用于核医学成像的硅光电倍增管光电探测器的研究进展
谢肇恒1，周坤1，李素莹1，田涧1，杨昆2，任秋实1
1.北京大学 生物医学工程系，北京100871；2.河北大学质量技术监督学院 测量控制技术与仪器系，河北 保定 100871
[摘 要]硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）是近年来逐渐兴起的一种用于核医学的光电探测器件，其具有尺寸小、工作电压低、对磁场不敏感等优点，具有替代传统光电倍增管的巨大潜力。本文首先介绍SiPM探测器的相关原理，然后重点阐述SiPM制备的相关工艺，讨论了各种不同工艺的特点及性能。其次，本文列举了针对不同用途所开发的SiPM前端读出专用集成电路，以及相应的电子学性能。最后介绍了有关SiPM探测器应用在PET、PET/MR中的最新进展，并对SiPM探测器的未来发展趋势进行了展望。
[关键词]硅光电倍增管；雪崩光电二极管；互补金属氧化物半导体；读出专用集成电路；正电子发射断层扫描
多模态成像设备作为活体分子成像的里程碑，深化了人类对生物学和病理学的理解，在临床疾病的诊疗中发挥着日益重要的作用。核医学影像主要包括正电子发射计算机断层扫描（Positron Emission Tomography，PET）、单光子发射计算机断层显像（Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT）两种技术。经过近半个世纪的发展，PET、SPECT目前可以在组织、细胞、分子水平上显示活体的细胞代谢等生物学特征，与CT或MR组合后，可以达到信息互补，能够精确地提供被扫描组织或器官的结构及功能信息，在神经、肌肉、心脏类疾病和肿瘤诊断中有着举足轻重的作用[1-2]。
PET/SPECT成像的采集过程是“光-电”转化的过程，即通过闪烁晶体将γ光子转化为荧光，再由光电探测器转化为电信号。光电探测器作为探测系统重要的组成部分，直接决定了后期图像重建的质量。以PET为例，现有商用PET设备大多以光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）作为光电探测器。90年代以来，随着半导体工艺的发展，硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）技术日趋成熟，逐渐被应用于高能物理、生物医学成像、量子通信等弱光探测领域。相比于传统的PMT，SiPM具有单光子响应高、对磁场不敏感、制备工艺简单、成本低、体积小、易于CMOS工艺集成、工作电压低等优点[3-6]。近年来，基于SiPM开发的PET探测器得到了迅速发展，尤其在PET/MR以及SPECT/MR等磁兼容要求较高的应用领域，SiPM已经逐步取代了PMT成为主流探测器。因此，SiPM的研究和开发有着巨大的发展空间。
本文首先介绍SiPM探测器的相关原理，然后重点阐述SiPM制备的相关工艺，讨论各种不同工艺的特点及性能。其次，本文列举了针对不同用途所开发的SiPM前端读出专用集成电路（Application Specifc Integrated Circuit，ASIC），以及相应的电子学性能。最后介绍了有关SiPM探测器应用在PET、PET/MR中的最新进展，并对SiPM探测器的未来发展趋势进行了展望。
1 SiPM的基本原理和性能参数
SiPM又被称为MPPC（Multi-Pixel Photon Counter）或MAPD（Multi-Pixel Avalanche Photon Detector），MPGMAPD（Multi-pixel Geiger-mode Avalanche Photodiode），AMPD（Avalanche Micro-pixel Photodiode）。它由成百上千个工作在盖革模式下的雪崩光电二极管（Avalanche Photon Detector，APD）单元构成，每一个APD单元都串联一个100 kΩ～1 MΩ电阻用以控制APD单元的雪崩淬灭和电压恢复，等效电路图，见图1。
图1 A.SiPM等效电路图；B.Hamamatsu MPPC[7]光子计数示意图
衡量SiPM性能的主要参数有以下几个：
（1）动态范围（Dynamic Range）。SiPM可同时探测到的最大光子数目，当光子个数（n）远小于APD单元个数（m）时，器件处在线性区，被激发的像素单元个数（N）的概率服从二项分布[8]：
当n逐渐增大到一定程度时（n＜m），器件达到饱和，被激发单元数N不再随光电流线性增加。
（2）探测效率（Photon Detection Effciency，PDE）。主要由3个变量决定[9]：
QE(λ)为每个激发像素单元的耗尽层中，产生电子空穴对的量子效率，主要和入射光子的波长(λ)有关；Ptr(λ,U,T)为盖革模式下电子空穴对发生雪崩的概率，由于温度变化会造成电子空穴对的电离系数的波动，从而影响反PN结的雪崩电压[10]；òfll为器件感光面积所占的比例。
