vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2024-60-3-252-262vestifm-800Research ArticleФИЗИКАPHYSICSВлияние гамма-облучения на обратные вольт-амперные характеристики кремниевых фотоумножителейski S. V. Influence of gamma irradiation on the reverse current-voltage characteristics of silicon photomultipliersОгородниковД. А.AharodnikauD. A.

Огородников Дмитрий Александрович – научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Dzmitryi A. Aharodnikau – Researcher

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

dimaogorodnikov@gmail.comЛастовскийС. Б.LastovskiiS. B.

Ластовский Станислав Брониславович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Stanislav B. Lastovskii – Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

lastov@physics.byБогатыревЮ. В.BogatyrevYu. V.

Богатырев Юрий Владимирович – доктор технических наук, главный научный сотрудник

ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Yuri V. Bogatyrev – Dr. Sc. (Engineering), Chief Researcher

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

bogat@physics.byЛемешевскаяА. М.LemeshevskayaA. M.

Лемешевская Алла Михайловна – заместитель начальника отдела, Филиал НТЦ «Белмикросистемы»

ул. Казинца, 121А, 220108, Минск

Alla M. Lemeshevskaya – Department Deputy Manager, Affiliate R&D Center “Belmicrosystems”

121A, Kazinets Str., 220108, Minsk

lem55@mail.ruЦымбалВ. С.TsymbalU. S.

Цымбал Владимир Сергеевич – главный конструктор направления, Филиал НТЦ «Белмикросистемы»

ул. Казинца, 121А, 220108, Минск

Uladzimir S. Tsymbal – Chief Designer of Concept, Affiliate R&D Center “Belmicrosystems”

121А, Kazinets Str., 220108, Minsk

 

VTsymbal@integral.byШпаковскийС. В.ShpakovskiS. V.

Шпаковский Сергей Васильевич – начальник отделения «Т», Филиал НТЦ «Белмикросистемы»

ул. Казинца, 121А, г. Минск, 220108

 

Sergey V. Shpakovski – Head of the Department “Т”, Affiliate R&D Center “Belmicrosystems”

121А, Kazinets Str., 220108, Minsk

SShpakovskiy@integral.byНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific-Practical Materials Research Centre of the National Academy of Sciences of BelarusОАО «ИНТЕГРАЛ» – Управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ»JSC “INTEGRAL” – manager holding company “INTEGRAL”202406102024603252262Copyright © Огородников Д.А., Ластовский С.Б., Богатырев Ю.В., Лемешевская А.М., Цымбал В.С., Шпаковский С.В., 20242024Огородников Д.А., Ластовский С.Б., Богатырев Ю.В., Лемешевская А.М., Цымбал В.С., Шпаковский С.В.Aharodnikau D.A., Lastovskii S.B., Bogatyrev Y.V., Lemeshevskaya A.M., Tsymbal U.S., Shpakovski S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/800

Исследовано влияние гамма-квантов Со60 на обратную вольт-амперную характеристику (ВАХ) кремниевых фотоэлектронных умножителей (SiФЭУ) с 1004 ячейками, представляющими собой оптически изолированные друг от друга n+ –p–p+ -структуры. Оптическая изоляция ячеек осуществлялась канавками, которые после пассивации стенок слоями SiО2 и Si3N4 заполнялись вольфрамом. Исследовались SiФЭУ двух вариантов конструктивного исполнения. В первом варианте (ВI) вывод металла канавки электрически соединялся через гасящий поликремниевый резистор с n+-областью ячейки, во втором (BII) – с p+-областью. Напряжение пробоя исследуемых SiФЭУ составляло Ubr = 34 ± 1,0 В. Образцы облучались в режиме лавинного пробоя (активный электрический режим) и при обратном смещении Ub = 0 В (пассивный режим). Установлено, что при значении поглощенной дозы D = 106 рад темновой ток возрастает в 6–7 раз у SiФЭУ (BI) и (BII), облучаемых в пассивном режиме, и в 15–16 раз у SiФЭУ (BII), облучаемых в активном режиме. Для SiФЭУ (ВI), облучаемых в режиме лавинного пробоя, значение темнового тока возрастает в 104 раз при D = 105 рад. Показано, что радиационная деградация темнового тока исследуемых SiФЭУ вызвана увеличением генерационной и главным образом поверхностной составляющих в результате накопления положительного заряда в изолирующем слое разделительных канавок.

