Medipix - Pixeldetektoren

Dominic Greiffenberg, Alex Fauler, Andreas Zwerger, Michael Fiederle

SG Materialcharakterisierung & DetektortechnologieFreiburger Materialforschungszentrum

Universität Freiburg

Medipix-Kollaboration

- U INFN Cagliari- CEA-LIST Saclay- CERN Genève- U d'Auvergne Clermont- U Erlangen - ESRF Grenoble - U Freiburg - U Glasgow - IFAE Barcelona - Mitthoegskolan - MRC-LMB Cambridge - U INFN Napoli - NIKHEF Amsterdam - U INFN Pisa - FZU CAS Prague - IEAP CTU in Prague - SSL Berkeley

http://medipix.web.cern.ch/MEDIPIX/

Hybrid-Pixeldetektor

• Ein Hybrid-Pixeldetektor:

1:1

Flip ChipSensormaterial(Si, GaAs, CdTe)

Pixellierte Auslese-elektronik (ASIC)

BumpBonding

Die Ausleseelektronik – Medipix2

• Photon counting geringes Rauschen

• 256 x 256 Pixel

• 55 x 55 µm² Pixelgröße

• Aktive Fläche 14x 14 mm²

• Chips an 3 Seiten ansteckbar Produktion von Quads mit aktiver Fläche von 28 x 28 mm²

Jedes Pixel enthält eigene Ausleseelektronik:

• 13-bit Zähler

• Zwei einstellbar Energieschwellen

• Positive oder negative Polarität Si, GaAs, CdTe, …

Funktionsweise des Medipix2-Chips (MXR-Modus)

Bilder von UTEF, CVUT Prague

Weiterentwicklung Timepix

• gleiche Abmessungen

• Drei verschiedene Messmodi:

-Medipix Modus: Signal über Schwelle erhöht Zähler um 1

- Timepix Modus: Auch Time-of-arrival Modus genannt. Zähler registriert die Ankunftszeit des Photons

- Time-over-threshold (TOT) Modus: Timepix zählt die Anzahl der Ticks, an der das Signal über der Schwelle ist.

Time-over-Threshold (ToT) - Modus

• Timepix zählt die Anzahl von Ticks, während der das Signal über der Schwelle ist Anzahl der Ticks ist proportional zur detektierten Energie

Counts in Pixel: 2

Schwelle

Counts in Pixel: 4Counts in Pixel: 7

Ausleseoptionen

USB 1.1

• Anschluss über Standard-USB Kabel an PC / Notebook

• Langsamere Auslesegeschwindigkeit als Muros, aber USB 2.0 auf dem Weg!

MUROS

• Anschluss über spezielle Auslesekarte an PC, kein Einbau in Notebook möglich

• höhere Frequenzen möglich, daher schnellere Auslesegeschwindigkeit

Sensormaterialien

• Ziel: effiziente Detektion von Strahlung hohes Absorptionsvermögen

großes Z: CdTe (48/52)

gute Transporteigenschaften gute Kristallqualität

Eigenes Wachstum von CdTe Kristallen bzw. Einkauf bei kommerziellen Anbietern

geringer Dunkelstrom hoher spezifischer Widerstand

Kompensation

großflächige Sensoren homogene Kristalle

3-Zoll Bridgman-Ofen im FMF

• Entwicklung der Sensormaterialien:– CdTe, CdZnTe

• Technologie für den Flip-Chip Prozeß:– Passivierung– Deposition der Lötkugeln

• Flip-Chip Bonding:– CdZnTe, CdTe, GaAs, Si

• Charakterisierung

Medipix Entwicklung - Freiburger Aktivitäten

Vom Kristall zum Detektor

CdTe / (Cn,Zn)Te

Wachstum (1“, 3“) Im FMF

GaAs-wafers

von FCM 300µm (LEC),

von AXT 350µm (VGF)

CdTe-wafers

3“, 1 mm dickvon Acrorad

Kristallwachstum

• CdTe von ACRORAD: gewachsen mittels THM (3 Zoll Wafer)• Dicke: 1mm• Spezifischer Widerstand & Verteilung: CoReMa mappings

Spezifischer Widerstand ~4.109 Ωcm Homogene Verteilung

Sensormaterial - CdTe

• IR Mikroskopie: Verteilung von Te-Einschlüssen

Te-Einschlüsse absorbieren Teile der Ladungswolke („werfen Schatten“) (G.S. Camarda, R.B. James)

