Advance in Silicon Photomultiplier for All-Digital Positron Emission Tomography
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摘要:
近年来，硅光电倍增器（SiPM）凭借其出色的性能表现，已经成为正电子发射断层成像（PET）中的首选光电转换器件。SiPM具有单光子分辨能力和低于100 ps的时间分辨率，使得精确测量光子到达时间成为可能，催生了飞行时间PET、光子计数计算机断层扫描、正电子素寿命显像等新兴应用领域，这些应用又对SiPM的性能提出了更高的挑战。因此，如何将SiPM性能推进至其物理极限已成为新一代SiPM的研究的关键方向。在传统的SiPM架构中，信号经过多次处理和模数转换，带来噪声增加和时间性能恶化的问题，从而限制了SiPM的性能潜力。随着半导体制造工艺的快速发展，SiPM可在标准CMOS工艺节点上制造，标志着可以将数字逻辑集成在SiPM器件内，这是SiPM领域的一次重大突破，使我们能在单一SiPM内实现更精确的时间、能量、位置信息获取，为推进SiPM达到性能极限提供了一条可能的途径。本文综述SiPM的发展历史、工作原理和性能参数，分析传统SiPM的局限性，梳理数字SiPM研究的关键问题，介绍当前几种数字化SiPM架构，最后对数字SiPM的关键技术进行总结和展望。
Abstract:In recent years, silicon photomultipliers (SiPMs) have emerged as preferred photoelectric conversion devices in positron emission tomography (PET) due to their outstanding performance. SiPMs possess single-photon resolution capability and time resolution below 100 ps, enabling precise photon arrival time measurements. These advances paved the way for emerging applications such as time-of-flight PET (TOF-PET), photon counting CT, and positron emission lifetime imaging, presenting new challenges to SiPM performance, the advancing of which to their physical limits has become a key focus area in next-generation SiPM research. In traditional SiPM architectures, signal processing and analog-to-digital conversion introduce noise and degrade time performance, thereby limiting the full SiPM potential. With the recent and rapid development of semiconductor manufacturing processes, SiPMs could be manufactured on standard CMOS process nodes, which marks a significant breakthrough in the SiPM field, allowing for the integration of digital logic within SiPM devices. This advancement opens the possibility of achieving more precise time, energy, and position information within a single SiPM, thereby providing potential possibilities