Détecteurs Semi-Conducteurs Journées de Prospective DSM/DAPNIA/IN2P3 La Colle sur Loup 14 Octobre 2004 PETPET Jean-François Genat

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)


Géométries

- “Bulk” Spectroscopie nucléaire Résolution en énergie, trajectographie Identification, charge

- Planaire

- Strips Localisation, Trajectographie

- Pads Calorimétrie électromagnétique

- Pixels Vertex, Astronomie, Imagerie médicale


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.


Electronique

0.18 m DSM CMOS

ILC: SiLC Detector Ladder with FE Electronics

A. Savoy-Navarro

60 cm


Détecteurs à Pixels

• CCD Transfert de Charge• HPS Pixels “Hybrides” • MAPS Pixels “Monolithiques”

Applications: Détecteurs de Vertex Télescopes Bolomètres Imagerie médicale


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,


CCDs du SLAC Linear Collider Detector (SLD) CCDs de MEGACAM (CFHT)

(SLAC 1998) (Saclay 2001)


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


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


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.


• 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


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


Détecteurs pour la Spectroscopie

- Germanium

- CdTe, CdZnTe

- Silicium


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


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


Herschel

Problématiques communes

Convergences Physique Nucléaire, HEP, Astro:

- Segmentation / Nombre de voies- Puissance- Tenue aux radiations- Poids, encombrement, transparence- Integration d’electronique


- 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


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


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)


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


Moyens mutualisés

Moyens CAO électronique Cadence et al.

Simulations détecteur TCAD, ISE, home made…


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


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

Documents

Détecteurs Semi-Conducteurs Journées de Prospective DSM/DAPNIA/IN2P3 La Colle sur Loup 14 Octobre 2004 PETPET Jean-François Genat