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

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

2 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

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: 8000e- / 100 m Résolution en énergie 6 keV MeV 2 1 MeV Résolution spatiale~1.5 m (MAPS pixels 10 m) à 15 m (Hybrides pixels 125 m ) Transparence 0.1% X 0 / 100 m Tenueaux 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(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 X 0 / 100 m Alice, CMS, MUST2 Perspectives: Wafers 12, amincissement ( m) Electronique basse puissance DSM/SiGe, timing. Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

6 Electronique 0.18 m DSM CMOS ILC: SiLC Detector Ladder with FE Electronics A. Savoy-Navarro 60 cm 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 délectrodes: pixels de O(10) m 2 sur Silicium spécifique Charge déposée propagée jusquà la sortie et amplifiée pixel après pixel Process dédié, généralement amincis (QE, résolution) Excellente granularité: pixels 5 x 5 m 2 Sensibles jusqua qq 10 keV Volume sensible mince: 20 m Dynamique élevée: MHz Tenue aux radiations pour le spatial : O(100) kRad, 10 9 n eq /cm 2 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, 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 lapplication: Silicium de haute résistivité MIPS NbSiIR lointain HgCdTe, InGaAsIR proche CdTe X, Electronique: Silicium électronique Sub-micronique profond Ampli(Q), Time Over Threshold, Comptage de photons Micro-Soudure par billes dIndium ou SnPb Résolution: pixels 100 m, résolution ~15 m Très bonne tenue aux radiations: n eq /cm °C Lecture rapide:50 MHz zero suppression Transparence: % X 0 LHC, Medipix Perspectives: SLHC, JDEM, Dune, Simbol-X Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

11 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 cm 2 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 m Électronique active intégrée Très bonne résolution: pixels 10 m, m Tenue aux radiations: 1 MRad, n eq /cm 2 Lecture rapide: 50 MHz Bruit:10 e- Transparence:<0.1% X 0, 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 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 photoFET. 25 m pitch, Pas depi., 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 Absorbeur: Tungstène Lecture: pads de Silicium dun cm 2 (diodes PIN) Électronique AMS 0.35 m, R: Silicium amorphe, C: Si 3 N 4 Calorimètre à canaux Optimisé pour la séparabilité photons/traces chargées E/E = 11 à 14% / sqrt(E) 62 mm Silicon wafers with 6×6 pads (10×10 mm 2 ) 62 mm ILC Calice ACTIVE ZONE (18×18 cm 2 ) 200mm 360mm J-C Vanel LCWS 2004 Calorimétrie Electromagnétique ILC 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 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 dupgrade dAGATA 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 potentiel en géométrie planaire Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

18 CdTe Température ambiante Pixels hybrides 1 * 1 cm * 400 m 2 Résolution keV Electronique intégrée 256 pixels, bruit 2 p = 10 s Accroître lénergie, la résolution en énergie, et la résolution spatiale. CdTe, CdZnTe Perspective: XEUS, Simbol X, ÉCLAIRs, biomédical CdTe Pixels 125 * 125 m 2, énergie > MeV, résolution 1% à 511 keV CdZnTe (%Zn) Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

19 Ø 14 cm PET D é tecteur à pixels CdTe 125 *125 mm 2 sur 6,4 x 6.4cm 2 (2006) PET Lensemble TEP et CT tourne 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

20 Silicium 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 m): 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) Perspectives: AZ-4 GRAPA, FAZIA ELISA-pol CMB P-O Lagage Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04 Herschel

21 Problématiques communes Convergences Physique Nucléaire, HEP, Astro: - Segmentation / Nombre de voies - Puissance - Tenue aux radiations - Poids, encombrement, transparence - Integration delectronique 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 ExpérienceDisciplineType dexperienceDétecteurs SIMBOL-X 2010 GRAPA Concept Phys. Nucl.Télescope, ions lourds et légers, basse énergie, X et électrons Ge + Si FAZIA Concept Phys. Nucl.Télescope, collisions dions lourds Si + CsI/Si (pin diodes) Calice 2015 HEP ILCCalorimètre électromagnétique Matrices Si + W SiLC 2015 HEP ILCTrackerTout Silicium ou Si + TPC Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04 Astro. Télescope spatial, rayons X et X durs (0.1 à 70 keV) Matrice CdTe pixellisés + Anti- coincidence (BGO ou Si)

24 ExpérienceDisciplineType dexpérienceDétecteurs 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 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 Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

25 Valorisation Domaine de valorisation ProgrammedétecteursThème Imagerie médicale PIXCAM / IN2P3 /CPPM Si ou CdTe Pixel hybride, mode comptage, micro-CT+ PET, imagerie du petit animal. POCI / IN2P3 / IPNOSi résistif ou CdTe Imagerie par barycentrage pour le diagnostic du cancer du sein Fonction dentrée petits animaux / DAPNIA Si PIN Accessoire pour limagerie petit animal, comptage beta + MilitaireCdTe Surveillance de matières dangereuses, non-prolifération, contrôle non destructif Nucléaire civilCdTe Diagnostic aéroporté dincident nucléaire, dosimétrie active (imagerie de pièce contrôlée, alertes) Jean-Francois Genat Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04

26 Biomédical Instrumentation SubatechGrilles Micromegas Xe Haute pression Dosimétrie Radiothérapie conformationnelle LPC Caen 6 eme PCRDLecture CCDs CCDs amplifiés VisionGIS PhotonisEBCMOS 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 détecteurTCAD, 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 lÉlectronique 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 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 MAPS1 M 13h 9ans Germanium: 1.2 M 12h5ans Détecteur Silicium : 5 M / 100m 2

33 G. Duchêne Carte de potentiel Planaire Cristals Ge L = 90 mm = 80 mm 180hexagonal crystals3 shapes 60 triple - clustersall equal Inner radius (Ge)21 cm Amount of germanium320 (430) kg Fraction of germanium used: 74% Solid angle coverage79 % 6480 segments Efficiency:24% (M =30) Peak/Total: 38% (M =1) 53% (M =1)46% (M =30) 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 Détecteurs-Semi-conducteurs La Colle sur Loup, 14/9/04 - PMs Silicium (Dolgoshein) Voir: Photo-Detecteurs


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