to push SiPMs to their performance limits. In this study, we reviewed the development history, working principles, and performance parameters of SiPMs. We analyzed the limitations of traditional SiPMs, outlined key aspects of digital SiPM research, and introduced various current digital SiPM architectures. Finally, we summarized and anticipated key technologies in digital SiPMs.
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光电探测器是弱光探测系统的核心部件，广泛应用于医疗、国防、工业和科研等国民经济的各个行业[1-3]。以真空管为基础的光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）由于其成熟的工艺和稳定的性能，长期以来都是弱光探测领域应用最广泛的光电探测器。然而PMT存在工作电压高、与磁场不兼容且难以实现高度集成等缺点。随着弱光探测器向着微型化、高集成化的方向发展，以及在强磁场等极端环境下工作的需求增加，PMT的这些问题变得不容忽视[4]。
近年来，基于半导体工艺的固态光电探测器——硅光电倍增器（silicon photomultiplier，SiPM）的发展备受关注。SiPM具有增益高（105至106）、时间分辨率高（小于100 ps）、工作电压低（小于100 V）、探测效率高（大于30％）、对磁场不敏感等优点，已经成为正电子发射断层成像（positron emission tomography，PET）设备中首选的光电转换器。SiPM的高速时间响应特性使得我们能够精确测定单个光子的到达时间，从而推动高精度激光雷达、时间相关单光子计数等技术的实现，也催生了飞行时间（time of flight，TOF）PET、光子计数计算机断层扫描、正电子素寿命现象等新兴应用领域[5-7]。
当前SiPM市场日渐成熟，国内湖北锐光TN系列SiPM具备超高响应速度，脉冲上升时间低至0.88 ns，探测效率达到35％@ 420 nm[8]。国外安森美半导体（ONSEMI）的C系列SiPM配备快速输出模式，单光子脉宽低至1.5 ns，探测效率达到35％@ 420 nm[9]。博通公司的AFBR系列SiPM通过硅通孔技术和芯片尺寸封装最大化提升器件的填充因子，探测效率达到43％@ 420 nm[10]。
尽管市面上的SiPM性能已能满足大部分领域的应用要求，但当前SiPM的性能还远远未达到其物理极限，无法完全满足新兴应用领域对光电转换器的高性能要求。以TOF-PET为例，当前SiPM单光子时间分辨率普遍在100 ps左右，而TOF-PET需要系统时间分辨率达到10 ps，这样就可以不用进行复杂的图像重建，直接从TOF信息中恢复出PET图像[11-12]，这就要求SiPM的单光子时间分辨率低于10 ps量级，需要工艺厂不断优化工艺，提升SiPM各项性能参数。然而，当前SiPM的模拟读出逻辑由于制造工艺不可避免的寄生效应，导致微单元间的均一性较差，以及信号经过芯片内外多次的模拟信号处理过程引入了额外的噪声，使得当前SiPM的各项性能已达到了一个瓶颈。
近年来，基于标准CMOS工艺的SiPM已经被开发出来[13-15]，这意味着可以方便地将数字逻辑电路集成在SiPM微单元内，在单一器件内实现全面的时间、能量、位置信息获取，为突破SiPM性能瓶颈提供了另一条可行的途径。高度集成的数字化SiPM可以直接将光子与微单元作用的信号数字化输出，带来了更高的时间分辨率、更低的噪声和更全面的能量位置信息，使SiPM成为真正意义上的数字光子计数器。
在这一背景下，本文以SiPM的发展历史和研究现状为起点，介绍SiPM的工作原理，分析传统模拟SiPM的局限性，重点关注数字SiPM的研究进展，详细介绍当前几种数字SiPM工作原理，并对各自的优点和不足进行分析，最后对数字SiPM的关键技术进行了总结和展望。
