JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Silicium Amorphe Hydrogéné sur circuit intégré:
Imagerie et détection de particules
Matthieu Despeisse / CERN
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Basé sur la technologie de bump bonding
Détecteurs silicium à pixels utilisés en physique des particules:
Développement d’un nouveau détecteur à pixel monolithique
Films a-Si:H pour la physique des particules et l’imagerie médicale
ASIC
a-Si:H Detector
Particle
ASIC
Front electrode
Rear electrode
Insulation layer/ASIC passivation
a-Si:H diode } Detector
Basé sur la déposition directement sur l’ électronique de lecture de détecteur en silicium amorphe hydrogéné
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Films a-Si:H pour la physique des particules et l’imagerie médicale
ITO 65nm
layerp
Wd
a-Si:H i-layer 13μm or 30 μm
Depleted region with field
Wd
Non depleted region, no field
ASIC
layern
Top electrodeNegative voltageVbias
- +- +
- +- +
Charged Particle
Radiation hard electronics
ITO 65nm
layerp
Wd
a-Si:H i-layer 13μm or 30 μm
Depleted region with field
Wd
Non depleted region, no field
ASIC
layern
Top electrodeNegative voltageVbias
- +- +
- +- +
Charged Particle
Radiation hard electronics
ITO 65nm
layerp
Wd
a-Si:H i-layer 13μm or 30 μm
Depleted region with field
Wd
Non depleted region, no field
ASIC
layern
Top electrodeNegative voltageVbias
-+
Radiation hard electronics
-+
-+-+ -
+
450nm photons
ITO 65nm
layerp
Wd
a-Si:H i-layer 13μm or 30 μm
Depleted region with field
Wd
Non depleted region, no field
ASIC
layern
Top electrodeNegative voltageVbias
-+
Radiation hard electronics
-+
-+-+ -
+
450nm photons
Scintillateur
X-rays
Détection directe de particules chargées
Détection indirecte de rayons X- Utilisation d’un scintillateur- Utilisation possible de couches métalliques- détection directe possible
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Motivations
• Haut niveau d’intégration détection / électronique de lecture• Bonne tenue aux radiations (→ Utilisation à température ambiante)
- L.E. Antonuk et al., NIM A299 (1990) 143.- J. Kuendig et al., 16th EU PV Solar Energy Conf. (2000).
• Réduction des coûts de fabrication• Fabrication relativement aisée de détecteurs de grandes surfaces• Couverture de détection sur toute la surface du dispositif
Films a-Si:H pour la physique des particules et l’imagerie médicale
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Le Silicium Amorphe Hydrogéné
… quelques données…
Vue artistique du a-Si:H
Electron mobility 1 – 20 cm2/Vs
Hole mobility 0.01 – 0.5 cm2/Vs
Band gap 1.8 eV
Defect density 0.5 - 2.1015/cm3
Hydrogen content 10 – 20%
• Déposition directe sur wafer possible
• Couches fines bien connues et industrialisées (< 1μm)Nos applications: utilisation de couches plus épaisses (5μm à 30 μm)
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Le Silicium Amorphe Hydrogéné
Déposition par VHF PE-CVD
Réacteur IMT Neuchatel
Réactions CVD activées par décharge plasma
Haute vitesse de déposition: 15.6Å/s2h pour 10μm
Basse température de déposition: 180 à 220°C
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Détecteurs Pixels a-Si:H
- Technologie récente -
• Efforts R&D faits sur la déposition, caractérisation des films (collection de charge, tenue aux radiations)
→ pas de résultats de détection directe de particules, pas de mesures de vitesse(limitation des mesures par les performances de l’ électronique)
→ bons résultats sur la résistance aux radiations > 5.1014 protons/cm2
- Echantillons développés -
• AFP : tests laser + détection d’électrons de sources β
• MACROPAD : détection d’électrons de sources β
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
AFP
• Déposition de 30μm de a-Si:H sur circuit intégré AFP
Détecteur Pixels a-Si:H / AFP
• puce produite en technologie CMOS 0.25μm / durcie aux radiations• 32 canaux de pré-amplificateur bas bruit et très rapide
Pixel:60μm × 90μm
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Détecteur Pixels a-Si:H / AFP
