Comparison of FBK with Hamamatsu MPPCs PHOTOSENSOR WG MEETING - - PowerPoint PPT Presentation

Comparison ¡of ¡FBK ¡with ¡ Hamamatsu ¡MPPCs ¡

¡

PHOTOSENSOR ¡WG ¡MEETING ¡

¡ Kurt ¡Francis ¡ 1/15/2019 ¡ ¡

1 ¡

Introduc:on

• Goal ¡here ¡is ¡to ¡compare ¡FBK ¡SIPMs ¡to ¡MPPCs ¡using ¡same ¡techniques, ¡

soBware ¡machinery ¡, ¡not ¡to ¡repeat ¡work ¡already ¡done ¡

• IV ¡curves ¡using ¡Keithley ¡pico-­‑ammeter ¡
• Cold ¡and ¡warm ¡
• Breakdown ¡Voltages ¡from ¡IV ¡curve ¡reverse ¡bias ¡
• Quenching ¡resistor ¡from ¡IV ¡curves ¡forward ¡bias ¡
• Pulse ¡measurements ¡using ¡SSP ¡(LEMO2 ¡inputs, ¡external ¡bias ¡modificaSons) ¡
• Use ¡gain ¡measurements ¡at ¡different ¡bias ¡voltages ¡to ¡get ¡breakdown ¡voltage ¡
• Amplitude ¡versus ¡integral ¡plots, ¡interesSng ¡features ¡
• Pulse ¡shape ¡comparisons ¡
• Dark ¡Count ¡rate ¡

2 ¡

FBK

• NUV, ¡4mm ¡x ¡4mm ¡array ¡of ¡6 ¡mounted ¡on ¡Hoverboard, ¡only ¡read ¡out ¡

4 ¡

3 ¡

Hamamatsu ¡MPPC

• TSV ¡(through ¡silicon ¡via), ¡6mm ¡x ¡6mm ¡
• Vbr ¡warm ¡~ ¡52V ¡

¡ ¡Vbr ¡cold ¡~42V ¡ ¡

• HWB ¡(hole ¡wire ¡bond), ¡6mm ¡x ¡6mm ¡
• Vbr ¡warm ¡~ ¡37V ¡

¡ ¡Vbr ¡cold ¡~ ¡31.5V ¡

• QC ¡(quartz ¡window ¡for ¡cryogenic ¡use) ¡
• Vbr ¡warm ¡~ ¡52 ¡

¡ ¡Vbr ¡cold ¡~ ¡42V ¡

Some ¡Specifica:ons ¡from ¡Data ¡Sheets

4 ¡

6 ¡mm ¡x ¡6mm ¡Hamamatsu ¡MPPCs ¡ terminal ¡ dark ¡count ¡ dark ¡ capacitance ¡ type ¡ pixels ¡ PDE ¡(%) ¡ gain ¡ typical ¡ max ¡ current ¡ pF ¡ Vbr ¡ deltaTvop ¡ S13360 ¡ 14336 ¡ 40 ¡ 1.70E+06 ¡ 2 ¡Mcps ¡ 6 ¡Mcps ¡ 1300 ¡ 53+/-­‑5V ¡ 54mV/C ¡ S14160 ¡ 14331 ¡ 50 ¡ 2.50E+06 ¡ 2.5uA ¡ 2000 ¡ 37 ¡V ¡ 34mV/C ¡ 4 ¡mm ¡x ¡4mm ¡FBK ¡NUV ¡SiPM ¡ terminal ¡ dark ¡count ¡ dark ¡ capacitance ¡ type ¡ pixels ¡ PDE ¡(%) ¡ gain ¡ typical ¡ max ¡ current ¡ pF ¡ Vbr ¡ deltaTvop ¡ ASDNUV4 ¡ 9340 ¡ 43 ¡ 3.60E+06 ¡ 50 ¡kHz ¡ 100kHz ¡ 24V ¡ 26mV/C ¡

5 ¡

6 ¡

FBK ¡

WARM ¡ ¡ ¡ IV ¡ ¡ ¡ ek ¡sipm ¡ Vbr ¡(V) ¡ 0 ¡ 25.7 ¡ 1 ¡ 25.7 ¡ 2 ¡ 25.5 ¡ 3 ¡ 25.7 ¡

7 ¡

FBK ¡

ek ¡ sipm ¡ gain ¡ iv ¡ 0 ¡21.08 ¡21.40 ¡ 1 ¡21.05 ¡21.28 ¡ 2 ¡21.01 ¡21.24 ¡ 3 ¡21.34 ¡21.30 ¡