1. SiPM发展历史与研究现状
1940年，美国贝尔实验室的Ohl[16]观察到光照射入硅棒后产生的光伏现象，并在硅板上发现了一条裂缝，它把硅板分成了包含不同杂质的两部分，PN结的概念首次被提出。1950年左右，McKay[17]提出基于硅基PN结的雪崩击穿原理，为光电探测技术的发展提供了一个全新的研究方向。1960年到1970年间，美国RCA公司的McIntyre[18]和肖克利实验室的Haitz[19]开创性的研制了第1个雪崩光电二极管（avalanche photo diode，APD），系统研究了工作在线性模式和盖革模式下APD的雪崩倍增过程。工作在盖革模式下的APD又称单光子雪崩二极管（single photon avalanche diode，SPAD），因为这种固态探测器具有单光子探测能力，在当时受到了广泛的使用[20]。但是SPAD并没有探测多个光子的能力，无法提供与光脉冲中的光子数量相对应的线性响应，并且由于采用被动淬灭的方式，SPAD的“死区时间”较长，SPAD的阵列化成为解决这些问题的一个重要研究方向[21]。Ghioni等[22]对SPAD的淬灭电路进行了大量研究，提出了主动淬灭电路，通过反馈回路主动减少SPAD“死区时间”。同时，俄罗斯科学家发明了金属-电阻-半导体结构（metal resistor semiconductor，MRS），这种结构通过局部降低电场来限制盖革击穿，可以有效降低SPAD的噪声、缩短“死区时间”[23]。随后俄罗斯的Golovin[24]和Sadygov等[25]首先利用这个技术，将数千个SPADs组装在几毫米平方阵列中，SiPM就这样被发明了（图1）。
此后，SiPM凭借其优秀的综合性能引起了学术界广泛的研究兴趣，近20年内，SiPM在探测效率、噪声性能、动态范围、结构设计等方面得到显著提升。Ninkovic等[26]提出一种新型的探测结构，处于非耗尽区的硅衬底作为垂直的淬灭电阻，以P+-N--N+的掺杂模式形成的耗尽区将相邻的微单元隔开，这种设计串扰效应减少，大幅度提高了填充因子，缺点是需要特定的材料以及微单元的恢复时间较长[26]。北京师范大学新器件实验室研发了一种采用外延层体电阻为雪崩淬灭电阻的新结构SiPM，与以位于器件表面的多晶硅条为淬灭电阻的SiPM相比，这种新结构SiPM具有高密度的APD单元，几何填充因子高，探测效率和动态范围得以兼顾[27]。Sun等[28]用垂直体硅淬灭电阻代替SiPM微单元中的多晶硅电阻，在电阻层中插入阻流层以减小电阻的横截面积，从而通过薄电阻层达到必要的淬灭电阻阻值，这种结构有利于提高SiPM填充因子，实现更高效的光子探测。日本Hamamatsu推出的SiPM产品采用硅通孔（through-silicon vias，TSV）技术，结构更为紧凑，且其几何效率从20％ 提升至80％，显著提升了光子探测效率[29]。Acerbi等[30]报道了由意大利布鲁诺·凯斯勒基金会（FBK）提出的高密度硅光电倍增管RGB-HD SiPM；这种SiPM沟槽比外延层厚度深，具有很高的纵横比，使几何填充因子可达到60％ 以上，HD SiPM通过缩短SPAD间距使尺寸减小，从而降低了后脉冲和光学串扰概率，光子探测效率高，且具有高动态范围和非常好的线性度。华中科技大学开发了首款基于标准CMOS工艺的SiPM（图2），各项性能参数指标达到与定制工艺相同的水准，基于标准CMOS工艺的SiPM与数字处理电路高度兼容，被认为是新一代SiPM的发展方向[31]。
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图 2 新型SiPM结构的横截面示意图Figure 2. Schematic diagrams of the new SiPM structure cross-sections2. SiPM工作原理与局限性
SiPM的基本微单元是由工作在盖革模式的雪崩光电二极管串联淬灭电阻构成，成百上千个这样的微单元并联连接，构成二维的阵列式结构，并共用一个电源端和一个输出端，就形成了SiPM，如图3所示[32]。
盖革模式是指加在SiPM上的反向偏压大于其击穿电压的工作状态。在盖革模式下，雪崩光电二极管的PN结耗尽层内会产生足够强的电场，当光子与维单元撞击时有几率产生自由移动的电子，自由电子在内部电场的作用下定向移动，载流子便有一定的概率能与其他的硅原子发生碰撞电离，并产生新的电子-空穴对。
