Automated performance assessment of silicon photomultipliers in a 0.16 um BCD technology

Over the last years, Silicon Photomultiplier (SiPM) detectors’ performance significantly improved and, nowadays, SiPMs are widely used in different applications, such as Positron Emission Tomography (PET) and Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM). However, the custom fabrication technologies employed in commercial SiPMs do not allow the on-chip integration of complex electronics, e.g. on chip readout and processing circuitry. Conversely, this integration is straightforward if CMOS-compatible processes can be exploited, but the resulting performance of the detector gets generally worse than in custom devices. Aim of this thesis work is twofold: i) to present the development of an automatic procedure for the characterization of the most important performance metrics of SiPMs and ii) to show the experimental results arising from the characterization of SiPMs designed at POLIMI and fabricated in a 0.16 µm BCD (Bipolar CMOS DMOS) technology and compare them to state-of-the-art detectors. The outcomes of the extensive characterization show that POLIMI’s SiPMs achieve remarkable performance. The photon detection efficiency (PDE) reaches 39% (fill factor included), with a dark count rate (DCR) lower than 400 kcps. Timing resolution (about 80 ps FWHM) is among the best ever reported in the literature for SiPMs. Although the DCR per unit area is worse than that of state-of-the-art SiPMs, the proposed fabrication technology enables the development of cost effective SiPM systems on chip (SoC). Furthermore, correlated noise components, i.e. afterpulsing and optical crosstalk, are comparable to those of best-in-class custom technology SiPMs. The experimental results presented in this thesis work have been submitted for publication. A manuscript, titled “0.16 μm BCD Silicon Photomultipliers with Sharp Timing Response and Reduced Correlated Noise”, is currently under review and is attached at the end of this work.

Negli ultimi anni sono stati compiuti significativi progressi nello sviluppo dei Silicon Photomultipliers (SiPMs). Questi ultimi sono utilizzati, oggigiorno, in svariate applicazioni, dalla tomografia ad emissione di positroni (PET) alla Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM). Tuttavia, le tecnologie di fabbricazione custom, spesso utilizzate per produrre SiPM commerciali, non permettono di integrare facilmente l’elettronica di lettura o di elaborazione sul medesimo chip del rivelatore. Le tecnologie CMOS, invece, consentono di affiancare facilmente elettronica e SiPM a scapito delle prestazioni di quest’ultimo, generalmente peggiori rispetto ai dispositivi custom. Il presente lavoro di tesi ha due obiettivi: i) illustrare lo sviluppo di hardware e software per automatizzare la caratterizzazione delle principali figure di merito di un SiPM e ii) mostrare i risultati ottenuti dalla caratterizzazione di SiPM fabbricati in una tecnologia BCD (Bipolar-CMOS-DMOS) a 0.16 µm, confrontandoli con i migliori SiPM presenti sul mercato. L’estesa caratterizzazione condotta in questa tesi ha mostrato che i SiPM sviluppati dal POLIMI conseguono prestazioni estremamente buone. L’efficienza di rivelazione (PDE) raggiunge il 39% (includendo il peggioramento dovuto al fill factor), con un conteggio di buio (DCR) inferiore a 400 kcps. Il jitter temporale, pari a circa 80 ps FWHM, è risultato fra i migliori riportati in letteratura. Sebbene il DCR sia decisamente peggiore rispetto a molti dispositivi commerciali, la tecnologia BCD permetterà di fabbricare sistemi complessi on-chip (SoC) ad un costo minore rispetto alle tecnologie custom. Inoltre, i contributi di rumore correlato, ovvero crosstalk e afterpulsing, sono equiparabili ai valori riportati dai migliori SiPM. I risultati sperimentali presentati in questo lavoro sono stati sottomessi alla rivista scientifica “Sensors” in un articolo intitolato “0.16 μm BCD Silicon Photomultipliers with Sharp Timing Response and Reduced Correlated Noise”, al momento in revisione e riportato come allegato alla fine di questa tesi.