（3）暗计数。表征了SiPM在弱光下的探测能力，造成暗电流的主要机制是导带和价带之间的俘获中心以及电子隧穿效应[11]。
2 SiPM的发展历史
1961年，美国无线电公司McIntyre[12]提出的统计学理论，详细解释了硅基PN结反向偏置后发生雪崩的物理机理、电学性质。3年后，Haitz[13]在Schockley实验室发明了第一个工作在盖革模式下的雪崩光电二极管（Geiger-mode Avalanche Photodiode，GAPD）。但是受当时半导体工艺的限制，GAPD技术一直受制于倍增噪声、频带宽度的影响，如何在放大信号的同时减少噪声、提高带宽成为了研究的重点。
20世纪70年代中期，前苏联列别杰夫物理研究所的Shubin博士发现，当施加在“金属-绝缘层-半导体”（Metal-Insulator-Semiconductor，MIS）上的反偏电压大于雪崩电压时，半导体和绝缘体之间积累的电荷会对雪崩电场提供一个负反馈（Avalanche with Negative Feedback，ANF），这种自淬灭（Self-quenching）的过程最终降低了APD的噪声、响应时间。80年代末，前苏联杜布纳核子联合研究所的Sadygov与Golovin在硅片表面淀积SiC替代了原有的SiO2绝缘层，作为雪崩淬灭电阻，这种整体设计的掩埋层、针状PN结，被称作“金属-电阻-半导体”（Metal-Resistor-Semiconductor，MRS） 结构[14]，见图2。
图2 MRS结构工艺图。
注：A.MRS结构掺杂结构剖面简化图；B.MRS掺杂结构示意图。
此后，Zecotek公司通过改进MRS工艺技术，在APD单元间制作光学隔离槽将SiPM产业化，使其在蓝光波段探测效率超过30%，光学串扰低于3%。但是，MRS结构中超薄的（100～200 nm）淬灭电阻层会在硅片表面形成短路，限制了MRS工艺的成品率；其次，蓝紫光/UV光在到达结区之前，需要穿过2 μm厚的电阻层和掩埋层，大量蓝紫/UV光被吸收，探测效率下降（图2B）。由于多数（＞80%）闪烁晶体的峰值波长在300～500 nm之间，MRS结构的光谱特性影响了该器件在核探测领域中的应用[15]。
随着半导体工艺技术的发展，90年代末，现代意义上的SiPM被俄罗斯国立核研究大学的Dolgoshein[16]教授所在的团队研制成功。该团队在APD像素阵列中加入多晶硅条作为雪崩淬灭电阻，在淬灭电阻与PN结区之间加入SiO2作为缓冲层，降低了短路风险，提高了成品率，其工艺结构，见图3[16]。该结构的主要问题是存在高探测效率和大动态范围权衡关系：如果提高SiPM的动态响应范围，就必须减少APD单元的面积，从而引起器件表面Al互联线、多晶硅条占用面积的比例增高，器件几何填充因子降低，探测效率降低。
图3 A.MEPhISiPM掺杂结构工艺图；B.24×24阵列实物图
此后，俄罗斯其他课题组[3,17-18]也相继发表了各种改进工艺，尤其是CPTA提出的光学沟道（Optical Trench）技术（图4B），利用SiO2来阻断相邻像素之间的光学串扰，将原有的串扰降低了近90%[18]。此外，德国Ninkovi?[19]制备了背照式的SiMPl（Silicon Multi-pixel Light）器件（图4C）。该器件利用处在非耗尽区的硅衬底作垂直的淬灭电阻，由P+-N--N+（P+为栅极，N-为漏极，N+为源极）的掺杂模式形成的耗尽区将相邻的像素隔开，不需要光学阻断沟道；无其他结构的P+型背板不需要表面多晶硅电阻；全局设计的阴极板连接了各个像素单元。相比于P+基底上进行N掺杂的传统工艺（MEPhISiPM），背照式SiMPl大幅提高了填充因子（＞80%）（图4D、4E）。但由于这种淬灭电阻的结构类似于结型场效应晶体管，增长了器件的恢复时间。
图4 A.SiPM相邻单元光学串扰示意图；B.光学沟道隔离示意图；C.结构掺杂结构剖面简化图；D.E.MEPhISiPM[6]，HLL SiMPl[19]器件填充图（彩色标度代表每个激活单元的雪崩发生率）
2009年，Philips公司开发了Digital SiPM[20]，利用CMOS工艺集成了主动淬灭、逻辑触发器、时数转换器（Time Digital Converter，TDC）等数字处理电，直接输出光子计数和相应的时间信息，但制作工艺复杂、成本较高。目前除去Philips公司，其余各大厂商（日本Hamamatsu[10-11]，爱尔兰Sensl[12]，德国Ketek[13]，意大利FBK-AdvanSiD[14]等）均采用基于多晶硅电阻的被动淬灭工艺技术。国内北京师范大学新器件实验室韩德俊[21]课题组利用衬底体电阻作为淬灭电阻，研制出光敏面积为0.12 mm×0.12 mm的SiPM单管及阵列，填充因子为41%，在430 nm～480 nm的可见光范围内的光子探测效率为25.4%，具有微单元密度高、恢复时间短、动态范围大、成本低的优点。目前其课题组已实现了SiPM的产业化开发。华中科技大学谢庆国课题组联合俄罗斯国立原子研究大学ValeriSaveliev教授（SiPM的发明人之一）进行了皮秒级SiPM的设计和开发工作。