At ¡LN2 ¡Temperature ¡

8 ¡

Vbreakdown ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ warm ¡ cold ¡ cold ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ iv ¡ iv ¡ gain ¡ delta ¡ ¡ ¡ (V) ¡ (V) ¡ (V) ¡ (V) ¡ FBK ¡ 0 ¡ 25.7 ¡ 21.4 ¡ 21.08 ¡ 4.3 ¡ FBK ¡ 1 ¡ 25.7 ¡ 21.28 ¡ 21.05 ¡ 4.42 ¡ FBK ¡ 2 ¡ 25.5 ¡ 21.24 ¡ 21.01 ¡ 4.26 ¡ FBK ¡ 3 ¡ 25.7 ¡ 21.3 ¡ 21.34 ¡ 4.4 ¡ HWB ¡ 1 ¡ 38.3 ¡ 31.6 ¡ 31.3 ¡ 6.7 ¡ HWB ¡ 2 ¡ 38.2 ¡ 31.5 ¡ 31.4 ¡ 6.7 ¡ TSV ¡ 1 ¡ 51.9 ¡ 42.1 ¡ 42 ¡ 9.8 ¡ TSV ¡ 2 ¡ 51.9 ¡ 42.1 ¡ 42.1 ¡ 9.8 ¡ QC ¡ 1 ¡ 51.9 ¡ 42.1 ¡ 41.9 ¡ 9.8 ¡ QC ¡ 2 ¡ 52.8 ¡ 42.8 ¡ 42,8 ¡ 10 ¡

9 ¡

FBK ¡

ek ¡ sipm ¡ run ¡ Rq ¡ 0 ¡ 1 ¡ 2.3 ¡M ¡ 0 ¡ 2 ¡ 2.5 ¡M ¡ 1 ¡ 1 ¡ 9 ¡M ¡ 1 ¡ 2 ¡ 4.8 ¡M ¡ 3 ¡ 1 ¡ 5.2 ¡M ¡ 3 ¡ 2 ¡ 5.9 ¡M ¡

Warm ¡

10 ¡

FBK ¡

Forward ¡Bias ¡ ¡ cold ¡light/ forward ¡ ek ¡sipm ¡Rq ¡ 0 ¡ 9.5 ¡M ¡ 1 ¡ 14 ¡M ¡ 2 ¡ 17 ¡M ¡ 3 ¡ 102 ¡M ¡

Warm ¡

11 ¡

refit ¡ refit ¡ refit ¡ refit ¡ warm ¡ warm ¡ cold ¡ cold ¡ dark ¡ light ¡ dark ¡ light ¡ kOhm ¡ kOhm ¡ kOhm ¡ kOhm ¡ 488 ¡ 445 ¡ 1280 ¡ 1230 ¡ 452 ¡ 445 ¡ 1116 ¡ 1055 ¡ 449 ¡ 433 ¡ 596 ¡ 586 ¡ 474 ¡ 421 ¡ 620 ¡ 584 ¡ 506 ¡ 477 ¡ 732 ¡ 728 ¡ 477 ¡ 474 ¡ 696 ¡ 681 ¡ holewirebond ¡ H1 ¡ holewirebond ¡ H2 ¡ TSV ¡ T1 ¡ TSV ¡ T2 ¡ Quartz ¡window ¡ Q1 ¡ Quartz ¡window ¡ Q2 ¡

Hamamatsu ¡ ¡

Raw ¡data ¡from ¡SSP ¡ Sample ¡400 ¡to ¡600 ¡out ¡of ¡2000 ¡

FBK ¡

12 ¡

For ¡each ¡run ¡find ¡pedestal/baseline ¡by ¡looking ¡at ¡first ¡100 ¡ samples ¡of ¡first ¡500 ¡events ¡ For ¡amplitude ¡plot ¡– ¡find ¡ADC ¡value ¡of ¡highest ¡ADC ¡in ¡ sample ¡window ¡of ¡450 ¡to ¡560 ¡, ¡synchronized ¡with ¡LED ¡light ¡ pulse ¡ For ¡Integral ¡plot ¡– ¡Add ¡ADC ¡– ¡pedestal ¡of ¡samples ¡450 ¡to ¡560 ¡ ¡

