度峰值;在2V的过偏压下,650~950nm波段范围内光子探测效率均高于30%,随着反向偏压的适当增大,探测效率有所提升.

关键词：单光子雪崩二极管标准0.18μm CMOS工艺深N阱保护环击穿特性响应度光子探测效率

高探测效率单光子雪崩二极管探测器的像素单元设计与暗计数机理研究

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高探测效率单光子雪崩二极管探测器的像素单元设计与暗计数机理研...

作者：向平南京邮电大学

学位级别：硕士

单光子雪崩二极管(SPAD,Single Photon Avalanche Diode)具有响应度快、雪崩增益大、探测效率高、功耗低等特点,由它组成的SPAD探测器具有探测单个光子的能力,因此被应用在当今很多领域并受到国内外广大研究者们的关注。随着单光子探测... 详细信息

单光子雪崩二极管(SPAD,Single Photon Avalanche Diode)具有响应度快、雪崩增益大、探测效率高、功耗低等特点,由它组成的SPAD探测器具有探测单个光子的能力,因此被应用在当今很多领域并受到国内外广大研究者们的关注。随着单光子探测技术的不断进步,人们对SPAD探测器性能的要求也越来越高,结合深亚微米(DSM,Deep Submicron)CMOS技术得到一个器件性能好、噪声小、芯片集成度高的单光子雪崩二极管探测器是研究者们共同的目标。SPAD探测器像素单元由三部分构成,SPAD器件、淬灭\复位电路、计数电路。本文从高性能SPAD器件和高SPAD像素单元填充系数两方面出发,设计了一个SPAD探测器像素单元,具体研究内容主要分为三大部分。首先,对暗计数率(DCR,dark count rate)机理的研究,提出一种能分别计算暗计数各产生机制具体值的暗计数计算模型。本文基于深亚微米CMOS技术对暗计数的产生机理做了深入的研究和分析,提出了基于遂穿效应和载流子热激发的暗计数计算模型,该模型的创新在于能分别计算出各暗计数产生机制的具体大小。暗计数的产生机制主要分为三个方面:热激发、缺陷辅助遂穿(TAT)、带-带遂穿(BTBT);暗计数计算模型的计算结果表明陷阱辅助遂穿是产生暗计数的主要来源,随着雪崩区掺杂浓度的增加,带-带遂穿将逐渐成为影响暗计数的主要机制。其次,对SPAD器件结构的研究,提出一种高光子探测效率的埋层保护环SPAD结构。光子探测效率(PDE,Photon Detection Effciency)是SPAD器件的一个重要性能参数,本文基于0.18μm CMOS工艺设计了一种高光子探测效率的埋层保护环SPAD器件,该SPAD器件采用一种环绕式P-注入加P埋层和P+埋层保护环的深P阱的SPAD结构,首次利用埋层结构防止边缘击穿,以增大雪崩区面积,提高SPAD器件的光子探测效率。计算结果表明,该结构的PDE最大可达到34%,且在室温3V过偏压下,DCR低于87Hz。最后,对外围电路的设计,提出一种结构简单、性能良好、版图面积小的淬灭/复位电路和计数电路。本文基于SMIC 0.18μm工艺库,设计了一个主动淬灭/复位电路和一个模拟计数电路。淬灭/复位电路结构简单,能实现主动淬灭和复位的功能;计数电路可实现线性计数,得到约9.5比特的线性计数范围;计数电路的创新在于用MOS管的电容接法代替传统的普通计数电容,成功将计数电路的版图面积降低至16μm×14μm,同等计数范围条件下比数字计数电路的版图面积小10倍左右,比普通模拟计数电路电路的版图面积缩小约2倍,由该计数电路组成的SPAD像素单元的填充率约为60%。

关键词： SPAD探测器暗计数率光子探测效率主动淬灭模拟计数

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高探测效率CMOS单光子雪崩二极管器件

光子学报 2016年第8期45卷 150-155页

作者：王巍鲍孝圆陈丽徐媛媛陈婷王冠宇重庆邮电大学光电工程学院/国际半导体学院重庆400065

基于标准0.35μm CMOS工艺设计了一种单光子雪崩二极管器件.采用p＋n阱型二极管结构,同时引进保护环与深n阱结构以提高单光子雪崩二极管性能;研究了扩散n阱保护环宽度对雪崩击穿特性的影响;对器件的电场分布、击穿特性、光子探测效率、... 详细信息