在盖革模式下，电子和空穴都有极高的碰撞电离率，雪崩倍增过程一旦开始就会一直持续下去，且处于该状态的雪崩光电二极管对外界的光子不再敏感，只有当耗尽层内的电场强度下降到击穿电压以下，不能再维持雪崩倍增过程所需的电场强度时，雪崩倍增过程才会停止，雪崩倍增过程如图4所示[33]。通常的做法是加入一个串联的淬灭电阻进行分压，雪崩倍增过程产生的电流流过淬灭电阻，在电阻上产生一个电压降，导致雪崩光电二极管两端的电压也随之下降，进而导致耗尽层内的电场强度迅速减弱，达到停止雪崩倍增过程的作用，这个过程叫SiPM的淬灭。完成淬灭之后，淬灭电阻两端的电压降消失，PN结两端的电压又达到外加偏压的水平，雪崩光电二极管恢复到对光敏感的状态，准备接收下一个光子，并重复以上过程[34-36]。
目前SiPM的读出逻辑是将成百上千个微单元的信号加和形成一个模拟信号输出，后端电路则通过检测这一加和脉冲的大小、以及形成的时间进行入射光子的数目以及时间等信息的甄别，导致在SiPM外部还需要一系列的模拟信号处理电路和模数转换电路来完成最终信号的数字化[37-39]，也是目前SiPM被称为模拟SiPM的原因。经过多个模拟信号处理和模数转换过程，信息经过多次损失，相应的物理过程可能完全改变了统计模型，且模拟工艺的瓶颈限制了SiPM的性能极限和应用潜力。
然而，从宏观上来看SiPM中每个微单元都相当于一个数字单元，只有接收到光子和没接收到光子两个状态，相当于数字逻辑“1”和“0”，其本质上相当于一个数字器件，光子的到达时间以及光子数的多少可以通过直接测量微单元输出信号的时间以及有输出信号的微单元数量的方式获得。基于这一思想，直接输出入射可见光光子的数目以及时间的数字SiPM得到了广泛关注和研究，这种从源头上数字的SiPM被公认为是SiPM未来的发展方向[40]。
3. 数字SiPM关键技术
3.1 数字SiPM发展历史和研究现状
与模拟SiPM类似，数字SiPM本质上也是由工作在盖革模式的雪崩光电二极管阵列构成。与模拟SiPM不同的是，数字SiPM通常在微单元内集成了有源淬灭电路及数字处理电路，虽然这样做会导致光敏面积的损失，但能使SiPM具有更快的响应速度，同时输出微单元的状态、光子到达时间等数字信息，在设计时需要考虑探测效率和微单元功能的折中。
在芯片外围电路，数字SiPM集成了用于全数字采集、处理和读出光信号的附加电路，直接将射线与闪烁晶体作用产生的光子进行数字化处理，输出离散的光子数目和时序特征。目前报道的数字SiPM相比模拟SiPM具有更低的噪声和更高的时间性能，数字SiPM可以在真正意义上被称为光子计数设备[41]。
由Frach等[42]设计的第一个数字SiPM是专门为TOF-PET而设计的，其结构如图5所示。通过将SPAD微单元阵列连接到触发网络，再经过时间数字转换器（time-to-digital converter，TDC）获取时间信息，并将所有微单元通过一根总线连接到计数器获取触发的微单元个数，该芯片由NXP半导体公司在定制的CMOS工艺中制备。Frach提出的这种架构后来被飞利浦用于开发其第一款商用数字SiPM，也被飞利浦称为数字光子计数器（digital photon counter，DPC），其中填充因子增加到了70％ 以上[43-44]。这个设备专门设计用于感测TOF-PET中闪烁脉冲，也成功地用于探测PET和HEP中的切伦科夫辐射[45-46]。飞利浦的数字SiPM每次闪烁事件仅记录一个时间戳，该时间戳可以设置在不同的概率阈值上，从这个意义上讲，这个探测器与模拟SiPM非常相似，是一种半数字的SiPM。DPC成功应用于临床PET/MR系统中，证明了数字SiPM可以相当容易地升级为完整的探测系统[47-48]。
早期的另一种数字SiPM的实现方法借鉴了CMOS图像传感器的概念，在微单元内集成复杂的CMOS信号处理电路如时间数字转换器（TDC），采用帧读出的方式，如2011年Veerappan等[49]提出的数字SiPM是由160×128的微单元阵列组成，每个微单元内集成了一个10 bit的TDC。在这种方法实现的SPAD/TDC阵列中，可实现的填充因子仅仅不到20％，因为大量的TDC占据了芯片上的大部分可用区域，且由于微单元数量庞大，芯片数据读出时间大于4 μs。尽管这种微单元阵列在某些光学成像应用中非常有用，如飞行时间三维光学成像，但是它们的低探测效率和较慢的读出速度使它们并不适合在核医学成像如PET和SPECT中读出闪烁脉冲，不过这种同时进行时间戳和定位所有检测光子的能力可以用于闪烁脉冲的详细统计分析[50]。
