jjc03 matthieu despeissedecember 1 st, 2003 silicium amorphe hydrogéné sur circuit intégré:...

JJC03 Matthieu Despeisse December 1st, 2003

Silicium Amorphe Hydrogéné sur circuit intégré:

Imagerie et détection de particules

Matthieu Despeisse / CERN


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



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



Wd


ASIC

layern


- +- +

- +- +

Charged Particle


ITO 65nm

layerp

Wd



Wd


ASIC

layern


-+


-+

-+-+ -

+

450nm photons

ITO 65nm

layerp

Wd



Wd


ASIC

layern


-+


-+

-+-+ -

+

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


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



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)


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


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


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



Etude de la collection de charge

ITO 65nm

layerp

Wd


Depleted region with fieldWd


ASIC

layern


660nm laser

- +

Pixel 94μm * 68 μm

AFPChannel

ITO 65nm

layerp

Wd




ASIC

layern


660nm laser

- +


AFPChannel

ITO 65nm

layerp

Wd




ASIC

layern

Top electrodeNegative voltageVbias ITO 65nm

layerp

Wd




ASIC

layern


660nm laser

- +


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



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+



-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!!!


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



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


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



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….


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)

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