Modelling and characterization of a novel CMOS SiPM

Silicon Photon Multipliers (SiPMs) are large area detectors consisting of a matrix of single photon counting microcells. The interesting properties of SiPM make it an extremely useful device for disparate applications. An excellent photon detection efficiency combined with a large collection area makes it an optimal sensor for single photon detection. The possibility to have an analog output signal, proportional to the number of simultaneous firing microcells, allows to discriminate how many photons impinge simultaneously on the sensor, making the SiPM useful for multi-photon or photon number resolved applications. Commercial SiPMs have vertical structures and are fabricated in custom technologies, allowing the designer to decide thicknesses and doping levels that optimize the device for specific application. However in custom technologies it is not possible to integrate complex active circuitry. In this thesis three innovative prototypes of SiPMs with different microcell size are studied and characterized. The devices were developed in the SpadLab of Politecnico di Milano, based on a standard 0.35 µm CMOS technology, instead of the fully-custom technologies employed in commercial SiPMs. Using such a CMOS technology, it is possible to integrate together with the detector smart electronics for quenching noisy microcells or gating the sensor. The SiPMs analysed in this work are the first trial design and just the detector and a quenching resistor have been integrated in a 16x16 cell SiPM. First of all a model of the SiPM has been developed in order to better understand its working operation. Three readout circuits have been simulated, developed and compared in order to understand which one gives the best performance in terms of velocity of the signal and in estimating the capacitive parasitism of the device. After that, a detailed characterization of the devices has been performed, in order to measure static parameters (breakdown voltage), dynamic parameters (gain, dark count rate, crosstalk, timing) and optical parameters (photon detection efficiency). The bias voltage of three tested devices is comparable or lower than the one of commercial SiPMs; dark count rate, crosstalk and efficiency increase with the active area of the single microcell and all these parameters are in line with commercial ones. Photon resolving capability is possible and let the user to clearly distinguish among 14 simultaneous firing cells. The timing performance are the most limiting factor of the present SiPM, in fact the avalanche discharge of each cell is read-out with different time delays, causing a jitter of some nanosecond in the photon arrival time detection. All these factors will be discussed in the thesis. Here it is a brief description of the chapters. Chapter 1 presents typologies and technical parameters of analog Silicon Photomultiplier. The structure of commercial vertical SiPMs and the one of the SpadLab CMOS SiPM are described. A review of the most common analog commercial SiPM is also presented. Chapter 2 shows several applications in which analog SiPM can be used. The applications are divided in three different categories: single photon detection applications (Cherenkov detection, fNiRS), photon number resolved applications (Optical quantum random number generators), multi-photon detection applications (PET, gamma imaging for proton therapy). Chapter 3 presents the developed circuital models for analog SiPMs. At first an ideal CMOS SiPM model is explained, then a model that can better represent the parasitism of the SpadLab CMOS SiPM is shown. After that a comparison between three readout circuits has been done in order to understand which one can provide the best performances in terms of signal rising-edge speed. Chapter 4 explains the methods used to characterize the SpadLab SiPM and shows the obtained results. The measures include static characteristics as breakdown voltage, dynamic parameters as gain, dark count rate, crosstalk, timing performance and optical parameters as photon detection efficiency. For every measured parameter a comparison with the analog commercial SiPMs has been done. In “conclusion and future perspective” a summary of the results is presented and some perspective are provided, which can solve the issues of the present SpadLab design