The study investigated the effect of Co60 gamma-quanta on the reverse current-voltage characteristic (IV) of silicon photomultiplier (SiPMs) with 1004 cells, which themselves were optically isolated from each other n+ –p–p+ -structures. The cells were optically isolated from each other by trenches filled with tungsten after passivation of the walls with SiO2 and Si3N4 layers. Two variants of structural design of SiPMs were studied. Two variants were tested for the trench metal connection in the SiPMs: variant BI connected the trench metal to the n+-region of the cell through a quenching polysilicon resistor, while variant BII connected it to the p+-region. The breakdown voltage of the investigated SiPMs was Ubr = 34 ± 1.0 V. The samples were irradiated in both the active electrical mode (avalanche breakdown mode) and the passive mode (reverse bias Ub = 0 V). It was discovered, that at dose of D = 106 rad, the dark current for SiPM (BI) and (BII) increased by 6–7 times when irradiated in passive mode and by 15–16 times for SiPM (BII) when irradiated in active mode. For SiPM (BI) irradiated in the avalanche breakdown mode, the dark current increased by 104 times at D = 105 rad. The research demonstrates that the radiation-induced degradation of the dark current in the SiPMs under study is due to an increase in the generation and, primarily, surface components. This is a result of the accumulation of positive charge in the insulating layer of the separating trenches.

