MPPC の基礎

1. 東京大学ICEPP大谷研究室　M１柴田直哉 MPPCの基礎

2. 目次 • MPPCとは • MPPCの構造 • 動作原理 • 実際の波形、グラフ • ノイズについて • 自分の用途

3. １、MPPCとは

4. １、MPPCとは • 複数のAPDピクセルからなる光検出器 • 逆バイアスをかけガイガーモードで駆動させる • 光子を感知したピクセルの数によって入射した光子の数を数える • 呼び方はいろいろ • SiPM(Silicon Photo Multiplier) : 一般的な半導体検出器の呼び方 • MPPC : 浜松ホトニクスで開発されたSiPMの商品名

5. １、MPPCとは • PMTとMPPCの比較 など

6. ２、MPPCの内部構造

7. ２、MPPCの内部構造 上から見た図 導線 クエンチング抵抗 SiO2 Nーガードリング 断面 P++拡散層 P-吸収層 P++コントロール層 P-増倍層 N+基盤

8. ３、動作原理

9. ３、動作原理 入射光子 ：電子 P-吸収層 ：正孔 電場の向き 空乏層 光子により電子が励起されて電子正孔対ができる P-増倍層 N++基盤 HV (逆バイアス)

10. ３、動作原理 入射光により生成された電子正孔対が空乏層の内部電場により逆方向にドリフト 　　　　　　電流が流れる が、印加電圧が低いと増倍は起きない 電場の向き

11. ３、動作原理 十分な光量が無いと検出不可 一定以上の電場を作るように電圧を印可しキャリアーを加速 ⇒アバランシェ増幅を起こす （ノーマルモードでは電子のみ）

12. ３、動作原理 クエンチング抵抗 ：電子 P-吸収層 電場の向き アバランシェ増幅 P-増倍層 N++基盤 光量が少なくても検出できる HV (逆バイアス)

13. ３、動作原理 電子起源のアバランシェ増幅のみでは単光子の信号を識別できない（20個程度〜） 印加電圧をさらに大きくし（Vbd以上）ガイガーモードにする ⇒電子・正孔ともにアバランシェ増幅を起こす（暴走状態） 増倍率∞! Vbd : アバランシェ降伏(増倍率が発散) が起こる電圧 しかし…

14. ３、動作原理 • クエンチング抵抗(100kΩ) • 暴走を抑制し増倍率を有限にする • クエンチング抵抗により１つのピクセルからの出力は、入射光子数に関係なく一定の値となる ⇒光子が来たかどうかの判別ができる

15. ３、動作原理 • 光子計数方法 • まず１つのピクセルに１つの光子のみがくるようにするには・・・ ⇒ピクセルの数を増やす（確率の問題）,光子数が少ない場合で使う？ • 全のピクセルの出力の和をとれば信号は光子数に応じた大きさとなり、光子数を１つずつ数えることができる （１つのピクセルからの出力は一定値）

16. ３、動作原理 T 総和を出力 T T 入射光子の数 反応したピクセルの数

17. ３、動作原理 • 動作原理まとめ • Vbd以上の逆バイアスを印加しガイガーモードで駆動させることにより高い増倍率(発散)を得る • 増倍率が発散してしまうのでクエンチング抵抗で有限とし、入射光子数に関係なく１つのピクセルあたり一定の出力を得る • ピクセルあたり１つの光子のみが入ると考えると、全ピクセルの総和の出力として入射光子数に応じた信号が観測できる（光子数をカウントできる）

18. ４、実際の波形など

19. ４、実際の波形など

20. ４、実際の波形など ゲイン

21. ５、ノイズについて

22. ５、ノイズについて • ダークノイズ • 光子の入射と無関係に発生する信号で、原因として • 熱励起により生成される自由キャリア • トンネル効果によるキャリアの発生（低温で支配的） がある • これらのキャリアは入射光子によるキャリアと同じくアバランシェ増幅されるので見分けがつかない

