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Détecteurs Semi-Conducteurs
Journées de Prospective DSM/DAPNIA/IN2P3 La Colle sur Loup 14 Octobre 2004
PET
Jean-François Genat
Sommaire
Dispositifs, géométries
Matériaux: Si, Ge, CdTe, CdZnTe, Si Géométries: CCDs, Pixels, Pads,
Strips,
Problématiques communes
Nucléaire-HEP-Astro-Spatial
Expériences et Projets
Valorisation
Moyens
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Principe et Performances
- Ionisation du matériau: Silicium, Germanium, GaAs…
- Collection par un champ électrique:Drift, électrodes (CCDs),Jonction PN polarisée en inverse.
Sensibilité MIP: 8000e- / 100 m
Résolution en énergie 5-100eV @ 6 keV50 keV @ 5.5 MeV 2 keV @ 1 MeV
Résolution spatiale ~1.5 m (MAPS pixels 10 m)
à 15 m (Hybrides pixels 125 m )
Transparence 0.1% X0 / 100 m
Tenue aux radiations O(100) kRad (CCD) - 50 Mrad (Hybrides)
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Géométries
- “Bulk” Spectroscopie nucléaire Résolution en énergie, trajectographie Identification, charge
- Planaire
- Strips Localisation, Trajectographie
- Pads Calorimétrie électromagnétique
- Pixels Vertex, Astronomie, Imagerie médicale
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Strips de Silicium
Détecteur: Silicium de haute résistivité O(k/cm)
Électronique: Silicium Sub-micronique profond
Intégration sur détecteur
Résolution: ~O(10)m (pitch > 100 m)
Lecture: shaping long O(s) -> charge
shaping court O(20 ns) -> time
Transparence: 0.1 X0 / 100 m
Alice, CMS, MUST2
Perspectives: Wafers 12”, amincissement (100-200 m) Electronique basse puissance DSM/SiGe, timing.
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Electronique
0.18 m DSM CMOS
ILC: SiLC Detector Ladder with FE Electronics
A. Savoy-Navarro
60 cm
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Détecteurs à Pixels
• CCD Transfert de Charge• HPS Pixels “Hybrides” • MAPS Pixels “Monolithiques”
Applications: Détecteurs de Vertex Télescopes Bolomètres Imagerie médicale
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
CCDsCharge Coupling Devices:
Grilles d’électrodes: pixels de O(10) m2 sur Silicium spécifiqueCharge déposée propagée jusqu’à la sortie et amplifiée pixel après pixelProcess dédié, généralement amincis (QE, résolution)
Excellente granularité: pixels 5 x5 m2
Sensibles jusqu’a qq 10 keVVolume sensible mince: 20 mDynamique élevée: 18 bits @ 0.1 MHzTenue aux radiations pour le spatial : O(100) kRad, 109
neq/cm2
Lecture série: 1-50 MHz
Options: - Amplification à chaque transfert (Dosimap)- Haute résistivité, éclairement arrière: QE > 0.8 dans tout le visible
Perspectives: (ILC), Electronique de lecture pour JDEM, DUNE, …
(SLD), Mégacam, Astro X,
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
CCDs du SLAC Linear Collider Detector (SLD) CCDs de MEGACAM (CFHT)
(SLAC 1998) (Saclay 2001)
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Pixels HybridesHybrid Pixels Sensors: Détecteur soudé sur son électronique
Détecteur: Optimisé pour l’application: Silicium de haute résistivité MIPS
NbSi IR lointain HgCdTe, InGaAs IR proche CdTe X,
Electronique: Silicium “électronique” Sub-micronique profondAmpli(Q), Time Over Threshold, Comptage de
photons
Micro-Soudure par billes d’Indium ou SnPb
Résolution: pixels 100 m, résolution ~15 mTrès bonne tenue aux radiations: 1015 neq/cm2 60 Mrad @ -6°C Lecture rapide: 50 MHz zero suppressionTransparence: 0.2-0.4% X0
LHC, Medipix
Perspectives: SLHC, JDEM, Dune, Simbol-X
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
module
substrat Détecteur
Si ou CdTeEp: 0,3 mm
Comptage de photons1 chaîne complète par pixel
Pixels: 50 à 300 μm
Bump-bonding
2 x 6 cm2
Pixels hybrides
P. Delpierre, Mai 2004
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Pixels MonolithiquesMonolithic Active Pixels Sensors:
Détecteur en silicium électronique: couche épitaxiale 10 mÉlectronique active intégrée
Très bonne résolution: pixels 10 m, 1.5-2.5 m Tenue aux radiations: 1 MRad, 1012 neq/cm2
Lecture rapide: 50 MHz Bruit: 10 e- Transparence: <0.1% X0, 1.5*10-4 sans substrat
Charge amplifiée et traitée par chaque pixel. Système sur puce (SoC) Options: Double corrélation : bruit ~ 10 e-
Amincissement: 15 m: électrons de faible énergiestructure EBCMOS
STAR Perspectives: ILC, CBM, Panda (FAIR), ADC, système.