кремниевые фотоумножителивольт-амперная характеристикалавинный пробойгамма-излучениерадиационная стойкостьsilicon photomultipliersvolt-ampere characteristicavalanche breakdowngamma radiationradiation hardnessРабота выполнена при поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (грант № Т23МЭ-024).This work was supported by Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research (grant no. Т23МЭ-024).ReferencesГулаков, И. Р. Фотоприемники квантовых систем / И. Р. Гулаков, А. О. Зеневич. – Минск: УО ВГКС, 2012. – 276 c.Gulakov I. R., Zenevich A. O. Photodetectors of Quantum Systems. Minsk, Higher State College of Communications, 2012. 48 p. (in Russian).Dinu, N. Silicon photomultipliers (SiPM) / N. Dinu // Photodetectors: Materials, Devices and Applications. – Elsevier, 2016. – P. 255–294. https://doi.org/10.1016/b978-1-78242-445-1.00008-7Dinu N. Silicon photomultipliers (SiPM). Photodetectors: Materials, Devices and Applications. Elsevier, 2016, pp. 255–294. https://doi.org/10.1016/b978-1-78242-445-1.00008-7Silicon photomultiplier and its possible applications / P. Buzhan [et al.] // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. – 2003. – Vol. 504, № 1–3. – P. 48–52. https://doi.org/10.1016/s0168-9002(03)00749-6Buzhan P., Dolgoshein B., Filatov L., Ilyin A., Kantzerov V., Kaplin V., Karakash A., Kayumov F., Klemin S., Popova E., Smirnov S. Silicon photomultiplier and its possible applications. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2003, vol. 504, no. 1–3, pp. 48–52. https://doi.org/10.1016/s0168-9002(03)00749-6Lecoq, P. SiPM applications in positron emission tomography: toward ultimate PET time-of-flight resolution / P. Lecoq, S. Gundacker // Eur. Phys. J. Plus. – 2021. – Vol. 136, № 3. – Art. ID 292. https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-021-01183-8Lecoq P., Gundacker S. SiPM applications in positron emission tomography: toward ultimate PET time-of-flight resolution. The European Physical Journal Plus, 2021, vol. 136, no. 3, art. ID 292. https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-021-01183-8A short wavelength GigaHertz clocked fiber-optic quantum key distribution system / K. J. Gordon [et al.] // IEEE J. Quantum Electron. – 2004. – Vol. 40, № 7. – P. 900–908. https://doi.org/10.1109/jqe.2004.830182Gordon K. J., Fernandez V., Townsend P. D., Buller G. S. A short wavelength GigaHertz clocked fiber-optic quantum key distribution system. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2004, vol. 40, no. 7, pp. 900–908. https://doi.org/10.1109/jqe.2004.830182Lidar with SiPM: Some capabilities and limitations in real environment / R. Agishev [et al.] // Optics & Laser Technology. – 2013. – Vol. 49. – P. 86–90. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2012.12.024Agishev R., Comerón A., Bach J., Rodriguez A., Sicard M., Riu J., Royo S. Lidar with SiPM: Some capabilities and limitations in real environment. Optics & Laser Technology, 2013, vol. 49, pp. 86–90. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2012.12.024Silicon Photomultipliers and SPAD imagers in biophotonics: Advances and perspectives / M. Caccia [et al.] // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. – 2019. – Vol. 926. – P. 101–117. https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.10.204Caccia M., Nardo L., Santoro R., Schaffhauser D. Silicon Photomultipliers and SPAD imagers in biophotonics: Advances and perspectives. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2019, vol. 926, pp. 101–117. https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.10.204Optical crosstalk in SiPMs / M. R. Hampel [et al.] // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. – 2020. – Vol. 976. – Art. ID 164262. https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164262Hampel M. R., Fuster A., Varela C., Platino M., Almela A., Lucero A., Wundheiler B., Etchegoyen A. Optical crosstalk in SiPMs. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2020, vol. 976, art. ID 164262. https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164262The cross-talk problem in SiPMs and their use as light sensors for imaging atmospheric Cherenkov telescopes / Е. Popova [et al.] // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. – 2009. – Vol. 610, № 1. – P. 131–134. http://doi.org/10.1016%2Fj.nima.2009.05.150.Popova Е., Buzhan P., Dolgoshein B., Ilyin A., Карlin V., Klemin S., Mirzoyan R., Teshima M. The cross-talk problem in SiPMs and their use as light sensors for imaging atmospheric Cherenkov telescopes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2009, vol. 610, no. 1, pp. 131–134. http://doi.org/10.1016%2Fj.nima.2009.05.150Optical crosstalk in single photon avalanche diode arrays: a new complete model / I. Rech [et al.] // Opt. Express. – 2008. – Vol. 16, № 12. – P. 8381–8394. https://doi.org/10.1364/oe.16.008381Rech I., Ingargiola A., Spinelli R., Labanca I., Marangoni S., Ghioni M., Cova S. Optical crosstalk in single photon avalanche diode arrays: a new complete model. Optics Express, 2008, vol. 16, no. 12, pp. 8381–8394. https://doi.org/10.1364/oe.16.008381Грехов, И. В. Лавинный пробой р–n-перехода в полупроводниках / И. В. Грехов, Ю. Н. Сережкин. – Л.: Энергия, 1980. – 152 с.Grekhov I. V., Serezhkin Yu. N. Avalanche breakdown of p-n junction in semiconductors. Leningrad, Energiya Publ., 1980. 152 p. (in Russian).Mirzoyan, R. Light emission in Si avalanches / R. Mirzoyan, R. Kosyra, H. G. Moser // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. – 2009. – Vol. 610, № 1. – P. 98–100. https://doi.org/10.1016/j.nima.2009.05.081Mirzoyan R., Kosyra R., Moser H. G. Light emission in Si avalanches. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2009, vol. 610, no. 1, pp. 98–100. https://doi.org/10.1016/j.nima.2009.05.081On the bremsstrahlung origin of hot-carrier-induced photons in silicon devices / A. L. Lacaita [et al.] // IEEE Trans. Electron Devices. – 1993. – Vol. 40, № 3. – P. 577–582. https://doi.org/10.1109/16.199363Lacaita A. L., Zappa F., Bigliardi S., Manfredi M. On the bremsstrahlung origin of hot-carrier-induced photons in silicon devices. IEEE Transactions on Electron Devices, 1993, vol. 40, no. 3, pp. 577–582. https://doi.org/10.1109/16.199363Optical crosstalk photon penetration depth in Silicon Photomultipliers / C. Zhang [et al.] // Optik. – 2021. – Vol. 239. – P. 166864. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.166864Zhang C., Zhang G., Cao X., Zhang C., Li L. Optical crosstalk photon penetration depth in Silicon Photomultipliers. Optik, 2021, vol. 239, pp. 166864. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.166864Kindt, W. J. Optical Cross Talk in Geiger Mode Avalanche Photodiode Arrays: Modeling, Prevention and Measurement / W. J. Kindt, H. W. van Zeijl, S. Middelhoek // 28th European Solid-State Device Research Conference. – Bordeaux, 1998. – P. 192–195.Kindt W. J., Zeijl H. W. van, Middelhoek S. Optical Cross Talk in Geiger Mode Avalanche Photodiode Arrays: Modeling, Prevention and Measurement. 28th European Solid-State Device Research Conference. Bordeaux, France, 1998, pp. 192–195.Кремниевые фотоприемники с внутренним усилением широкого спектра применения / С. А. Сорока [и др.] // Приборостроение-2020: материалы 13-й Междунар. науч.-техн. конф., 18–20 нояб. 2020 г., Минск, Респ. Беларусь / редкол.: О. К. Гусев [и др.]. – Минск, 2020. – С. 393–394.Soroka S. A., Zalesskii V. B., Malyutina-Bronskaya V. V, Lemeshevskaya A. M., Solodukha V. V. Silicon photodetectors with internal amplification of a wide range of applications. Priborostroenie-2020: materialy 13-i Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, 18–20 noyabrya 2020 goda, Minsk, Respublika Belarus’ [Proceedings of the 13th International Scientific and Technical Conference, November 18–20, 2020, Minsk, Republic of Belarus]. Minsk, 2020, pp. 393–394 (in Russian).Огородников, Д. А. Моделирование накопления заряда в кремниевых фотоэлектронных умножителях под воздействием мягкого рентгеновского излучения / Д. А. Огородников // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-мат. навук. – 2022. – Т. 58, № 3. – С. 337–343. https://doi.org/10.29235/1561-2430-2022-58-3-337-343Aharodnikau D. A. Simulation of charge accumulation in silicon photomultipliers under the influence of soft X-rays. Vestsі Natsyyanalʼnai akademіі navuk Belarusі. Seryya fіzіka-matematychnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics series, 2022, vol. 58, no. 3, pp. 337–343 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-2430-2022-58-3-337-343Garutti, E. Characterization and X-Ray damage of Silicon Photomultipliers / E. Garutti // Proceedings of Technology and Instrumentation in Particle Physics 2014 – PoS(TIPP2014). – Amsterdam, 2014. https://doi.org/10.22323/1.213.0070Garutti E. Characterization and X-Ray damage of Silicon Photomultipliers. Proceedings of Technology and Instrumentation in Particle Physics 2014 – PoS(TIPP2014). Amsterdam, 2014. https://doi.org/10.22323/1.213.0070Garutti, E. Radiation Damage of SiPMs / E. Garutti, Yu. Musienko // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. – 2019. – Vol. 926. – P. 69–84. https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.10.191.Garutti E., Musienko Yu. Radiation damage of SiPMs. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2019, vol. 926, pp. 69–84. https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.10.191Radiation hardness of silicon photomultipliers under 60Co γ-ray irradiation / R. Pagano [et al.] // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. – 2014. – Vol. 767. – P. 347–352. https://doi.org/10.1016/j.nima.2014.08.028Pagano R., Lombardo S., Palumbo F., Sanfilippo D., Valvo G., Fallica G., Libertino S. Radiation hardness of silicon photomultipliers under 60Co γ-ray irradiation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2014, vol. 767, pp. 347–352. https://doi.org/10.1016/j.nima.2014.08.028Nakamura, I. Radiation damage of pixilated photon detector by neutron irradiation / I. Nakamura // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. – 2009. – Vol. 610, № 1. – P. 110–113. https://doi.org/10.1016/j.nima.2009.05.086Nakamura I. Radiation damage of pixilated photon detector by neutron irradiation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2009, vol. 610, no. 1, pp. 110–113. https://doi.org/10.1016/j.nima.2009.05.086Engelmann, Е. Dark Count Rate of Silicon Photomultipliers / E. Engelmann. – Cuvillier, 2018. – 194 р.Engelmann Е. Dark Count Rate of Silicon Photomultipliers. Cuvillier, 2018. 194 р.Sze, S. M. Semiconductor Devices: Physics and Technology / S. M. Sze, M.-K. Lee. – John Wiley & Sons Singapore Pte. Limited, 2012. – 582 p.Sze S. M., Lee M.-K. Semiconductor Devices: Physics and Technology. John Wiley & Sons Singapore Pte. Limited, 2012. 582 p.Коршунов, Ф. П. Радиационные эффекты в полупроводниковых приборах / Ф. П. Коршунов, Г. В. Гатальский, Г. М. Иванов. – Минск: Наука и техника, 1978. – 232 с.Korshunov F. P., Gatal’skii G. V., Ivanov G. M. Radiation Effects in Semiconductor Devices. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1978. 232 p. (in Russian).Таперо, К. И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения / К. И. Таперо, В. Н. Улимов, А. М. Членов. – М.: БИНОМ, 2012. – 304 с.Tapero K. I., Ulimov V. N., Chlenov A. M. Radiation Effects in Silicon Integrated Circuits for Space Applications. Moscow, BINOM Publ., 2012. 304 p. (in Russian).Блихер, А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов: пер. с англ. / А. Блихер. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 248 с.Blicher A. Field-Effect and Bipolar Power Transistor Physics. Academic Press, 1981. 312 p.Grove, A. S. Physics and Technology of Semiconductor Devices / A. S. Grove. – Wiley, 1967. – 366 p.Grove A. S. Physics and Technology of Semiconductor Devices. Wiley, 1967. 366 p.Никифоров, А. Ю. Радиационные эффекты в КМОП ИС / А. Ю. Никифоров, В. А. Телец, А. И. Чумаков. – М.: Радио и связь, 1994. – 164 с.Nikiforov A. Yu., Telets V. A., Chumakov A. I. Radiation Effects in CMOS IC. Moscow, Radio i svyaz’ Publ., 1994. 164 p. (in Russian).Росадо, Л. Физическая электроника и микроэлектроника: пер. с исп. / Л. Росадо. – М.: Высш. шк., 1991. – 351 с.Rosado L. Electrónica Física y Microelectrónica. Madrid, Paraninfo, 1987. 501 p. (in Spanish).Першенков, В. С. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем / В. С. Першенков, В. Д. Попов, А. В. Шальнов. – М.: Энергоатомиздат; 1988. – 256 с.Pershenkov V. S., Popov V. D., Shal’nov A. V. Surface Radiation Effects in Integrated Circuit Elements. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1988. 256 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.