MPPC の性能評価

2007.4.24

筑波大学　須藤　山崎•基礎特性の評価•浜松ホトニクス訪問

　　　　　　測定 sample

• ILC-11-025M (2006 年 10 月 , plastic package)

• S10362-11-025U (2006 年 12 月 , CAN package)

これらの sample について、以下の性能を測定、比較した。 • Gain

• Noise rate• Cross-talk• 光子検出効率• 有感領域 ( レーザーを使用 )

Gain 測定　（ 25℃ ）

•新 sample(2006.12) の C ( pixel capacitance ) は旧 sample(2006.10) の約 80%

C200610 = 21.6 [ fF ] C200612 = 17.6 [ fF ]

•印加できる最大 over-voltage が小さくなっている 　　新 ~4V 旧 ~5V 　 ( ΔV )

S10362-11-025U

2006.12

ILC-11-025

2006.10

Gain = Ce ΔV

Gain =d ・

0.25 [pC]

AMP ・

e

d

Noise rate , Cross talk

•Noise rate は新 sample( 2006.12 ) の方が

~20kHz 大きい (ΔV < 3.5V)

•Cross talk は ΔV < 3V の範囲で新・旧あまり変わらない

スケーラーを用いて測定

ΔV 　 = Vbias – V0 ΔV 　 = Vbias – V0

Noi

se r

ate

[ H

z ]

Cro

ss ta

lk

S10362-11-025U

2006.12

ILC-11-025

2006.10

S10362-11-025U

2006.12

ILC-11-025

2006.10

光子検出効率 (PDE)~ １光子の入射に対してそれを検出する確率

MPPC の光子検出効率は、光電子増倍管との応答比から求めた．

PDE MPPC =μMPPC

μPMT

PDEPMT

MPPC

PMT

MPPC

PMT 0.5 mm 径 ピンホール

Blue LED

:λ~ 500 nmWLSF

μ : MPPC ・ PMT それぞれの

　　　測定光電子数

PDE結果

•Gain = 3×105 で　 PDE は 14~15%

•新・旧同程度•使用できる ΔV の範囲で PDE は飽和しない

S10362-11-025U

2006.12

ILC-11-025

2006.10

ΔV 　 ( = Vbias – V0 　 ) [ V ]

PDE

[ %

]

1600-pixel MPPC

• YAG Laser, = 532 nm• Pulse width ~ 2 nsec• Pulse rate ~ 8 kHz• Spot size ~ 1 m

• 光量 ~ 1 p.e. 以下

LASER を用いた測定 @ KEK-DTP

1600-pixel MPPC の顕微鏡写真

•　ピクセルの受光面の形が変化 している　

S10362-11-025U ( 2006.12 )

ILC-11-025 ( 2006.10)

2005 冬Can package

Can package

Plastic package

有感領域　（ 2006.12 sample ）

• 検出光電子数が　 50%MAX ≦ の領域を有感領域とすると

　有感領域は ~27% 　 2005 冬 sample ( ~18% ) の 1.5 倍

検出光電子数を用いて有感領域の割合を評価

S10362-11-025U (2006.12) 2005 冬

まとめ 1

• 2006.10 と　 2006.12 の sample について測定を行った

• 新 sample は C ( pixel capacitance ) が小さくなった C 新 は C 旧 の ~80%

• 新 sample の Noise rate は少し大きくなった ΔV < 3.5V の領域で　 ~20kHz 上昇 • Cross talk は ΔV < 3V の範囲で新・旧あまり変わらな

い • PDEも新・旧同程度　 ( 最大 18% )• 新 sample は有感領域が拡大されている 2005 冬 sample と比べて約 1.5 倍

疑問・質問1. LASER を用いた測定結果から有感領域は大きくなっているこ

とがわかったが、 pixel capacitance が小さくなったのはなぜか？

2. また、 PDE は有感領域の拡大によって向上すると考えていたが、旧サンプルと同程度なのはなぜか？

3. 印加できる最大 over voltage が小さくなったのはなぜか？Gain = C

e ΔV PDE = Q.E. ×εGeom × εGeiger 　,

• 表面の構造の変化• 内部構造　（各層の厚さ）• ドーピング濃度の変化

p

p-

n+

Si Resistor

Bias voltage (70~80 V)

substrate p +

p-

+

substrate p +

C = εSd

d

1. LASER を用いた測定結果から有感領域は大きくなっていることがわかったが、 pixel capacitance が小さくなったのはなぜか？

シリコンウェハーを厚くした影響

ウェハーの厚さは 3 ~ 4 μm

2. PDE は有感領域の拡大によって向上すると

考え ていたが、旧 sample と同程度なのはなぜか？

よくわからないらしい

新 sample （ 2006.12 ）は HPK 的にも妥当な値のようだ

The MPPC linearity

• Most important fact for the calorimeter is linearity and dynamic range

• ILC-cal uses 1600 pixel MPPCs

• if this devise behaves ideally :