FBK ¡

13 ¡

14 ¡

FBK ¡

Vover ¡= ¡3.5V ¡

IntegraSon ¡range: ¡450 ¡to ¡550 ¡

Hamamatsu ¡in ¡comparison ¡

IntegraSon ¡range: ¡450 ¡to ¡550 ¡

16 ¡

TSV ¡ QUARTZ/CRYO ¡ HOLE ¡WIRE ¡BOND ¡ RED ¡BOX ¡ GOOD, ¡“NORMAL”, ¡1PE ¡PULSE ¡

MPPC ¡

FBK ¡

MPV ¡rise ¡Sme ¡13 ¡samples ¡ Fall ¡Sme ¡MPV=64 ¡sigma=13.6 ¡ 43% ¡of ¡pulse ¡is ¡in ¡ ¡ ¡leading ¡20 ¡samples ¡

17 ¡

Rise ¡Sme ¡is ¡number ¡of ¡samples ¡(6.25ns) ¡ Between ¡first ¡sample ¡over ¡465 ¡with ¡ ¡ ADC ¡> ¡baseline+3 ¡and ¡sample ¡with ¡ ¡ Maximum ¡ADC ¡in ¡window ¡ ¡ Fall ¡Sme ¡is ¡# ¡samples ¡between ¡maximum ¡ ADC ¡and ¡return ¡to ¡baseline ¡ (fit ¡with ¡Landau ¡and ¡report ¡MPV ¡and ¡sigma) ¡ ¡ Leading ¡sample ¡fracSon ¡is ¡raSo ¡of ¡ The ¡integral ¡of ¡the ¡first ¡20 ¡samples ¡ Divided ¡by ¡the ¡total ¡integral ¡of ¡window ¡ ¡

TSV ¡

MPV ¡rise ¡Sme ¡22 ¡samples ¡ Fall ¡Sme ¡MPV ¡54 ¡sigma ¡6.4 ¡ 51% ¡of ¡pulse ¡is ¡in ¡ ¡ ¡ ¡leading ¡20 ¡samples ¡

18 ¡

QC ¡

MPV ¡rise ¡Sme ¡22 ¡samples ¡ Fall ¡Sme ¡MPV ¡47 ¡sigma ¡5.7 ¡ 52% ¡of ¡pulse ¡is ¡in ¡ ¡ ¡ ¡leading ¡20 ¡samples ¡

19 ¡

HWB ¡

MPV ¡rise ¡Sme ¡18 ¡samples ¡ Fall ¡Sme ¡MPV=87 ¡sigma=10 ¡ 45% ¡of ¡pulse ¡is ¡in ¡ ¡ ¡ ¡leading ¡20 ¡samples ¡

20 ¡

rise ¡ Sme ¡ fall ¡ Sme ¡ fracSon ¡ in ¡ ¡ MPV ¡ MPV ¡ sigma ¡ 1st ¡20 ¡ samples ¡ sampl es ¡ sampl es ¡ (%) ¡ FBK ¡ 13 ¡ 64 ¡ 13.6 ¡ 43 ¡ TSV ¡ 22 ¡ 54 ¡ 6.4 ¡ 51 ¡ QC ¡ 22 ¡ 47 ¡ 5.7 ¡ 52 ¡ HWB ¡ 18 ¡ 87 ¡ 10 ¡ 45 ¡

Summary

¡FBK ¡NUV ¡Dark ¡count ¡rate ¡at ¡LN2 ¡temperature ¡= ¡91 ¡to ¡125 ¡Hz ¡ ¡

at ¡3.5V ¡over ¡Vbr ¡ ¡-­‑> ¡pde ¡~48% ¡ HWB: ¡9 ¡to ¡13 ¡Hz ¡at ¡PDE=45% ¡ ¡ ¡ ¡TSV: ¡7 ¡to ¡20 ¡Hz ¡at ¡PDE=46% ¡ ¡

FBK ¡has ¡lower ¡gain ¡in ¡ADC ¡than ¡MPPCs ¡ ¡ Preliminary ¡results, ¡need ¡to ¡consider ¡differences ¡in ¡pixel ¡size ¡and ¡total ¡ area ¡ ¡

21 ¡

22 ¡

• Use ¡Mu2e ¡CRV ¡electronics ¡to ¡read ¡out ¡
• Find ¡berer ¡PDE ¡comparison ¡point ¡
• More ¡staSsScs ¡for ¡dark ¡count ¡at ¡comparable ¡PDE ¡
• Study ¡Rq ¡from ¡forward ¡bias ¡IV ¡curves ¡

¡

Next ¡Steps

23 ¡