3 SiPM专用集成电路
受到光照后，SiPM中被激发的APD单元并行输出（上百个）脉冲电流信号，对前端电路要求较高，该电路必须满足负载效应小、带宽大的特点。为了最大限度的发挥SiPM的优点，目前SiPM的前端读出电路均采用时间、空间分辨率较高的ASIC。根据输出信号的不同，SiPM的ASIC读出电路可以分为两类：① 同时输出时间信息以及能量信息，这一类电路大多应用于核医学影像设备，尤其是PET；② 仅输出能量信息，可应用于天体物理，高能物理等弱光探测领域。
第一类ASIC读出电路，其与单通道原理电路十分相近，SiPM输出的信号经过初级放大电路后分为两路，一路经过快速整形电路、甄别器形成触发信号用以保存时间信息，另一路则通过慢整形电路以及积分器输出能量信息。第一类前端读出电路示意图，见图5。
图5 SiPM第一类前端读出电路示意图
由于PET这一全球领先的分子医学影像诊断技术的快速发展，包含时间信息的SiPM ASIC读出电路也被广泛研究，如法国CNRS研究院开发的MAROC2[22-24]、SPIROC[25-27]，欧洲原子能研究中心开发的NINO[28-31]，德国海德堡大学开发的PETA[32-34]、PETA4[35]，以及意大利国家核物理研究所开发的BASIC[5,36-39]，SPIDER[40]等。其中比较有代表意义的是基于0.18 μm的CMOS UMC工艺开发的PETA[32-33]读出电路，该电路包含40个独立的快速读出通道，可以同时进行时间以及能量信息的输出。对于每一个通道的输入信号，同样分为两路：一路通过快速低噪声的甄别器，来对时间信息进行标记；第二路经过积分器输出能量信息。PETA前端读出专用集成电路，见图6。
图6 PETA前端读出专用集成电路
第二类ASIC电路主要针对高能物理、天文观测，侧重于能量信号的处理。如FLC-SiPM[41]，一款基于0.8 μm的CMOS工艺开发的18通道的SiPM专用集成电路，每一个通道都有一个低噪音、可变增益的电荷放大器以及一个整形时间可变的CR-RC2整形电路，具体电路如图7所示。
图7 FLC-SiPM前端读出专用集成电路
综上所述，不同的SiPM前端读出ASIC电路根据用途的不同，采用了相异的半导体工艺、通道数目（32、40、64等）以及不同类型的放大整形电路[22,26,31,35,41-45]。整体统计情况，见表1。
4 SiPM在核医学领域的应用
SiPM以其探测效率高、工作电压低、体积小、对磁场不敏感等优点在核医学中被大量应用[28,46-48]，基于SiPM的PET探测器在时间和空间分辨率上均有显著提高。Kolb等[49]研发12×12（1.5 mm×1.5 mm×10 mm）硅酸钇镥晶体阵列，与3×3的SiPM探测器耦合，得到了950 ps的时间分辨率以及22%的能量分辨率（511 keV）。Llosa等[24]取得15%的能量分辨率以及1.4 ns的时间分辨率。Kim[50]和Schaart[51]分别利用LYSO:Ce3+与LaBr3:Ce3+晶体实现了小于240 ps的时间分辨率，使得SiPM应用于TOF-PET技术中成为可能。
此外，由于SiPM良好的磁兼容特性，使得SiPM被广泛应用于PET/MR、SPECT/MR的探测器设计中。以PET/MR为例，同步扫描的PET/MR一体机被广泛的应用于早期肿瘤筛查、心血管和神经系统疾病的诊断、脑功能研究等热点领域，每年出版的文献数以及文章引用量逐年攀升。
目前PET/MR双模态成像的主要技术难点就包括如何减少MRI和PET成像元件之间的相互干扰，为了避免这种干扰，主流的集成模式分为3种：分离式，嵌入式以及插入式，如图8所示[52-54]。其中嵌入式和插入式需要良好的核磁兼容特性。传统的PMT由于电子渡越时间较长，因此受磁场影响很大，阻碍了PET/MR的模态集成。半导体探测器APD，SiPM以其良好的磁兼容特性，获得了越来越广泛的关注。与APD相比，SiPM有更多的优势，Espana等[47]研究表明，SiPM在7T的磁场条件下增益特性基本保持不变，此外SiPM还具有更低的工作偏压，更小的暗电流以及更佳的热稳定性，使得SiPM越来越成为磁兼容探测器的首选。
图8 3种PET/MR设计
2009年，Schulz等[46]基于LSO+SiPM制成了和磁兼容的插入式PET探测器（图9），取得了18%的能量分辨率以及530 ps的时间分变率，并进行了同时数据采集实验，验证了双模态数据同时、同心采集的可行性。
表1 SiPM前端读出ASIC电路一览表
注：pe：光电子（Photoelectron）；pC：微库仑（Pico Coulomb）；ps：微微秒（Pico second）。
图9 MR兼容的插入式PET探测器[46]