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• Mimosa 7
photoFET.25 m pitch, Pas d’epi., 0.35 m, 64x16 readout // avec CDS.
• Mimosa 8
25 m pitch, 8 m epi., 0.25 m, 128x32 readout // avec CDSDiscriminateur
M. Winter
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Absorbeur: TungstèneLecture: pads de Silicium d’un cm2 (diodes PIN)Électronique AMS 0.35 m, R: Silicium amorphe, C: Si3N4
Calorimètre à 32 106 canaux Optimisé pour la séparabilité photons/traces chargéesE/E = 11 à 14% / sqrt(E)
62 mm
Silicon wafers with 6×6 pads (10×10 mm2)
62 m
m
ILC Calice
ACTIVE ZONE(18×18 cm2)
200mm
360mm
J-C Vanel LCWS 2004
Calorimétrie Electromagnétique ILC
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Détecteurs pour la Spectroscopie
- Germanium
- CdTe, CdZnTe
- Silicium
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Germanium
Coaxial, cristaux de haute pureté refroidis: Spectroscopie
Échantillonnage et analyse des impulsionsTracking
En ligne ->
Excellente résolution spectrale: 1.2 keV @ 100 keV 2 keV @ 1 MeV
Pixels de 2cm * 2cm
Euroball -> AGATA (démonstrateur 2008)Gain en sensibilité: 2 à 3 ordres de grandeur avec le détecteur complet
G. DuchêneJean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Perspective d’upgrade d’AGATA
Perspective: AGATA. O(10) keV ->10MeV
Pixels de 1mm, Réduction des zones inactives,
Optimisation du champ électrique,
Électronique ~100K fortement intégrée
G. Duchêne
Simulation du potentielen géométrie planaire
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
CdTe 4-800 keV @ Température ambiante
Pixels hybrides 1 * 1 cm2 400 * 400 m2
Résolution 1.5 keV @ 60 keV
Electronique intégrée 256 pixels, bruit 2 eV @ p = 10 s
Accroître l’énergie, la résolution en énergie, et la résolution spatiale.
CdTe, CdZnTe
Perspective: XEUS, Simbol X, ÉCLAIRs, biomédical
CdTe Pixels 125 * 125 m2, énergie > MeV, résolution 1% à 511 keV
CdZnTe (%Zn) Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Ø 14 cm
PET
Détecteur à pixels CdTe125 *125 mm2 sur 6,4 x
6.4cm2
(2006)
PET
PET
L’ensemble TEP et CTtourne autour de la souris
Source-X
PE Tomographie + Scanner X
P. Delpierre Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
SiliciumDétection de la masse et de la charge des ions: 1 < Z < 90 et 1 < A < 130 0.2 MeV < E < qq GeV
Télescopes:Strips de Silicium (300 m): 50 keV @ 5.5 MeV
+Silicium-Lithium (1 à 5 mm): < 100 keV
Masse et charge déduites de la forme du pulse de courantElectronique dédiée: mémoires analogiques + ADC/DSP.
Aux énergies plus faibles, couplage énergie-temps de vol
Silicium cryogénique: Bolomètres IR à 300 mK (Groupe Cryo-détection)
Perspectives: AZ-4GRAPA, FAZIA
ELISA-pol CMB
P-O Lagage
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Herschel
Problématiques communes
Convergences Physique Nucléaire, HEP, Astro:
- Segmentation / Nombre de voies- Puissance- Tenue aux radiations- Poids, encombrement, transparence- Integration d’electronique
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
- Modélisation et simulation
Calculs de champ électrique 3D, évaluation des impulsions
(TCAD, ISE), photo-détection.
