Investigation of Afterpulse Effect in Silicon Photomultipliers

Marc Gensch
Oct 2014

Thesis Type:

In this thesis the afterpulse effect in a silicon photomultiplier (SiPM) was investigated. Therefore a multipixel photon counter (MPPC) from Hamamatsu of the type S10943 was used. These type of SiPM consist of 400 pixels with a size of 50x50 m and is passively quenched. For this thesis the MPPC were operated above the breakdown voltage and in the dark without any light source. Therefore the noise events in the SiPM (dark count rate (DCR), crosstalk and afterpulse) were separated and DCR as well as afterpulse were analyzed by the independent and correlated method. For the correlated method the analysis was done for one afterpulse time constant and for two afterpulse time constants (independent method two time constants). The agreement with the data was better with two time constants. From the different methods the DCR value and afterpulse probability were extracted and showed good agreement with other groups Y. Du.

1. It was found that for the independent model the time constants were independent from the voltage, which agrees with Y. Du. 1. For the correlated method the time constants decrease with voltage. The results for the correlated method was unexpected, according to S. Cova 2 it is expected that the cross section for trapping increases with voltages, and therefore the trapping time decreases. Further TCAD simulations of the MPPC will be required to shade some light on this effect.

In dieser Bachelorarbeit wurde der Afterpulse Effekt in Silizium Photomultipliern untersucht. Dafür wurde ein Multipixel Photonen Zähler (S10943) von Hamamatsu verwendet. Diese Typen von Silizium Photomultipliern bestehen aus 400 Pixel mit einer Pixelgröße von 50x50 m und werden durch einen Widerstand gelöscht. Der Silizium Photomultiplier wird über der Druchbruchspannung betrieben und außerdem im Dunkeln, sodass keine Photonen induzierte Geiger-Müller Entladung stattfinden kann. Die Effekte, die nun noch auftretten können (Dunkelzählrate, Afterpulse, Crosstalk), werden separiert und mit zwei Methoden analysiert. Die erste Methode betrachtet die Effekte in Korrelation zueinander und die andere unabhängig voneinander. Die Methoden betrachten zum einen zwei Zeitkonstanten und zum anderen nur eine Zeitkonstante. Die gemessenen Daten zeigen, dass mit zwei Zeitkonstanten eine größere Übereinstimmung vorliegt. Aus den Methoden wurden dann die Werte für die Dunkelzählrate und die Wahrscheinlichkeit für die Afterpulse bestimmt. Diese stimmen mit den Ergebnissen aus anderen Gruppen Y. Du. 1 überein. Außerdem änderen sich die Zeitkonstanten mit Spannungsänderungen nicht für die unabhängige Methode, was auch in der Gruppe von Y. Du. 1 festgestellt wurde. Für die korrelierte Methode steigen sie für höhere Spannungen. Dieses Ergebnis ist unerwartet, da andere Gruppen S. Cova 2 davon ausgehen, dass mit erhöhter Spannung die Lebendauer der Fallen für Ladungsträger kürzer werden. Dieses Ergebnis benötigt weiterführende Simulationen.

1Y. Du and F. Reti. After-pulsing and cross-talk in multi-pixel photon counters. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 596(3):396

– 401, 2008.
2Massimo Ghioni ; Angelo Gulinatti ; Ivan Rech ; Piera Maccagnani and Sergio Cova. Large-area low-jitter
silicon single photon avalanche diodes. Proc. SPIE 6900, Quantum Sensing and Nanophotonic Devices V,
69001D, February 01, 2008.

The work of this bachelor thesis led to the following publications:

E. Garutti, M. Gensch, R. Klanner, M. Ramilli and C. Xu, "Afterpulse effect in SiPM and neutron irradiation studies,”
2014 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), Seattle, WA, 2014, pp. 1-7.
doi: 10.1109/NSSMIC.2014.7430746