Riassunto I Silicon photo-multipliers (SiPMs) sono rivelatori dotati di grande area attiva, costituiti da una matrice di rivelatori di singoli fotoni. Le numerose proprietà del SiPM lo rendono utile in molteplici applicazioni. L’alta efficienza di foto-rivelazione e una grande area di collezione lo rendono un ottimo sensore per la rivelazione di singoli fotoni. La possibilità di avere un segnale in uscita proporzionale al numero di celle innescate contemporaneamente permette di discriminare quanti fotoni arrivano sul sensore, rendendo il SiPM utile per applicazioni dove è fondamentale discretizzare il numero di fotoni con precisione al singolo fotone (basse intensità ottiche) o con precisione di centinaia di fotoni per alti flussi ottici. I SiPMs commerciali hanno una struttura verticale e sono fabbricati in tecnologia custom, per permettere al progettista di decidere spessori e livelli di drogaggio che possano ottimizzare l’efficienza del dispositivo in specifiche applicazioni. Tuttavia in tecnologia custom non è possibile integrare complessi componenti attivi. In questa tesi tre innovativi prototipi di SiPM costituiti da celle elementari di diversa area sono stati studiati. I dispositivi, sviluppati nel laboratorio SpadLab del Politecnico di Milano, si basano su una tecnologia standard CMOS 0.35µm. Usando questo tipo di tecnologia è possibile integrare insieme al sensore un’opportuna elettronica per disattivare eventuali celle elementari rumorose o usare il rivelatore in modalità gated. I SiPMs analizzati in questo lavoro sono il primo prototipo progettato dallo SpadLab, per questo sono esclusivamente composti dai singoli rivelatori dotati delle rispettive resistenze integrate. Tre circuiti di lettura sono stati simulati, sviluppati e confrontati per comprendere quale dei tre fornisse le migliori performance in termini di velocità del segnale, così da poter stimare i parassitismi del dispositivo. Dopo ciò, una dettagliata caratterizzazione dei tre sensori ha permesso di misurare i parametri statici (tensione di breakdown), dinamici (guadagno, conteggio di buio, crosstalk, timing) ed ottici (efficienza di rivelazione). La tensione di polarizzazione dei tre dispositivi è paragonabile o minore di quelle dei SiPMs commerciali; conteggi di buio, cross-talk ed efficienza di rivelazione fotonica aumentano all’aumentare dell’area attiva di ogni singola cella e tutti questi tre parametri sono in linea con quelli dei SiPMs commerciali. La capacità di discretizzare singoli fotoni permette all’utilizzatore di distinguere chiaramente fino a 14 celle che siano state innescate da fotoni diversi ma contemporanei. Le performance di timing sono il fattore più limitante di questo SiPM, infatti la scarica di valanga di ogni singola cella è letta con differenti tempi di ritardo, che causano un’incertezza di qualche nanosecondo nella rivelazione del tempo di arrivo di un fotone. Qui è presente una breve descrizione dei capitoli. Il capitolo 1 presenta le diverse tipologie di SiPM analogici e i loro parametrici tecnici. In esso vengono descritte la struttura verticale dei SiPMs commerciali e quella dello SpadLab CMOS SiPM. Viene anche presentata una rassegna dei più comuni SiPMs analogici commerciali. Il capitolo 2 illustra alcune delle applicazioni in cui il SiPM analogico può essere utilizzato. Le applicazioni sono divise in tre differenti categorie: applicazioni di rivelazioni di singolo fotone (rivelazione Cerenkov, fNiRS), applicazioni in cui è necessaria la discretizzazioni in singoli fotoni di determinate quantità di energia (generatori ottici quantici di numeri casuali), applicazioni di rivelazione multi-fotone (PET, gamma imaging per proto-terapia). Il capitolo 3 presenta i modelli circuitali sviluppati per i SiPMs analogici. Inizialmente viene illustrato un modello per un SiPM CMOS ideale, per poi passare a descrivere un modello che meglio rappresenta i parassitismi dello SpadLab CMOS SiPM. Dopo ciò un confronto tra tre circuiti di lettura è stato condotto al fine di capire quale potesse fornire le migliori performance in termini di velocità del segnale. Il capitolo 4 spiega i metodi usati per caratterizzare lo SpadLab SiPM e mostra i risultati ottenuti. Le misure includono caratteristiche statiche come la tensione di breakdown, parametri dinamici come il guadagno, conteggi di buio, crosstalk, performance di timing e parametri ottici come l’efficienza di rivelazione. Per ogni parametro misurato è stato fatto un confronto con i SiPMs analogici commerciali. In “conclusioni e prospettive future” viene presentata una rassegna dei risultati e alcuni spunti per migliorare e risolvere le problematiche dei dispositivi presentati.