2013年，Levin等[55]利用高度集成化的LYSO + SiPM + ASIC探测器模块，搭建了TOF-PET/MR全身扫描。实验结果显示，无论射频开启与否，PET能量分辨率均为10.5%（511 keV），时间分辨率为390 ps（射频关）和399 ps（射频开）。此后研究人员将LaBr3/LGSO+SiPM探测器与临床MR相结合，广泛应用于临床诊断、小动物临床研究中[32,46,52-59]。
5 总结及展望
综上所述，国内外学术界已经对SiPM进行了深入的研究，随着半导体工艺日趋成熟带来的价格降低，以及PET/MR等产品集成的迫切需要，SiPM将大规模应用于微光探测的核医学影像系统，为多模态分子医学影像的发展注入新的活力。
目前，SiPM相关的研究热点包括半导体工艺、ASIC设计两方面，未来的研究预计将在集中在以下几个方面：
（1）在半导体工艺中集成主动淬灭电阻、前端读出电路，如Philips研发的Digital SiPM[20]，进一步提升器件的填充率和时间分辨率，减少像素间串扰、暗电流。
（2）在设计前端ASIC电路之前，构建更加完善的SiPM电子学模型作为设计基础，如Banoushi等[60]提出的SAGCM-APD模型，袁俊等[61]提出的SPAD改进模型等。
（3）完善现有的CMOS工艺、降低成本，使其能够大规模应用于核医学探测。
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Progress in the Development of Silion Photomultipliers Electrophotonic Detector Based on Nuclear Medicine Imaging
Abstract：The silicon photomultipliers (SiPM) is a photoelectric detector emerging in recent years and used in nuclear medicine imaging systems. It has a huge potential to substitute the traditional Photomultipliers (PMT) due to its smaller size,lower working bias voltage and magnet compatible,etc. This paper introduced the relevant theories about SiPM frstly. Then,the SiPM production process were emphasized in detail,and the characteristic as well as performance of different production process was discussed subsequently. Furthermore,different kinds of front-end readout ASIC (Application Specifc Integrated Circuits) for SiPM,which were designed for different use,together with their electronic performance were enumerated. Finally,the application of SiPM in PET,PET/MR was demonstrated and future development of SiPM was also discussed.
Key words：silicon photomultiplier;avalanche photon detector;complementary metal oxide semiconductor;application specifc integrated circuits;positron emission tomography
XIE Zhao-heng1,ZHOU Kun1,LI Su-ying1,TIAN Jian1,YANG Kun2,REN Qiu-shi1
1. Department of Biomedical and Engineering,Peking University,Beijing 100871,China;2. Department of Measurement Control Technology and Instrument,College of Quality and Technical Supervision,Hebei University,Baoding Hebei 071000,China
[中图分类号]TH774
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.019
[文章编号]1674-1633(2016)09-0073-07
收稿日期：2016-05-25