23. ５、ノイズについて • クロストーク • アバランシェ増幅中に光子が発生し近くのピクセルに入射されて、２次的にアバランシェ増幅を起こしたもの • あたかも２倍(orそれ以上)の波高のパルスが発生したように観測される • 同時に複数のピクセルで発生することもある 入射光子 光子が複数入射された場合と見分けがつかない 二次光子

24. ５、ノイズについて • アフターパルス • メインの信号から一定時間遅れて発生するパルス • 原因は諸説あり(格子欠陥に電子がとらわれるetc) アフターパルス

25. ５、ノイズについて • 解析するときはこれらのノイズを考慮しなければならない • アフターパルスのアフターパルスとか、クロストークのアフターパルスなどいろいろ起こりうる

26. ６、自分の用途

27. ６、自分の用途 • MEG実験 • スイスのPSIで実験 • 荷電レプトンフレーバー非保存現象である μ+→e+γ崩壊を探索 • 超対称性模型などの標準模型を超える新物理に迫る • 現在アップグレード中 アップグレードのスケジュール BSM SM+νOsci 崩壊分岐比 〜10-54 〜10-14 MEG-Ⅰ

28. ６、自分の用途 • MPPCを使う所（アップグレード） • 液体Xeガンマ線検出器(位置,時間,エネルギー)

29. ６、自分の用途 • 陽電子タイミングカウンター 時間分解能 70ps→30〜35ps

30. まとめ • MPPCは光電子増倍管に匹敵する増倍率を持つフォトンカウンティングデバイス 　単光子から観察可能 • 逆バイアスをかけ、ガイガーモードで駆動 • ダークノイズ、クロストーク、アフターパルス、といったノイズ(というか性質)が存在する

31. 参考文献 • 浜松ホトニクス. 技術資料. • 音野瑛俊. ガイガーモードで駆動するピクセル化された新形半導体光検出器の基礎特性に関する研究. 修士論文,Feb 2008. • 生出秀之. 半導体光検出器PPDの基本特性の解明と,実践的開発に向けた研究. 修士論文,Jan 2009 • 西村美紀. MEG実験アップグレードに向けた分解能30ピコ秒の陽電子タイミングカウンターの研究開発. 修士論文,Jan 2014.

32. おわり

33. Back up

34. Back up • 拡散層 • 不純物密度が多く空乏してない。キャリアーが注入されると層全体に拡散される • 吸収層 • 不純物密度が少なく完全空乏化している • 入射光子は主にここで吸収され電子正孔対が生成される • コントロール層 • 不純物密度は低いが薄いので完全空乏化 • 増倍層の厚さ吸収層の電場を調節 • 増倍層 • 完全空乏化 • 電荷は強い電場により衝突電離し増倍 • 基盤 • 空乏してない • キャリアーが注入されると層全体に拡散 • ガードリング • 拡散層の周囲の角での電場の集中を防ぐ

35. Back up • 受動クエンチでの増倍率 e : 電気素量 C : キャパシタンスの次元を持つ定数 (ピクセルキャパシタンス) Vop: 動作電圧 V0 : 降伏電圧

36. Back up • 用語いろいろ • 開口率 • １つのピクセルにおいての受光部の割合 • 増倍率 • 単光子の励起による1電子が何個の電子として出力されるか • 検出効率(PDE) • 入射光子のうちの検出できる割合 • PDE=(量子効率)X(開口率)X(励起確率) • 励起確率∝Vop • 量子効率(QE) • 光電子として取り出される電子または正孔の数を入射光子数で割った値 • ガイガーモード • 降伏電圧を超えた逆電圧でAPDを駆動させること

37. Back up • アフターパルスの起源(諸説あり) • 発生したキャリアが格子欠陥に捕われ、それが遅れて放出されたとき信号以外のパルスを発生させるという説 • アバランシェ中に発生した光子が基盤層まで達し、そこでキャリアを発生する。基盤層では電場がほとんどかかっていないのでキャリアは拡散によってゆっくりと増倍領域に達してアバランシェ増幅を起こすという説