Etude de la collection de charge
ITO 65nm
layerp
Wd
a-Si:H i-layer 13μm or 30 μm
Depleted region with fieldWd
Non depleted region, no field
ASIC
layern
Top electrodeNegative voltageVbias
660nm laser
- +
Pixel 94μm * 68 μm
AFPChannel
ITO 65nm
layerp
Wd
a-Si:H i-layer 13μm or 30 μm
Depleted region with fieldWd
Non depleted region, no field
ASIC
layern
Top electrodeNegative voltageVbias
660nm laser
- +
Pixel 94μm * 68 μm
AFPChannel
ITO 65nm
layerp
Wd
a-Si:H i-layer 13μm or 30 μm
Depleted region with fieldWd
Non depleted region, no field
ASIC
layern
Top electrodeNegative voltageVbias ITO 65nm
layerp
Wd
a-Si:H i-layer 13μm or 30 μm
Depleted region with fieldWd
Non depleted region, no field
ASIC
layern
Top electrodeNegative voltageVbias
660nm laser
- +
Pixel 94μm * 68 μm
AFPChannel
• Laser 660nm pulsé
• Mesures de temps de vol
0 50 100 150 200
0
2
4
6
8
10
12
14
16
time (ns)
Pul
se h
eig
ht
(mV
)
40V
70V
100V
130V
160V
190V
220V
250V
280V
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Détecteur Pixels a-Si:H / AFP
Résultats observés
2 composantes dans la collection de charge: 1 rapide (5ns) + 1 lente (150ns)
→ extraction du μ.Nd = 1.45×1015 cm-1.V-1.s-1
101
102
10-9
10-8
10-7
10-6
time (ns)
Cur
rent
tra
nsie
nt (
A)
70V
160V 220V
Collection des e- Collection des h+
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Détecteur Pixels a-Si:H / AFP
-200 -100 0 100 200 300 400 500
-100
0
100
200
300
400
500
600
time (ns)
Ou
tpu
t Sig
na
l (m
V)
Vbias=260 V
50 keV
8 keV
Détection d’électrons provenant d’une source β de 63Ni
Vitesse de collection de charge Possibilité de reconstruire un signal électrique de 20ns de temps de
montée avec la collections des e-
Détection β possible
→ détection directe de MIP (Minimum Ionizing Particle) nécessite une électronique de très bas bruit!!!
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Détecteur Pixels a-Si:H / MACROPAD
Photodiode n.i.p de 32μm d’épaisseur déposée sur circuit intégré MACROPAD
MACROPAD
• puce produite en technologie CMOS 0.25μm / durcie aux radiations• 48 pixels• 48 canaux de pré-amplificateur TRES BAS BRUIT
Amp. Shaper
4mm
4m
m
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Détecteur Pixels a-Si:H / MACROPAD
Charge déposée dans le a-Si:H sentie par l’amplificateur:
Gain de 0.054 mV/e- !
Bruit circuit intégré + PCB:
23 e- r.m.s TRES BAS BRUIT!
Courants de fuite de la photodiode en a-Si:H:A -70V: 4.5nA par pixel
(beaucoup plus important que lors d’une déposition sur verre) …….
Limite la tension inverse applicable!
Test avec une source β:
Emission Beta du 63Ni
Energie moyenne: 17.13keVEnergie maximum: 65.87keVPertes dans l’air
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Spectre de particules Beta Nickel (63Ni)
Pic @ 700e-
Le spectre suit une distribution landau.Les électrons ne sont pas complètement absorbés à -70V
Le spectre suit une distribution landau.Les électrons ne sont pas complètement absorbés à -70V
Zone déplétée trop fine:Besoin d’une tension d’alimentation de la diode plus importante
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Détecteur Pixels a-Si:H / MACROPAD
Résumé
Les électrons de sources Betas ont été détectés, malgré la très faible zone déplétée!
MAIS: détection MIP toujours pas prouvéeMesures limitées par les valeurs de courant de fuite….
JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003
Perspectives
Objectifs Détection de particules à minimum d’ionisation (MIP)
Conclusion• collection rapide des électrons• La détection directe de particules chargées démontrée• La détection de faible niveau de lumière est possible• Déplétion totale de films de a-Si:H de 30μm d’ épaisseur n’a pas encore été obtenue
Projets en cours Projets d’application de la technologie dans l’imagerie médicale (PET, dosimétrie pour la thérapie par rayonnements X en micro-faisceaux)
Physique des particules: développement d’un “beamscope” pour l’expérience NA60 au CERN (faisceaux protons + ions lourds)