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Guideline questions - 03/03/14 Cindy Wiese. Scintillateurs Scintillateur = matériau qui émet de la lumière sous linfluence dune radiation. Interactions.

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1 Guideline questions - 03/03/14 Cindy Wiese

2 Scintillateurs Scintillateur = matériau qui émet de la lumière sous linfluence dune radiation. Interactions entre les particules chargées et le scintillateur: Collisions inélastiques avec les électrons excitation ou ionisation des molécules libération dénergie sous forme de photons dans le domaine du visible Collisions élastiques avec le noyau atomique changement de trajectoire de la particule Equation de Bethe-Bloch = expression de la perte dénergie en fonction de la distance traversée: - Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli - Review of particle physics, K. Nakamura et al.

3 Scintillateurs organiques Excitation des électrons dun état dénergie fondamental à des états dénergie supérieurs Emission de lumière par fluorescence Pas de perte des propriétés de scintillation Faible lumière en sortie, mais réponse rapide En font partie les scintillateurs liquides et plastiques - Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli - Review of particle physics, K. Nakamura et al.

4 Fluors Pour éviter que le photon primaire émis ne soit réabsorber Déplace la lumière de scintillation à une longueur donde adaptée à la sensibilité des photodétecteurs Stokes shift doit être important pour éviter une auto- absorption - Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli - Review of particle physics, K. Nakamura et al.

5 Scintillateurs inorganiques Le réseau cristallin détermine la structure de bandes électroniques Absorption dénergie = élévation dun électron de la bande de valence vers la bande de conduction Besoin dajouter des impuretés (activateurs) dans le matériau pour permettre aux électrons de retourner dans la bande de valence et démettre des photons dans le domaine du visible - Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli - Review of particle physics, K. Nakamura et al.

6 Détection de particule par scintillation 1) Absorption dans le scintillateur de lénergie libérée par les particules chargées 2) Emission de photons dans le domaine du visible 3) Photodétecteur: conversion du signal lumineux en signal électrique - Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli - Review of particle physics, K. Nakamura et al.

7 Photodétecteurs Tube photomultiplicateur (PMT): - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particle physics, K. Nakamura et al. - Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli - hamamatsu.com (PMT and assemblies)

8 Photodétecteurs Micro-Channel Plate (MCP): - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particle physics, K. Nakamura et al. - hamamatsu.com (MCP and MCP assembly)

9 Photodétecteurs Photodiode (jonction pn en polarisation inverse): - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particle physics, K. Nakamura et al. - hamamatsu.com (Si photodiodes)

10 Phodétecteurs Photodiode: - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particle physics, K. Nakamura et al. - hamamatsu.com (Si photodiodes)

11 Photodétecteurs Photodiode avalanche: - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particle physics, K. Nakamura et al. - hamamatsu.com (Si photodiodes) Excess noise:

12 Phodétecteurs Silicon Photomuliplier (SiPM): Photodiodes avalanches en mode Geiger Comptage direct des photons - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particle physics, K. Nakamura et al. - Silicon photomultiplier – new era of photodetection, V. Saveliev - Overview of development of silicon photmultiplier detectors, D. Renker - hamamatsu.com (Si photodiodes)

13 Photodétecteurs CCD (capacité MOS en déplétion profonde): - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particle physics, K. Nakamura et al. - hamamatsu.com (CCD area image sensor)

14 Photodétecteurs PhotodétecteurSensibilitéDétectivité minimale Taille (mm 2 ) Prix (USD) Efficience quantique GainTension dalimentation Remarques Tube photomultiplicateur Très élevéePhoton singulier GrandeElevé %~ 10 6 > 100VGrande vulnérabilité aux champs magnétiques Micro-channel plate Très élevéePhoton singulier GrandeElevé % > 100V Photodiode (PIN)MoyennePlusieurs 100 aine de photons PetiteFaible %1Quelques voltsCompatible CMOS Photodiode Avalanche Très élevée~ 20 photonsPetiteFaible % ~ 100VCompatible CMOS SiPMTrès élevéePhoton singulier PetiteFaible20 – 70% ~ 50VCompatible CMOS CCDElevéePlusieurs 100 aine de photons PetiteFaible50 – 90%1Quelques voltsBruit très faible Image haute qualité - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - - Review of particle physics, K. Nakamura et al. - Silicon photomultiplier, C. Joram, ppt CERN

15 Avantages des photodiodes en silicium amorphe hydrogéné a-Si:H sur les photodiodes en c-Si Coefficient dabsorption plus élevé (~ bandgap direct) Grande résistance aux radiations Faible courant noir Propriétés mécaniques proches de celles du silicium cristallin c-Si Utilisation des mêmes techniques de microfabrication - Methods of deposition of hydrogenated amorphous silicon for device applications, W. G.J.H.M. van Sark - A highly sensitive a-Si photodetector array with integrated filter for optical detection in MEMS, M. Moridi et al. - Amorphous silicon-based microchannel plates, A. Franco et al. - An amorphous silicon photodiode array for glass-based optical MEMS application, M. Moridi et al. - Méthodes de détection optique, P.A. Besse

16 Choix du photodétecteur

17 Réflexion de la lumière Réflexion spéculaire (interface diélectrique / métal): Loi de la réflexion: A = B Basic geometrical optics, Leno S. Pedrotti