基于标准0.35μm CMOS工艺设计了一种单光子雪崩二极管器件.采用p＋n阱型二极管结构,同时引进保护环与深n阱结构以提高单光子雪崩二极管性能;研究了扩散n阱保护环宽度对雪崩击穿特性的影响;对器件的电场分布、击穿特性、光子探测效率、频率响应等特性进行了分析.仿真结果表明：所设计的单光子雪崩二极管器件结构直径为10μm,扩散n阱保护环宽度为1μm时,雪崩击穿电压为13.2 V,3 dB带宽可达1.6 GHz;过偏压为1 V、2 V时最大探测效率分别高达52%和55%;在波长500~800 nm之间器件响应度较好,波长为680 nm时单位响应度峰值高达0.45 A/W.

关键词：单光子雪崩二极管标准0.35μm CMOS工艺保护环深n阱响应度 3dB带宽光子探测效率

利用多像素光子计数器的光学串话效应提高光子探测效率

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中国光学 2015年第2期8卷 205-210页

作者：刘丽娜张国青西安理工大学理学院陕西西安710048 西安工程大学理学院陕西西安710048

通过分析多像素光子计数器(MPPC)的工作原理和其光学串话(OC)效应的特点,提出在使用MPPC输出雪崩信号的幅度或电荷量作为光子计数的参量时,利用MPPC的OC效应能提高MPPC的光子探测效率的观点,并从理论上分析了OC效应对光子探测效率的影... 详细信息

通过分析多像素光子计数器(MPPC)的工作原理和其光学串话(OC)效应的特点,提出在使用MPPC输出雪崩信号的幅度或电荷量作为光子计数的参量时,利用MPPC的OC效应能提高MPPC的光子探测效率的观点,并从理论上分析了OC效应对光子探测效率的影响。理论分析结果显示,在这两种光子计数模式下,利用OC效应能明显提高MPPC的光子探测效率。利用本文模型计算得出当MPPC的雪崩单元数M为1 600个,忽略OC效应时的光子探测效率等于30%,光学串话概率等于50%,以及单脉冲入射光子数均值为10时,包含OC效应影响的等效光子探测效率可提高50%,达45%左右。该结果对MPPC在天体物理、粒子物理、荧光光谱探测等弱光探测场合的应用有一定指导意义。

关键词：探测器多像素光子计数器硅光电倍增器光子探测效率光学串话效应

用于中微子探测的硅光电倍增管超低温性能研究

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用于中微子探测的硅光电倍增管超低温性能研究

作者：范小雪华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

中微子探测是粒子认知领域的重要课题,中微子核子相干散射是利用弱相互作用实现中微子探测的有效途径,利用闪烁体探测器可以实现对这一过程的探测。要实现低阈值、低放射性本底相干散射探测实验,与闪烁体耦合的光电转换倍增器件的性能... 详细信息

