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JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Silicium Amorphe Hydrogéné sur circuit intégré: Imagerie et détection de particules Matthieu Despeisse / CERN.

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1 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Silicium Amorphe Hydrogéné sur circuit intégré: Imagerie et détection de particules Matthieu Despeisse / CERN

2 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Basé sur la technologie de bump bonding Détecteurs silicium à pixels utilisés en physique des particules: Développement dun nouveau détecteur à pixel monolithique Films a-Si:H pour la physique des particules et limagerie médicale Basé sur la déposition directement sur l électronique de lecture de détecteur en silicium amorphe hydrogéné

3 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Films a-Si:H pour la physique des particules et limagerie médicale Scintillateur X-rays Détection directe de particules chargées Détection indirecte de rayons X - Utilisation dun scintillateur - Utilisation possible de couches métalliques - détection directe possible

4 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Motivations Haut niveau dintégration détection / électronique de lecture Bonne tenue aux radiations ( Utilisation à température ambiante) - L.E. Antonuk et al., NIM A299 (1990) J. Kuendig et al., 16th EU PV Solar Energy Conf. (2000). Réduction des coûts de fabrication Fabrication relativement aisée de détecteurs de grandes surfaces Couverture de détection sur toute la surface du dispositif Films a-Si:H pour la physique des particules et limagerie médicale

5 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Le Silicium Amorphe Hydrogéné … quelques données… Vue artistique du a-Si:H Electron mobility1 – 20 cm 2 /Vs Hole mobility0.01 – 0.5 cm 2 /Vs Band gap1.8 eV Defect density /cm3 Hydrogen content10 – 20% Déposition directe sur wafer possible Couches fines bien connues et industrialisées (< 1μm) Nos applications: utilisation de couches plus épaisses (5μm à 30 μm)

6 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Le Silicium Amorphe Hydrogéné Déposition par VHF PE-CVD Réacteur IMT Neuchatel Réactions CVD activées par décharge plasma Haute vitesse de déposition: 15.6Å/s 2h pour 10μm Basse température de déposition: 180 à 220°C

7 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Détecteurs Pixels a-Si:H - Technologie récente - Efforts R&D faits sur la déposition, caractérisation des films (collection de charge, tenue aux radiations) pas de résultats de détection directe de particules, pas de mesures de vitesse (limitation des mesures par les performances de l électronique) bons résultats sur la résistance aux radiations > protons/cm 2 - Echantillons développés - AFP : tests laser + détection délectrons de sources β MACROPAD : détection délectrons de sources β

8 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 AFP Déposition de 30μm de a-Si:H sur circuit intégré AFP Détecteur Pixels a-Si:H / AFP puce produite en technologie CMOS 0.25μm / durcie aux radiations 32 canaux de pré-amplificateur bas bruit et très rapide Pixel: 60μm × 90μm

9 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Détecteur Pixels a-Si:H / AFP Etude de la collection de charge Laser 660nm pulsé Mesures de temps de vol

10 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Détecteur Pixels a-Si:H / AFP Résultats observés 2 composantes dans la collection de charge: 1 rapide (5ns) + 1 lente (150ns) extraction du μ.N d = 1.45×10 15 cm -1.V -1.s -1 Collection des e - Collection des h +

11 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Détecteur Pixels a-Si:H / AFP V bias =260 V 50 keV 8 keV Détection délectrons provenant dune source β de 63 Ni Vitesse de collection de charge Possibilité de reconstruire un signal électrique de 20ns de temps de montée avec la collections des e - Détection β possible détection directe de MIP (Minimum Ionizing Particle) nécessite une électronique de très bas bruit!!!

12 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Détecteur Pixels a-Si:H / MACROPAD Photodiode n.i.p de 32μm dépaisseur déposée sur circuit intégré MACROPAD MACROPAD puce produite en technologie CMOS 0.25μm / durcie aux radiations 48 pixels 48 canaux de pré-amplificateur TRES BAS BRUIT Amp. Shaper 4mm

13 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Détecteur Pixels a-Si:H / MACROPAD Charge déposée dans le a-Si:H sentie par lamplificateur: Gain de mV/e - ! Bruit circuit intégré + PCB: 23 e - r.m.s TRES BAS BRUIT! Courants de fuite de la photodiode en a-Si:H: A -70V: 4.5nA par pixel (beaucoup plus important que lors dune déposition sur verre) ……. Limite la tension inverse applicable! Test avec une source β: Emission Beta du 63 Ni Energie moyenne: 17.13keV Energie maximum: 65.87keV Pertes dans lair

14 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Spectre de particules Beta Nickel ( 63 Ni) 700e - Le spectre suit une distribution landau. Les électrons ne sont pas complètement absorbés à -70V Zone déplétée trop fine: Besoin dune tension dalimentation de la diode plus importante

15 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Détecteur Pixels a-Si:H / MACROPAD Résumé Les électrons de sources Betas ont été détectés, malgré la très faible zone déplétée! MAIS: détection MIP toujours pas prouvée Mesures limitées par les valeurs de courant de fuite….

16 JJC03 Matthieu DespeisseDecember 1 st, 2003 Perspectives Objectifs Détection de particules à minimum dionisation (MIP) Conclusion collection rapide des électrons La détection directe de particules chargées démontrée La détection de faible niveau de lumière est possible Déplétion totale de films de a-Si:H de 30μm d épaisseur na pas encore été obtenue Projets en cours Projets dapplication de la technologie dans limagerie médicale (PET, dosimétrie pour la thérapie par rayonnements X en micro-faisceaux) Physique des particules: développement dun beamscope pour lexpérience NA60 au CERN (faisceaux protons + ions lourds)


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