Détecteurs Semi-Conducteurs

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

2 Sommaire Dispositifs, géométries Problématiques communes
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

3 Principe et Performances
- Ionisation du matériau: Silicium, Germanium, GaAs… - Collection par un champ électrique: Drift, électrodes (CCDs), Jonction PN polarisée en inverse. Sensibilité MIP: e- / 100 mm Résolution en énergie 6 keV 50 keV @ MeV 2 keV @ 1 MeV Résolution spatiale ~1.5 mm (MAPS pixels 10 mm) à 15 mm (Hybrides pixels 125 mm ) Transparence % X0 / 100 mm Tenue aux radiations O(100) kRad (CCD) - 50 Mrad (Hybrides) Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

4 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

5 Strips de Silicium Détecteur: Silicium de haute résistivité O(kW/cm)
Électronique: Silicium Sub-micronique profond Intégration sur détecteur Résolution: ~O(10)mm (pitch > 100 mm) Lecture: shaping long O(ms) > charge shaping court O(20 ns) -> time Transparence: 0.1 X0 / 100 mm Alice, CMS, MUST2 Perspectives: Wafers 12”, amincissement ( mm) Electronique basse puissance DSM/SiGe, timing. Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

6 ILC: SiLC Detector Ladder with FE Electronics
Electronique 0.18 mm DSM CMOS 60 cm ILC: SiLC Detector Ladder with FE Electronics A. Savoy-Navarro Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

7 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

8 CCDs Charge Coupling Devices:
Grilles d’électrodes: pixels de O(10) mm2 sur Silicium spécifique Charge déposée propagée jusqu’à la sortie et amplifiée pixel après pixel Process dédié, généralement amincis (QE, résolution) Excellente granularité: pixels 5 x 5 mm2 Sensibles jusqu’a qq 10 keV Volume sensible mince: mm Dynamique élevée: MHz Tenue aux radiations pour le spatial : O(100) kRad, 109 neq/cm2 Lecture série: MHz Options: - Amplification à chaque transfert (Dosimap) - Haute résistivité, éclairement arrière: QE > 0.8 dans tout le visible (SLD), Mégacam, Astro X, Perspectives: (ILC), Electronique de lecture pour JDEM, DUNE, … Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

9 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

10 Pixels Hybrides Hybrid 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, g Electronique: Silicium “électronique” Sub-micronique profond Ampli(Q), Time Over Threshold, Comptage de photons Micro-Soudure par billes d’Indium ou SnPb Résolution: pixels 100 mm, résolution ~15 mm Très bonne tenue aux radiations: neq/cm °C Lecture rapide: 50 MHz zero suppression Transparence: % X0 LHC, Medipix Perspectives: SLHC, JDEM, Dune, Simbol-X Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

11 1 chaîne complète par pixel
module substrat Détecteur Si ou CdTe Ep: 0,3 mm Comptage de photons 1 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

12 Pixels Monolithiques Monolithic Active Pixels Sensors:
Détecteur en silicium électronique: couche épitaxiale 10 mm Électronique active intégrée Très bonne résolution: pixels 10 mm, mm Tenue aux radiations: 1 MRad, 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 mm: électrons de faible énergie structure EBCMOS STAR Perspectives: ILC, CBM, Panda (FAIR), ADC, système. Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

13 Mimosa 7 Mimosa 8 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 CDS Discriminateur M. Winter Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

14 Calorimétrie Electromagnétique ILC
Absorbeur: Tungstène Lecture: pads de Silicium d’un cm2 (diodes PIN) Électronique AMS 0.35 mm, R: Silicium amorphe, C: Si3N4 Calorimètre à canaux Optimisé pour la séparabilité photons/traces chargées DE/E = 11 à 14% / sqrt(E) Silicon wafers with 6×6 pads (10×10 mm2) 200mm 62 mm ACTIVE ZONE (18×18 cm2) 62 mm 360mm J-C Vanel LCWS 2004 ILC Calice Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

15 Détecteurs pour la Spectroscopie
Germanium CdTe, CdZnTe Silicium Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

16 Germanium Coaxial, cristaux de haute pureté refroidis: Spectroscopie g
Échantillonnage et analyse des impulsions Tracking En ligne -> Excellente résolution spectrale: keV 2 1 MeV Pixels de 2cm * 2cm Euroball -> AGATA (démonstrateur 2008) Gain en sensibilité: 2 à 3 ordres de grandeur avec le détecteur complet G. Duchêne Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

17 Perspective d’upgrade d’AGATA
Simulation du potentiel en géométrie planaire Perspective: AGATA. g O(10) keV ->10MeV Pixels de 1mm, Réduction des zones inactives, Optimisation du champ électrique, Électronique ~100K fortement intégrée G. Duchêne Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