- Caractérisation des matériaux
Courants de fuite, optimisation des dopages
- Traitement des surfaces
Passivation, isolants pour couplage AC
Réduction des courants de surface et des zones mortes
- Tenue aux radiations
Synergie avec les physiciens du solideJean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Quelques Expériences et Projets
Expérience Discipline Type d’experience Détecteurs
SIMBOL-X2010
GRAPAConcept
Phys. Nucl. Télescope, ions lourds et légers, basse énergie, X et électrons
Ge + Si
FAZIAConcept
Phys. Nucl. Télescope, collisions d’ions lourds
Si + CsI/Si (pin diodes)
Calice2015
HEP ILC Calorimètre électromagnétique
Matrices Si + W
SiLC2015
HEP ILC Tracker Tout Silicium ou Si + TPC
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Astro.Télescope spatial, rayons X et X durs (0.1 à 70 keV)
Matrice CdTe pixellisés + Anti-coincidence (BGO ou Si)
Expérience Discipline Type d’expérience Détecteurs
ECLAIRs
2008
Astro. Télescope spatial visible X et
CdTe pixellisés
GLAST
2006
Astro. Télescope spatial, 20 MeV – 1 TeV
Tracker Si strips + W
JDEM, DUNE
2010 2008
Astro. Télescopes spatiaux visible -Infra-Rouge proche 1.7 m
CCDs + HgCdTe
AGATA
Démonstrateur 2008
Phys. Nucl. Tracker sur 4 Germanium de haute pureté segmenté 180*36
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Valorisation
Domaine de valorisation
Programme détecteurs Thème
Imagerie médicale
PIXCAM / IN2P3 /CPPM
Si ou CdTe
Pixel hybride, mode comptage, micro-CT+ PET, imagerie du petit animal.
POCI / IN2P3 / IPNO Si résistif ou CdTe
Imagerie par barycentrage pour le diagnostic du cancer du sein
Fonction d’entrée petits animaux / DAPNIA
Si PIN Accessoire pour l’imagerie petit animal, comptage beta +
Militaire CdTe Surveillance de matières dangereuses, non-prolifération, contrôle non destructif
Nucléaire civil CdTe Diagnostic aéroporté d’incident nucléaire, dosimétrie active (imagerie de pièce contrôlée, alertes)
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Biomédical
Instrumentation
Subatech Grilles Micromegas Xe Haute pression
Dosimétrie
Radiothérapie conformationnelle
LPC Caen 6eme PCRD Lecture CCDs CCDs amplifiés
Vision GIS Photonis EBCMOS HPD + Pixels MAPS
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Moyens mutualisés
Moyens CAO électronique Cadence et al.
Simulations détecteur TCAD, ISE, home made…
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Conclusion
Grande richesse de projets:
Quelques développements (non limitatif) hors IN2P3/DAPNIA
DiamantSilicium amorphe et polycristallinSilicium a basse températureNano-tubes de Carbone
Complémentarité avec l’Électronique
Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Nano-tubes de Carbone:LED infra-rouge (BNL-IBM 2003)
The End
Moyens
Jean-François Genat, La Colle sur Loup, 14/9/04
Lecture CCDs/HgCdTe 120 k€ 10h 3ans
Scanner PET 500 k€ 5h 3ans
Pixels hybrides 600 k€ 3h 3ans
Développements CdTe 600 k€ 6h 4ans
Pixels MAPS 1 M€ 13h 9ans
Germanium: 1.2 M€ 12h 5ans
Détecteur Silicium : 5 M€ / 100m2
G. Duchêne
Carte de potentielPlanaire
Cristals Ge L = 90 mm=80 mm
180 hexagonal crystals 3 shapes60 triple- clusters all equalInner radius (Ge) 21 cm
Amount of germanium 320 (430) kg
Fraction of germanium used: 74%Solid angle coverage 79 %6480 segmentsEfficiency: 24% (M =30)
Peak/Total:
38% (M =1)
53% (M =1) 46% (M =30)
Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
Divers- Magnétomètres
- Micro-capteurs magnétiques - Junctions Tunnel déposées sur Silicium CMOS
- Structure EBCMOS Voir: Photo-Detecteurs
Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04
- PMs Silicium (Dolgoshein) Voir: Photo-Detecteurs
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