Caratterizzazione di fotomoltiplicatori in silicio come rivelatori di singolo fotone

Most of the systems used for detection and spectroscopy of electromagnetic radiation were based on the use of photomultiplier tubes (PMT). New types of detectors based on silicon diodes have recently been developed and they seem candidates to replace existing systems. The goal of this thesis is the characterization of this new generation of photodetectors sensitive to single photon, whose technology allows to obtain devices of high performance millimeter-sized from the point of view of signal/noise ratio, power dissipation and robustness. This devices are called SiPM (Silicon Photo Multiplier). The SiPM consists of a high density matrix ("~" 〖10〗^3/〖mm〗^(2 )) of microcells independent and identical, made by diodes for single photon SPAD (Single-Photon Avalanche-Diode), linked in parallel on a common substrate. Each micro-cell system operates in Geiger mode and generates a macroscopic current, called avalanche current, following the absorption of a photon in the depletion region of a p-n junction inversely polarized. The SiPM shows high efficiency of photons detection in the visible spectrum and the near infrared, a high gain and a low sensitivity to temperature, voltage fluctuations and magnetic fields. Moreover, the solid state technology has the typical advantages of the planar process integration and so it can be produced at low cost and with high reproducibility. This innovative structure improves the detection efficiency; in particular, is becoming of prominent interest in applications where large detection areas, low flows of photons and rapid (applications diffuse optics) are required, such as near infrared spectroscopy (Near InfraRed Spectroscopy, NIRS) that allows to investigate in a completely non-invasive biological tissues, arriving a few centimeters below the surface without alter the conformation of the investigated sample. For this application, the PMT are unsuitable because of their intrinsic fragility constructive. The devices studied and characterized in this thesis belong to three major companies producing SiPM: AdvanSiD, Hamamatsu and Excelitas. The measures done, in particular, have involved the study of the temporal resolution and of the contributions of noises (correlated and uncorrelated), in function of the excess voltage (ie the difference between the polarization value of the device and the breakdown voltage of the junction), the temperature and the signal (ie, the number of photons detected by the device).

La maggior parte dei sistemi usati per la rivelazione e la spettroscopia di radiazione elettromagnetica si è basata, sino a qualche tempo fa, sull'utilizzo di tubi fotomoltiplicatori (PMT). Recentemente sono stati sviluppati nuovi tipi di rivelatori basati su diodi al silicio che sembrano candidati a sostituire tali sistemi. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è la caratterizzazione di tale nuova generazione di fotorivelatori sensibili al singolo fotone, la cui tecnologia permette di ottenere dispositivi di dimensioni millimetriche altamente performanti dal punto di vista di rapporto segnale rumore, dissipazione di potenza e robustezza. Tali dispositivi sono chiamati SiPM (Silicon Photo Multiplier). Il SiPM consiste in una matrice ad alta densità ("~" 〖10〗^3/〖mm〗^(2 )) di microcelle indipendenti ed identiche, realizzate mediante diodi per singolo fotone SPAD (Single-Photon Avalanche-Diode), collegate in parallelo su un substrato comune. Ogni microcella opera in regime Geiger e genera una corrente macroscopica, detta corrente di valanga, in seguito all’assorbimento di un fotone nella regione di carica spaziale di una giunzione p-n inversamente polarizzata. I SiPM mostrano un'elevata efficienza di rivelamento di fotoni nello spettro del visibile e del vicino infrarosso, un alto guadagno ed una ridotta sensibilità alla temperatura, alle fluttuazioni di tensione ed ai campi magnetici. Inoltre, la tecnologia a stato solido possiede i vantaggi tipici del processo di integrazione planare, di conseguenza, possono essere prodotti a basso costo e con elevata riproducibilità. Questa innovativa struttura, ha dato origine ad un effettivo miglioramento nell'efficienza di rivelazione; in particolare sta diventando di interesse prominente nelle applicazioni dove sono richieste grandi aree di rivelazione, flussi bassi di fotoni e tempi rapidi (applicazioni di diffuse optics), come ad esempio la spettroscopia nel vicino infrarosso (Near InfraRed Spectroscopy, NIRS) che permette di indagare in maniera completamente non invasiva tessuti biologici, arrivando ad alcuni centimetri al di sotto della superficie, senza dunque aggredire o alterare la conformazione del campione indagato. Per tali applicazioni, i tubi fotomoltiplicatori risultano infatti inadatti a causa della loro intrinseca fragilità costruttiva, del loro ingombro e della necessità di disporre di tensioni molto elevate per la loro polarizzazione. I dispositivi studiati e caratterizzati in questo lavoro di tesi appartengono a tre delle principali compagnie produttrici di SiPM: AdvanSiD, Hamamatsu ed Excelitas. Le misure effettuate, in particolare, hanno riguardato lo studio della risoluzione temporale e dei contribuiti di rumore dei dispositivi (correlato ed incorrelato), in funzione della tensione di excess (ovvero la differenza tra il valore di polarizzazione del dispositivo e la tensione di breakdown della giunzione), della temperatura e del segnale (ovvero il numero di fotoni rivelati dal dispositivo).