Homogene Verteilung Größe der Te-Einschlüsse ist akzeptabel (~ 2-5 µm)

Sensormaterial - CdTe

Vom Kristall zum Detektor

Auf dem Wafer:

• Kontaktmetallisierung (Ohmsch / Schottky)

• Underbumping

• Tieftemperatur Lotdeposition auf Detektorwafer (immer unter 150 °C)

• Sägen

• Solder reflow

Flip-chip Prozess inkl. Vorbereitung

Schematics on bump deposition

Special processing feature

Abhängig von der Anwendung kann die Pixelgröße angepasst werden. (z.B. an die Detektordicke)

jeder 4te Pixel verbunden

jeder Pixel verbunden

Pixel enlargement feature:(110x110µm², 165x165µm², 220x220 µm², ...)

55x55µm² 110x110µm²

• Gemeinsames BMBF-Projekt von FMF, Freiburg und KIT, Karlsruhe

Project EDAS: Effiziente Pixelarraydetektoren für die Anwendung im Synchrotron

Synchrotronquelle ANKA des FZK (Inbetriebnahme 2005)

• 2.5 GeV Speicherring

•13 Beamlines:

- 2 x IR

- 1 x Soft X-Ray

- 10x Hard X-Ray

• Beamline FLUO:

- Spotgrößen bis zu 1 x 2 µm²

- Energie (1.5 – 33) keV ± 2 %

- Fluss: <1011 ph/s (@ 17 keV)

Bildgebung

single X-ray exposure 90kV 30µA, bias at –400V

55µm on MXR – Flooding images

permanent X-ray exposure –400V, 90kV 30µA

55µm on MXR – Flooding images

corrected with 1 image from 10 min before

Number of counts in pixel Number of counts in pixel

220 µm on MPX2.1 – Flooding images

55µm on MXR – Image of TTL

55µm on MXR – Image of TTL

3-Kanal-Bilder @ Synchrotron ANKA

CdTe, Dicke: 1mm, Pixelgröße: 55 x 55 µm²

Die Ergebnisse wurden im Rahmen einer Kollaboration mit dem KIT, Karlsruhe erarbeitet

12 keV 24 keV 35 keV

Vergleich 1mm CdTe 300 µm Si

CdTe Si• Besserer Kontrast aufgrund guter Absorption bis 100 keV

• Bessere Homogenität

3-Kanal-Bilder @ Synchrotron ANKA

Charge sharing

Timepix Messungen mit einer 241Am Quelle• Ziel: Bestimmung des Charge sharings in 1mm CdTe

• Kurze Aquisitionszeit, um einzelne Events zu sehen

55 µm on TPX – Charge sharing

•Time of arrival (TPX)-Modus:Sobald das Signal im Pixel den Schwellenwert erreicht, wird die Ankunftszeit für jedes Pixel gespeichert

Count eines Pixeles = Anzahl von Ticks nachdem der Shutter geöffnet wurde

Wenn Ladung über mehrere Pixel verteilt wurde, zeigen sie die gleiche Zeitinformation

•Pixel mit gleichem Zähler ( = time of arrival) ±1 ( = 100 ns) werden zur einem Photon zugeordnet

55 µm on TPX – Charge sharing

# Ticks

55 µm on TPX – Charge sharing241Am source on CdTe in Timepix mode

55 µm on MXR – Charge sharing

• geringeres Charge sharing mit steigenden Beschleunigungs-spannungen am Sensor aufgrund kürzerer Driftzeiten

• Ab 25 keV wird die Ladung im Mittel zwischen >1.8 Pixeln verteilt.

Energiespektren

Grundlagen - Energiespektrum

• 300 µm Si: sog. THL-Scan, d.h. Abscannen von Schwellenwert

Registrierung der Counts

Differentition des Scans

Voraussetzung: Gesamte Ladung wird in einem Pixel deponiert!

• 1mm CdTe: Charge sharing verteilt Ladung dominiert auf 2 Pixel

THL-Scans nicht sinnvoll!

Lösungsansätze: 1) Vergrößerung der Pixelfläche (110 x 110 µm²,…)

2) TPX in ToT-Modus: Addition der Counts von benachbarten Pixeln

Gesamtenergie deponierter Energie

TPX ToT-Modus - Energiespektrum

59.5 keV

Escape peaks

26 keV

Die Ergebnisse wurden im Rahmen einer Kollaboration mit der UTEF, CVUT Prag erarbeitet

TPX ToT-Modus - Energiespektrum

59.5 keV

Escape peaks26 keV

Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit !