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 ¡ 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 ¡ 3 ¡

Some ¡Specifica:ons ¡from ¡Data ¡Sheets 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 ¡ 4 ¡

5 ¡

FBK ¡ WARM ¡ ¡ ¡ IV ¡ ¡ ¡ ek ¡sipm ¡ Vbr ¡(V) ¡ 0 ¡ 25.7 ¡ 1 ¡ 25.7 ¡ 2 ¡ 25.5 ¡ 3 ¡ 25.7 ¡ 6 ¡

FBK ¡ At ¡LN2 ¡Temperature ¡ ek ¡ sipm ¡ gain ¡ iv ¡ 0 ¡21.08 ¡21.40 ¡ 1 ¡21.05 ¡21.28 ¡ 2 ¡21.01 ¡21.24 ¡ 3 ¡21.34 ¡21.30 ¡ 7 ¡

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 ¡ 8 ¡

FBK ¡ Warm ¡ 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 ¡ 9 ¡

FBK ¡ Warm ¡ Forward ¡Bias ¡ ¡ cold ¡light/ forward ¡ ek ¡sipm ¡Rq ¡ 0 ¡ 9.5 ¡M ¡ 1 ¡ 14 ¡M ¡ 2 ¡ 17 ¡M ¡ 3 ¡ 102 ¡M ¡ 10 ¡

Hamamatsu ¡ ¡ refit ¡ refit ¡ refit ¡ refit ¡ warm ¡ warm ¡ cold ¡ cold ¡ dark ¡ light ¡ dark ¡ light ¡ kOhm ¡ kOhm ¡ kOhm ¡ kOhm ¡ 488 ¡ 445 ¡ 1280 ¡ 1230 ¡ holewirebond ¡ H1 ¡ holewirebond ¡ H2 ¡ 452 ¡ 445 ¡ 1116 ¡ 1055 ¡ 449 ¡ 433 ¡ 596 ¡ 586 ¡ TSV ¡ T1 ¡ TSV ¡ T2 ¡ 474 ¡ 421 ¡ 620 ¡ 584 ¡ Quartz ¡window ¡ Q1 ¡ 506 ¡ 477 ¡ 732 ¡ 728 ¡ Quartz ¡window ¡ Q2 ¡ 477 ¡ 474 ¡ 696 ¡ 681 ¡ 11 ¡

FBK ¡ Raw ¡data ¡from ¡SSP ¡ Sample ¡400 ¡to ¡600 ¡out ¡of ¡2000 ¡ 12 ¡

FBK ¡ 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 ¡ ¡ 13 ¡

FBK ¡ Vover ¡= ¡3.5V ¡ 14 ¡

Hamamatsu ¡in ¡comparison ¡ IntegraSon ¡range: ¡450 ¡to ¡ 550 ¡ IntegraSon ¡range: ¡450 ¡to ¡ 550 ¡

TSV ¡ QUARTZ/CRYO ¡ HOLE ¡WIRE ¡BOND ¡ MPPC ¡ RED ¡BOX ¡ GOOD, ¡“NORMAL”, ¡1PE ¡PULSE ¡ 16 ¡

FBK ¡ MPV ¡rise ¡Sme ¡13 ¡samples ¡ Fall ¡Sme ¡MPV=64 ¡sigma=13.6 ¡ 43% ¡of ¡pulse ¡is ¡in ¡ ¡ ¡leading ¡20 ¡samples ¡ 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 ¡ 17 ¡ 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 ¡ rise ¡ fall ¡ fracSon ¡ Sme ¡ Sme ¡ in ¡ ¡ 1st ¡20 ¡ MPV ¡ MPV ¡ sigma ¡ samples ¡ sampl sampl es ¡ es ¡ (%) ¡ FBK ¡ 13 ¡ 64 ¡ 13.6 ¡ 43 ¡ TSV ¡ 22 ¡ 54 ¡ 6.4 ¡ 51 ¡ QC ¡ 22 ¡ 47 ¡ 5.7 ¡ 52 ¡ HWB ¡ 18 ¡ 87 ¡ 10 ¡ 45 ¡ 20 ¡

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 ¡

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