Silicium Amorphe Hydrogéné sur circuit intégré: Imagerie et détection de particules Matthieu Despeisse / CERN

Films a-Si:H pour la physique des particules et l’imagerie médicale Détecteurs silicium à pixels utilisés en physique des particules: Basé sur la technologie de bump bonding Développement d’un nouveau détecteur à pixel monolithique Basé sur la déposition directement sur l’ électronique de lecture de détecteur en silicium amorphe hydrogéné

Films a-Si:H pour la physique des particules et l’imagerie médicale X-rays Scintillateur ITO 65nm layer p + Wd a - Si:H i 13 μ m or 30 m Depleted region with field Non depleted region, no field ASIC n Top electrode Negative voltage Vbias Charged Particle Radiation hard electronics Détection directe de particules chargées Détection indirecte de rayons X Utilisation d’un scintillateur Utilisation possible de couches métalliques détection directe possible

Films a-Si:H pour la physique des particules et l’imagerie médicale Motivations Haut niveau d’intégration détection / électronique de lecture Bonne tenue aux radiations (→ Utilisation à température ambiante) - L.E. Antonuk et al., NIM A299 (1990) 143. - 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

Le Silicium Amorphe Hydrogéné … quelques données… Electron mobility 1 – 20 cm2/Vs Hole mobility 0.01 – 0.5 cm2/Vs Band gap 1.8 eV Defect density 0.5 - 2.1015/cm3 Hydrogen content 10 – 20% Vue artistique du a-Si:H Déposition directe sur wafer possible Couches fines bien connues et industrialisées (< 1μm) Nos applications: utilisation de couches plus épaisses (5μm à 30 μm)

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

Détecteurs Pixels a-Si:H - Technologie récente - Efforts R&D faits sur la déposition, caractérisation des films (collection de charge, tenue aux radiations) → bons résultats sur la résistance aux radiations > 5.1014 protons/cm2 → pas de résultats de détection directe de particules, pas de mesures de vitesse (limitation des mesures par les performances de l’ électronique) - Echantillons développés - AFP : tests laser + détection d’électrons de sources β MACROPAD : détection d’électrons de sources β

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 Déposition de 30μm de a-Si:H sur circuit intégré AFP Pixel: 60μm × 90μm

Détecteur Pixels a-Si:H / AFP Etude de la collection de charge Laser 660nm pulsé Mesures de temps de vol 50 100 150 200 2 4 6 8 10 12 14 16 time (ns) Pulse height (mV) 40V 70V 100V 130V 160V 190V 220V 250V 280V

Détecteur Pixels a-Si:H / AFP Résultats observés Collection des e- Collection des h+ 2 composantes dans la collection de charge: 1 rapide (5ns) + 1 lente (150ns) → extraction du μ.Nd = 1.45×1015 cm-1.V-1.s-1

Détection d’électrons provenant d’une source β de 63Ni Détecteur Pixels a-Si:H / AFP 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 Vbias=260 V → détection directe de MIP (Minimum Ionizing Particle) nécessite une électronique de très bas bruit!!! 50 keV 8 keV Détection d’électrons provenant d’une source β de 63Ni

Détecteur Pixels a-Si:H / MACROPAD puce produite en technologie CMOS 0.25μm / durcie aux radiations 48 pixels 48 canaux de pré-amplificateur TRES BAS BRUIT 4mm Amp. Shaper Photodiode n.i.p de 32μm d’épaisseur déposée sur circuit intégré MACROPAD

 Limite la tension inverse applicable! Détecteur Pixels a-Si:H / MACROPAD  Charge déposée dans le a-Si:H sentie par l’amplificateur: Gain de 0.054 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 d’une déposition sur verre) …….  Limite la tension inverse applicable! Test avec une source β: Emission Beta du 63Ni Energie moyenne: 17.13keV Energie maximum: 65.87keV Pertes dans l’air

Spectre de particules Beta Nickel (63Ni) Pic @ 700e- Le spectre suit une distribution landau. Les électrons ne sont pas complètement absorbés à -70V Zone déplétée trop fine: Besoin d’une tension d’alimentation de la diode plus importante

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….

Perspectives Conclusion Objectifs Projets en cours 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 n’a pas encore été obtenue Objectifs Détection de particules à minimum d’ionisation (MIP) Projets en cours  Projets d’application de la technologie dans l’imagerie médicale (PET, dosimétrie pour la thérapie par rayonnements X en micro-faisceaux)  Physique des particules: développement d’un “beamscope” pour l’expérience NA60 au CERN (faisceaux protons + ions lourds)