18 CdTe, CdZnTe Pixels hybrides 1 * 1 cm2  400 * 400 mm2
CdTe keV @ Température ambiante Pixels hybrides * 1 cm2  400 * 400 mm2 Résolution keV @ 60 keV Electronique intégrée pixels, bruit 2 tp = 10 ms Accroître l’énergie, la résolution en énergie, et la résolution spatiale. Perspective: XEUS, Simbol X, ÉCLAIRs, biomédical CdTe Pixels 125 * 125 mm2, énergie > MeV, résolution 1% à 511 keV CdZnTe (%Zn) Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

19 tourne autour de la souris
PET Source-X PET L’ensemble TEP et CT tourne autour de la souris Ø 14 cm PE Tomographie + Scanner X Détecteur à pixels CdTe 125 *125 mm2 sur 6,4 x 6.4cm2 (2006) P. Delpierre Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

20 Silicium Herschel Perspectives: AZ-4p GRAPA, FAZIA
Détection de la masse et de la charge des ions: 1 < Z < 90 et 1 < A < MeV < E < qq GeV Télescopes: Strips de Silicium (300 mm): a MeV + Silicium-Lithium (1 à 5 mm): < 100 keV Masse et charge déduites de la forme du pulse de courant Electronique dédiée: mémoires analogiques + ADC/DSP. Aux énergies plus faibles, couplage énergie-temps de vol Silicium cryogénique: Bolomètres IR à 300 mK (Groupe Cryo-détection) Herschel P-O Lagage Perspectives: AZ-4p GRAPA, FAZIA ELISA-pol CMB Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

21 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

22 - 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 solide Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

23 Quelques Expériences et Projets
Discipline Type d’experience Détecteurs SIMBOL-X 2010 Télescope spatial, rayons X et X durs (0.1 à 70 keV) Matrice CdTe pixellisés + Anti-coincidence (BGO ou Si) Astro. GRAPA Concept Phys. Nucl. Télescope, ions lourds et légers, g basse énergie, X et électrons Ge + Si FAZIA Concept Phys. Nucl. Télescope, collisions d’ions lourds Si + CsI/Si (pin diodes) Calice 2015 HEP ILC Calorimètre électromagnétique Matrices Si + W SiLC 2015 HEP ILC Tracker Tout Silicium ou Si + TPC Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

24 Télescope spatial visible X et g CdTe pixellisés
Expérience Discipline Type d’expérience Détecteurs ECLAIRs 2008 Astro. Télescope spatial visible X et g CdTe pixellisés GLAST 2006 Télescope spatial, g 20 MeV – 1 TeV Tracker Si strips + W JDEM, DUNE Télescopes spatiaux visible -Infra-Rouge proche 1.7 mm CCDs + HgCdTe AGATA Démonstrateur 2008 Phys. Nucl. Tracker g sur 4p Germanium de haute pureté segmenté 180*36 Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

25 Valorisation Domaine de valorisation Programme détecteurs Thème
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 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

26 Radiothérapie conformationnelle LPC Caen 6eme PCRD Lecture CCDs
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

27 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

28 Conclusion Grande richesse de projets:
Quelques développements (non limitatif) hors IN2P3/DAPNIA Diamant Silicium amorphe et polycristallin Silicium a basse température Nano-tubes de Carbone Complémentarité avec l’Électronique Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

29 Nano-tubes de Carbone:
LED infra-rouge (BNL-IBM 2003)

30 The End

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32 Moyens Lecture CCDs/HgCdTe 120 k€ 10h 3ans Scanner PET 500 k€ 5h 3ans
Pixels hybrides k€ 3h ans Développements CdTe k€ h ans Pixels MAPS 1 M€ 13h ans Germanium: M€ 12h 5ans Détecteur Silicium : M€ / 100m2 Jean-François Genat, La Colle sur Loup, 14/9/04

33 Carte de potentiel Planaire G. Duchêne Cristals Ge L = 90 mm F = 80 mm
Fraction of germanium used: 74% 180 hexagonal crystals 3 shapes Solid angle coverage 79 % 60 triple clusters all equal - 6480 segments Inner radius (Ge) 21 cm Efficiency: 38% (M =1) 24% (M =30) g g Amount of germanium 320 (430) kg Peak/Total: 53% (M =1) 46% (M =30) g g G. Duchêne Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

34 Divers - Magnétomètres Micro-capteurs magnétiques
Junctions Tunnel déposées sur Silicium CMOS - Structure EBCMOS Voir: Photo-Detecteurs PMs Silicium (Dolgoshein) Voir: Photo-Detecteurs Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04