•Nfired pixel =

1600 pixel expected response curve

1600

Light input (photoelectrons)

1600

（信州大　魚住さん）

Light input (arbitrary)

1600 pixels taken by charge ADC

linearity measurements 2

MPPC signal

PMT signal

gate

gate width 120ns

1600

100ns

（信州大　魚住さん）

Linearity measurements 2

saturation is observed (~1300 pixel), but it still does not follow the expectation

curve.

1600 pixels taken by peak height with oscilloscope

light input (arbitrary)

Num

ber

of

fire

d p

ixels

（信州大　魚住さん）

pulse shape • DESY AHCAL group tested MPPCs.

100nsSiPM

SiPM

SiPM

SiPM

MPPC 1600

MPPC 400

mediumlight intensity

highlightintensity

WLS fiberis used

（信州大　魚住さん）

saturation measurement

1.2 MΩ

10.4 MΩ

100 ns integration50 ns integration30 ns integration

SiPM

1600 pix400 pix

• DESY AHCAL tested

SiPM

MPPC 1600 MPPC 400

（信州大　魚住さん）

MPPCs(1600 pixels)

Calorimeter test module and Beam Test @ DESY

Scintillator strip(1 x 4.5 x 0.3 cm)

Frame

WLS fiber

Tungsten(3.5 mm thick)

Scintillator layer(3 mm thick)

e+

（信州大　魚住さん）

Observed linearity of the calorimeter

e+ beam energy (GeV)

Simulation

data at desy without

correction

13%

•MPPC の saturation effect に対して何の補正もして いないにも関わらず、カロリメータの応答はほぼ線形。（信州大　魚住さん）

• シリコンウェハーの厚さは 3 ~ 4 μm

• 有感領域（開口率）は拡大 ( ~ 27% )

• 開発方針 pixel capacitance を大きくする方向

• ポリシリコン抵抗の抵抗値は 200 ~ 300 kΩ

• pixel の回復時間が短い　 ~ 数 ns

• 格子欠陥、ドリフト時間の差などにより遅い成分の信号がある

• クロストークの原因になる

光子の波長は ~ 1μm ( 吸収係数 ~1mm )

• 金属を pixel 間に入れることでクロストーク率を減少させる方向

まとめ 2

Recovery timesetup

MPPC LASER

今後• 光源の波長を変えて PDE の測定• 新 sample の基礎特性の評価（温度依存

性、 LASER ）• 応答曲線についての理解する• 長期安定性

Back up

光の広がり

広がりは 0.55mm径

Multi-Pixel Photon Counter (MPPC)　～　シリコン半導体光検出器

~ 1 mm

~ 1 mm　 25 m

Depletion region

Substrate

p-

Guard ring n+

Al conductorp n+

Si ResistorBias voltage (70~80 V)

substrate p+

浜松ホトニクスによる P.D.E の測定結果　　　　

※λ=400nm, including the cross-talk and after pulse

2005 冬　

光子検出効率測定の Setup

Φ0.5mmBlue LED

PDE測定

WSLF の発光スペクトル

PMT の量子効率分布

( HPK による測定 )•この二つの分布から WLSF に対する PMT のPDEを求めた。

光子検出効率 (PDE)~ １光子の入射に対してそれを検出する確率

MPPC の光子検出効率は、光電子増倍管との応答比から求めた．PDE MPPC =

μMPPC

μPMT

PDEPMT

MPPC

PMT

MPPC,PMT の Pedestal のイベント数からPoisson 分布関数を用いて検出光電子数を求めた。

P0(μ) = e-μ = Npedestal / Nall

μ= -ln( Npedestal / Nall )

MPPC

PMT 0.5 mm 径 ピンホール

Blue LED

:λ~ 500 nmWLSF

μ : Poisson 分布の平均値