目前数字SiPM并未实现大规模的商业化，仅有少数几家公司推出了数字SiPM产品，多数数字SiPM仍处于论文报道的验证阶段，验证工艺和数字化电路架构的可行性。当前研究最多的数字化电路架构有两种，一种是将像素阵列连接到计数器和TDC的光子计数数字化架构，典型代表为飞利浦的数字SiPM产品，光谱响应范围350～750 nm，其填充因子达到77.7％，峰值探测效率35％，最高计数率为120 KCps，时间分辨率48 ps[51]。另一种是采用微单元/TDC阵列的数字SiPM，如Mandai等[52]研制的多通道数字SiPM，填充因子为57％，峰值探测效率17.1％，时间分辨率120 ps。在这种架构中更复杂的微单元结构和更精细的TDC能带来更高的时间性能，但在2D工艺的限制下会降低探测效率，如Nolet等[53]研制的新型微单元淬灭电路的数字SiPM时间分辨率达到了17.5 ps，但微单元结构过于复杂，2D工艺下总的填充因子不到5％。
在生物医学工程应用中，数字SiPM的探测效率、时间分辨率和计数率是最重要的性能，而在当前工艺和数字化电路架构的限制下，未有能兼顾所有性能的数字SiPM，在设计时需要考虑各种性能的折衷。在芯片内集成数字电路不可避免地降低了数字SiPM的填充因子，从而降低了探测效率，因此未来数字SiPM的制造朝着三维集成方向发展[53-54]，将数字电路部分集成在探测单元下层，能最大化提升填充因子，使数字SiPM达到和模拟SiPM同水平的探测效率，同时也能使设计者在设计数字电路时不用受限于电路面积。
图6展示了Berube等[55]设计的三维集成结构。第1层包含带有每个微单元的TSV的SPAD阵列，第2层包含淬灭电路阵列，第3层包含信号处理和读出功能。
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图 6 三维封装数字SiPM横截面示意图Figure 6. Schematic 3D package digital SiPM cross-section diagram.3.2 飞利浦数字光子计数器
目前商业化程度最高的数字SiPM是飞利浦的数字光子计数器DPC，其芯片架构图如图7所示[43]。DPC的微单元由1个SPAD和外围数字化电路组成，微单元排列成32×25的阵列构成1个子像素，4个子像素连接到子触发网络构成一个DPC的像素，一个DPC由4个像素连接到主触发网络和TDC组成，总的填充因子达到了77.7％。
DPC的工作周期如图8所示[42]。DPC的采集周期是异步的，并且长度可配置，在1个采集周期中触发的所有单元格都被合并成1个单个事件最终输出。每个像素都配备有自己的数字触发逻辑，1个像素由4个子像素构成，如果1个子像素至少有1个微单元探测到了光子，它就会产生1个逻辑“真”，通过改变每个像素上的子像素之间的逻辑互连，可以选择不同的像素触发方案。
目前DPC提供有4种不同的触发方案阈值，最低的触发阈值是全“OR”连接，即4个子像素中任何1个探测到光子就能开始采集周期，最高的触发阈值是全“AND”连接，即4个子像素都需要探测到光子才能开始采集。当4个像素中任意1个像素满足触发条件后，DPC就会开始采集周期，并且产生1个相应的时间戳。触发之后需要在用户定义的时间内通过1个更高的触发阈值（称为验证阶段），验证的实现方式和触发方式原理上是相同的，子像素被划分为不同的验证区域，而验证方式就是这些逻辑区域之间的互联。
验证区域内触发的第1个单元将为该特定区域产生1个逻辑的“真”，在每个子像素上的编号为0到6的7个AND/OR门的逻辑互连，以及在1个像素上的4个子像素之间的1个AND/OR门连接，决定了验证条件。验证阶段的功能是筛除掉暗计数事件，当验证条件不满足时，DPC则执行传感器的快速复位，以减少死区时间。
当满足了验证条件后，DPC开始进入用户定义时间长度的采集阶段，以采集所有的光子。需要注意的是，在验证和采集阶段，每个单元只能被触发一次，因此DPC不受后脉冲的影响。在采集阶段结束后，DPC进入固定时间的读出阶段，逐个读出各个微单元的状态，最终输出被触发的微单元个数和事件触发时的时间戳。
