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Guideline questions - 03/03/14 Cindy Wiese

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1 Guideline questions - 03/03/14 Cindy Wiese
Integration of amorphous silicon photodiodes to microfluidic scintillation detectors Guideline questions - 03/03/14 Cindy Wiese

2 Scintillateurs Scintillateur = matériau qui émet de la lumière sous l’influence d’une radiation. Interactions entre les particules chargées et le scintillateur: Collisions inélastiques avec les électrons  excitation ou ionisation des molécules  libération d’énergie 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 d’énergie 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 d’un état d’énergie fondamental à des états d’énergie 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 d’onde adaptée à la sensibilité des photodétecteurs Stoke’s 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 d’énergie = élévation d’un électron de la bande de valence vers la bande de conduction Besoin d’ajouter des impuretés (activateurs) dans le matériau pour permettre aux électrons de retourner dans la bande de valence et d’émettre 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 l’énergie 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: Excess noise:
- Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particle physics, K. Nakamura et al. - hamamatsu.com (Si photodiodes)

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 Tension d’alimentation
Photodétecteurs Photodétecteur Sensibilité Détectivité minimale Taille (mm2) Prix (USD) Efficience quantique Gain Tension d’alimentation Remarques Tube photomultiplicateur Très élevée Photon singulier Grande Elevé % ~ 106 > 100V Grande vulnérabilité aux champs magnétiques Micro-channel plate Photodiode (PIN) Moyenne Plusieurs 100aine de photons Petite Faible % 1 Quelques volts Compatible CMOS Photodiode Avalanche ~ 20 photons ~ 100V SiPM 20 – 70% ~ 50V CCD Elevée 50 – 90% Bruit 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 d’absorption 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
Rendement lumineux: 1 photon pour 100 eV d’énergie perdue par la particule incidente Perte d’énergie par distance traversée: dE/dx = 2 MeV/cm Fibre optique plastique (diamètre 500 µm): Nombre de photons générés: 2∙ 10 8 ∙500∙ 10 − =1000 Micro-canaux avec scintillateur liquide( profondeur 200 µm): Nombre de photons générés: 2∙ 10 8 ∙200∙ 10 − =400 Si 1% des photons peuvent atteindre l’extrémité du canal  le photodétecteur doit être capable de détecter seulement 4 photons!  PMT, MCP, SiPM Avec un important flux de particules, des photodiodes suffisent

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: ni sin(i) = nr sin(r) Réflectance et Transmittance Basic geometrical optics, Leno S. Pedrotti wikipedia.org/wiki/Fresnel_equations

19 Réflexion de la lumière
Réflexion de Fresnel (ni > nr) Angle critique: ic = sin-1 (nr/ni) Réflexion interne totale: si l’angle d’incidence > ic  Principe utilisé avec les capillaires en verre: Basic geometrical optics, Leno S. Pedrotti

20 Technologie de gravure
Gravure du silicium Technologie de gravure Avantages Inconvénients Gravure humide Anisotrope (KOH) Possibilité d’avoir 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 d’un 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 d’obtenir des profils droits Vitesse de gravure faible Une partie de la matière pulvérisée peut se redéposer Gravure chimique Forte sélectivité RIE (gravure physico-chimique) Profil de gravure adaptable (dépend de la composition du mélange gazeux) DRIE (Procédé Bosch) Gravure profonde possible, avec un bon contrôle du rapport épaisseur/profondeur Possibilité de graver n’importe quelle forme, même complexe Profil obtenu rugueux (mais « lissage » possible par la suite) Gravure simultanée de plusieurs wafers ou des 2 faces d’un 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 l’inclinaison 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 (SF6), une phase de passivation (C4F8), 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 l’oxyde (HF) rugosité obtenue: Ra = 5.93 nm Par formation d’une couche d’oxyde fortement dopée en Bore, puis retrait de l’oxyde (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 d’onde considérée Epaisseur minimum pour avoir une bonne réflectivité et une faible transmission de la lumière (dépend de la longueur d’onde) 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) L’épaisseur 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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