中微子探测是粒子认知领域的重要课题,中微子核子相干散射是利用弱相互作用实现中微子探测的有效途径,利用闪烁体探测器可以实现对这一过程的探测。要实现低阈值、低放射性本底相干散射探测实验,与闪烁体耦合的光电转换倍增器件的性能至关重要。与传统光电倍增管（Photomultiplier Tube,PMT）相比,硅光电倍增管（Silicon photomultiplier tube,SiPM）具有工作电压功耗低、光子分辨能力强、体积小易于拼接成大面积阵列、不受外界磁场干扰、不易老化等突出优点,被广泛应用在高能物理、天体物理、医学成像等研究领域。本论文针对反应堆中微子相干散射探测实验,提出了基于超低温工作硅光电倍增管作为光学读出器件的CsI闪烁探测器设计方案。通过自主设计研发的温度反馈控制系统,采用电磁阀控制液氮的注入,使硅光电倍增管的工作温度稳定降低到液氮温度（-196℃）及其他设定的工作温度,以减少热噪声引起的暗计数,提高输出信号的信噪比。本论文利用该温度反馈控制系统,对SensL-J-60035型号SiPM在室温（20℃）至液氮温度（-196℃）范围内的的性能参数进行了研究。实验结果表明,该型号SiPM符合实验方案要求。结合SensL-J-60035型号SiPM的CsI闪烁探测器在液氮温度工作环境下,成功实现了低能放射源信号的探测。主要结论如下:（1）合理利用液氮可以实现由室温（20℃）至液氮温度（-196℃）范围内的确定温度环境;实验中自主设计的温度反馈控制系统可以正常工作,实现较为稳定的温度控制;（2）SiPM的击穿电压随温度的降低而下降,在室温条件下时的击穿电压值为24.49V,液氮温度时的数值为20.7V;当温度高于-120℃时,击穿电压的变化趋势是近似线性的,变化的速度约为0.022 V/℃;当温度低于-120℃时,击穿电压的降低不再近似线性变化,且下降的速度逐渐减小;（3）暗计数率随温度的降低而大幅下降,室温条件下暗计数率为120 kHz/mm2,液氮温度条件下暗计数率为0.1 Hz/mm2,由室温至液氮温度下降了6个数量级,该实验结果表明低温可以有效压制SiPM的暗噪声;（4）相对光子探测效率随温度的变化呈现波动趋势,由室温至液氮温度数值变化幅度在10%以内;（5）由SiPM作为光学读出器件的CsI闪烁探测器在超低温环境中成功探测到241 Am这个低能放射源的信号,初步验证了探测器设计方案的可行性。

关键词：闪烁探测器硅光电倍增管击穿电压暗计数率光子探测效率

面向PET的高探测效率、低时间抖动硅光电倍增管研制

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面向PET的高探测效率、低时间抖动硅光电倍增管研制

作者：许莉北京邮电大学

学位级别：硕士

硅光电倍增管(SiPM)以其高探测效率、高时间分辨等优异性能,成为正电子发射断层扫描技术(PET)从分子层面精准实现疾病诊断、代谢监控、药物开发等功能的核心部件。本论文围绕硅光电倍增管探测效率和时间抖动的关键性能,提出具有超浅结... 详细信息

硅光电倍增管(SiPM)以其高探测效率、高时间分辨等优异性能,成为正电子发射断层扫描技术(PET)从分子层面精准实现疾病诊断、代谢监控、药物开发等功能的核心部件。本论文围绕硅光电倍增管探测效率和时间抖动的关键性能,提出具有超浅结深的电子雪崩触发结构,优化电场形貌提高雪崩触发概率,研制出硅光电倍增管原型芯片;研究了硅光电倍增管像元的辐照损伤机理,提出预补偿结构,仿真和实验证明了预补偿结构对辐射加固的可行性。具体研究内容如下:1、针对PET应用需求,设计出硅光电倍增管结构。采用p-on-n结构,提出采用BF2离子注入实现超浅电子触发雪崩结构,以提高器件在420 nm处的探测效率;优化电场形貌,在保证雪崩触发几率的前提下,通过电场调控的方法,通过陡峭电场来降低时间抖动;采用深沟槽隔离结构,优化其与雪崩区的距离,防止边缘击穿的同时降低像素间串扰。2、研制出周期分别为50μm、90 μm和170 μm的像元,暗电流在击穿电压前处于1 nA以下,击穿电压为9.2 V,在420 nm波长下,增益在过偏压1 V下超过107,微光显微镜(Emission Microscope,EMMI)测试结果显示,没有明显的边缘击穿。淬灭电阻值与设计值相符合,显示了明显的电流淬灭作用。对于50 μm的像元,雪崩区距离深沟槽隔离结构分别为2、3.5、6 μm,在过偏压0.3 V条件下,暗计数率从286 cps/μm2减小到197 cps/μm2。15×15的硅光电倍增管阵列测试结果显示,击穿电压与像元一致,暗电流水平比像元暗电流高两个数量级。3、针对硅雪崩二极管辐照损伤的问题,提出了电荷预补偿结构,对比了辐照前后器件的正向电流电压特性、反向击穿电压特性和暗电流特性,发现辐照前后芯片击穿电压几乎未发生变化,但是预补偿的芯片暗电流比未补偿的芯片在相同辐照剂量下,暗电流减小了一个数量级,仿真结果进一步揭示了辐照加固的有效性。

关键词：硅光电倍增管正电子发射断层扫描光子探测效率时间抖动