由于触发和验证过程都是基于子像素之间的可配置逻辑互连，因此这两者在本质上都是具有概率性质的，因此正确理解验证和触发的阈值设置对DPC的使用具有重要的指导意义。Tabacchini等[56]开发了一个分析模型，将触发和验证的概率事件与给定事件中触发的微单元的数量联系起来，该模型可以准确地预测在飞利浦DPC3200-22-44产品上获得的实验数据。
3.3 多计数阈值数字SiPM
在微单元内集成复杂的处理电路一方面会带来探测效率的急剧下降，另一方面由于微单元个数太多，芯片读取数据周期过长，使得计数率下降。针对这个问题，华中科技大学数字PET实验室提出了一种新型的多计数阈值数字化架构，多计数阈值数字化的理论基础为数字PET实验室提出的多阈值数字化思想[57-58]，通过简洁的处理电路对信号进行少量采样，将SiPM信号提取为“计数/时间”对输出，结合闪烁光子的先验信息模型，重构出入射光子的时空序列。多计数阈值SiPM由微单元阵列和数字化电路构成，每个微单元由一个SPAD和配套处理电路构成，处理电路将微单元输出信号转化为阶跃脉冲信号，将所有微单元的输出信号加和形成阶梯计数信号，通过多阈值采样方法，设定计数阈值，当输出信号通过给定阈值时，记录此时的时间戳，得到若干个“计数/时间对”采样点，后续通过闪烁脉冲的先验信息还原入射光的时空序列。
多计数阈值数字SiPM工作原理图如图9（b）所示，微单元阵列将原始闪烁脉冲波形（图9（a））整形成计数阶跃信号。每当有一个微单元被触发时，阶梯便会上升一步，这代表我们可以从信号的幅值上获取被触发的微单元个数也就是能量信息，从信号上升的时间获取闪烁光子到达的时间序列。这种数字化方法取消了复杂的数字化读出电路，使用简单的阈值比较器和TDC对事件进行采样，传输数据至上位机进行数字化，能实现闪烁脉冲事件的实时数字化读出，计数率达到1 MCps，相对于目前几款数字SiPM计数率有数量级的提升。
需要注意的是，多计数阈值数字化方法实际上一种是需要先验信息的欠采样数字化方法，这就要求对闪烁晶体中可见光子产生、运输，光子到达的时间、空间信息进行全面的了解，才能刻画出计数阶跃信号的形状，从而运用多阈值采样方法进行拟合。
4. 总结与展望
经过20多年的发展，SiPM的理论研究、制造工艺、产品市场等方面已经较为成熟，已成为PET设备中最为主流的光电转换器件。如今，以TOF-PET为代表的新兴光电探测领域对SiPM的性能参数提出了更高需求，本文分析了限制当前SiPM性能的瓶颈原因，指出全数字SiPM是突破性能瓶颈的一种可行方法，介绍当前3种数字化SiPM的架构原理：①微单元/TDC阵列数字化方法，这种数字化方法能提供全面的时间、能量、位置信息，但是微单元内集成过多的器件使得芯片的探测效率和读出速率都大幅降低；②光子计数数字化方法，这种数字化方法通过计数器连接到一个TDC输出一次事件的总能量和事件开始的时间戳，探测效率损失较小，但能量信息仍需逐个读出，处理一次事件的时间较慢；③多计数阈值数字化方法，这种数字化方法能实现逻辑简洁的数字化，但是对先验信息有着极高的要求。
虽然数字SiPM已有许多新进展，但是仍有很多的问题和挑战有待解决，根据目前的研究现状，基于先验信息的多计数阈值SiPM有望在不损失光敏面积和读出速率的情况下实现SiPM的数字化，本文对多计数阈值数字SiPM的发展提出以下建议。
（1）深入理解SiPM雪崩倍增的物理机制，探索盖革模式雪崩倍增新规律，探索其性能极限。
（2）建立闪烁光子运输传递、光子到达时间空间序列模型，完善多阈值数字化的基本理论，发展闪烁脉冲重构及特性刻画新方法。
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图 2 新型SiPM结构的横截面示意图
Figure 2. Schematic diagrams of the new SiPM structure cross-sections
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图 6 三维封装数字SiPM横截面示意图
Figure 6. Schematic 3D package digital SiPM cross-section diagram.
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