18 Réflexion de la lumière Réflexion de Fresnel (interface diélectrique / diélectrique): Loi de Snell: n i sin(i) = n r sin(r) Réflectance et Transmittance -Basic geometrical optics, Leno S. Pedrotti -wikipedia.org/wiki/Fresnel_equations

19 Réflexion de la lumière Réflexion de Fresnel (n i > n r ) Angle critique: i c = sin -1 (n r /n i ) Réflexion interne totale: si langle dincidence > i c Basic geometrical optics, Leno S. Pedrotti Principe utilisé avec les capillaires en verre:

20 Gravure du silicium Technologie de gravureAvantagesInconvénients Gravure humide Anisotrope (KOH) -Possibilité davoir des profils droits ou inclinés en jouant sur les plans cristallins -Possibilité de graver plusieurs wafers à la fois (bain) -Possibilité de graver les 2 faces du wafer en même temps -Surfaces lisses -Gravures obligatoirement de forme rectangulaire -Nécessité dun alignement très précis du masque -Profils droits: vitesses de gravure latérale et verticale identiques pas de contrôle du rapport épaisseur/profondeur Isotrope (HF, EDP) -Elimine les rugosités/défauts-Pas de gravure profonde -Vitesse de gravure dépend du dopage Gravure sèche (plasma) Gravure physique -Possibilité dobtenir des profils droits-Vitesse de gravure faible -Une partie de la matière pulvérisée peut se redéposer -Pas de gravure profonde Gravure chimique -Forte sélectivité-Pas de gravure profonde RIE (gravure physico- chimique) -Profil de gravure adaptable (dépend de la composition du mélange gazeux) -Pas de gravure profonde DRIE (Procédé Bosch) -Gravure profonde possible, avec un bon contrôle du rapport épaisseur/profondeur -Possibilité de graver nimporte quelle forme, même complexe -Profil obtenu rugueux (mais « lissage » possible par la suite) -Gravure simultanée de plusieurs wafers ou des 2 faces dun même wafer impossible - Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs - Anisotropic etching of crystalline silicon in alkaline solution, H. Seidel et al - Bosch deep silicon etching: improving uniformity and etch rate for advanced MEMS applications, F. Laerma et al. - Sidewall roughness control in advanced silicon etch process, H.C. Liu et al. - Controlling sidewall smothness for micromachined Si mirrors, W.H. Juan et al.

21 Gravure humide avec KOH Différence de vitesse de gravure et rugosité dépendent des différents plans cristallins - Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs - Anisotropic etching of crystalline silicon in alkaline solution, H. Seidel et al. - Roughening of single-crystal silicon surface etched by KOH water solution, K. Sato et al. - Effects of mechanical agitation and surfactant additive on silicon anisotropic etching in alkaline KOH solution, C.R. Yang et al.

22 Gravure humide avec KOH La rugosité dépend des conditions de gravure: Plan (100), 30 wt% KOH: - Roughening of single-crystal silicon surface etched by KOH water solution, K. Sato et al. - Effects of mechanical agitation and surfactant additive on silicon anisotropic etching in alkaline KOH solution, C.R. Yang et al.

23 Gravure humide avec KOH Plusieurs profils de gravure possibles en jouant sur linclinaison du masque - Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs - Introduction to microfabrication, S. Franssila - Surface tension and its role for vertical wet etching of silicon, A. Brockmeier et al.

24 Deep Reactive Ion Etching (DRIE) Alternance entre: une phase de gravure isotropique (SF 6 ), une phase de passivation (C 4 F 8 ), qui protège les parois latérales lors de la prochaine étape de gravure. Problèmes de rugosité des parois latérales - Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs - Sidewall roughness control in advanced silicon etch process, H.C. Liu et al..

25 Deep Reactive Ion Etching (DRIE) Possibilité de lisser les parois latérales: Par contrôle précis des temps de gravure/passivation Rugosité obtenue: Ra = 9.11 nm Par oxydation thermique des parois, puis retrait de loxyde (HF) rugosité obtenue: Ra = 5.93 nm Par formation dune couche doxyde fortement dopée en Bore, puis retrait de loxyde (EDP) Rugosité obtenue: Ra = 5.01 nm - Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs - Sidewall roughness control in advanced silicon etch process, H.C. Liu et al.. - Controlling sidewall smothness for micromachined Si mirrors, W.H. Juan et al.

26 Revêtement des micro-canaux en silicium Le choix du matériau dépend de la longueur donde considérée Epaisseur minimum pour avoir une bonne réflectivité et une faible transmission de la lumière (dépend de la longueur donde) Al: - Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs - Optical properties of ultrathin aluminium film deposited by magnetron sputtering in visible band, H. Du et al. - Vertical mirrors fabricated by deep reactive ion etching for fiber-optic switching applications, C. Marxer et al.

27 Revêtement des micro-canaux en silicium Technologies possibles: Evaporation sous vide Pulvérisation Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) Lépaisseur du métal déposé dépendra aussi de la microstructure obtenue Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs

28 Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) Structure obtenue rugueuse Metal-organique chemical vapor deposition of aluminium from dimethyletylamine alane, J.H. Yung et al.


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