Влияние гамма-облучения на обратные вольт-амперные характеристики кремниевых фотоумножителей

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 U_br = 34 ± 1,0 В. Образцы облучались в режиме лавинного пробоя (активный электрический режим) и при обратном смещении U_b = 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.

1. Гулаков, И. Р. Фотоприемники квантовых систем / И. Р. Гулаков, А. О. Зеневич. – Минск: УО ВГКС, 2012. – 276 c.

2. Dinu, N. Silicon photomultipliers (SiPM) / N. Dinu // Photodetectors: Materials, Devices and Applications. – Elsevier, 2016. – P. 255–294. https://doi.org/10.1016/b978-1-78242-445-1.00008-7

3. Silicon 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)00749-6

4. Lecoq, 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/s13360-021-01183-8

5. A 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.2004.830182

6. Lidar 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.2012.12.024

7. Silicon 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.2018.10.204

8. Optical 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.2020.164262

9. The 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.

10. Optical 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.16.008381

11. Грехов, И. В. Лавинный пробой р–n-перехода в полупроводниках / И. В. Грехов, Ю. Н. Сережкин. – Л.: Энергия, 1980. – 152 с.

12. 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.2009.05.081

13. On 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/10.1109/16.199363

14. Optical crosstalk photon penetration depth in Silicon Photomultipliers / C. Zhang [et al.] // Optik. – 2021. – Vol. 239. – P. 166864. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.166864

15. Kindt, 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.

16. 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.

17. 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/10.29235/1561-2430-2022-58-3-337-343

18. Garutti, 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/10.22323/1.213.0070

19. Garutti, 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.

20. Radiation 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.2014.08.028

21. Nakamura, 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.2009.05.086

22. Engelmann, Е. Dark Count Rate of Silicon Photomultipliers / E. Engelmann. – Cuvillier, 2018. – 194 р.

23. Sze, S. M. Semiconductor Devices: Physics and Technology / S. M. Sze, M.-K. Lee. – John Wiley & Sons Singapore Pte. Limited, 2012. – 582 p.

24. Коршунов, Ф. П. Радиационные эффекты в полупроводниковых приборах / Ф. П. Коршунов, Г. В. Гатальский, Г. М. Иванов. – Минск: Наука и техника, 1978. – 232 с.

25. 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.

26. Блихер, А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов: пер. с англ. / А. Блихер. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 248 с.

27. Grove, A. S. Physics and Technology of Semiconductor Devices / A. S. Grove. – Wiley, 1967. – 366 p.

28. Никифоров, А. Ю. Радиационные эффекты в КМОП ИС / А. Ю. Никифоров, В. А. Телец, А. И. Чумаков. – М.: Радио и связь, 1994. – 164 с.

29. Росадо, Л. Физическая электроника и микроэлектроника: пер. с исп. / Л. Росадо. – М.: Высш. шк., 1991. – 351 с.

30. Першенков, В. С. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем / В. С. Першенков, В. Д. Попов, А. В. Шальнов. – М.: Энергоатомиздат; 1988. – 256 с.