Silicium%20Amorphe%20Hydrog

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Silicium Amorphe Hydrogéné sur circuit
intégré Imagerie et détection de particules
Matthieu Despeisse / CERN
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Films a-SiH pour la physique des particules et
limagerie médicale
Détecteurs silicium à pixels utilisés en physique
des particules
Basé sur la technologie de bump bonding
Développement dun nouveau détecteur à pixel
monolithique
Basé sur la déposition directement sur l
électronique de lecture de détecteur en silicium
amorphe hydrogéné
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Films a-SiH pour la physique des particules et
limagerie médicale
X-rays
Scintillateur

• Détection indirecte de rayons X
• Utilisation dun scintillateur
• Utilisation possible de couches métalliques
• détection directe possible

Détection directe de particules chargées
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Films a-SiH pour la physique des particules et
limagerie médicale
Motivations

• Haut niveau dintégration 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

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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-SiH

• Déposition directe sur wafer possible

• Couches fines bien connues et industrialisées
  (lt 1µm)
• Nos applications utilisation de couches plus
  épaisses (5µm à 30 µm)

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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 220C

Réacteur IMT Neuchatel
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Détecteurs Pixels a-SiH
- Technologie récente -

• Efforts RD faits sur la déposition,
  caractérisation des films (collection de
  charge, tenue aux radiations)

? bons résultats sur la résistance aux radiations
gt 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 délectrons de
  sources ß

• MACROPAD détection délectrons de sources ß

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Détecteur Pixels a-SiH / AFP
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-SiH sur circuit
  intégré AFP

Pixel 60µm 90µm
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Détecteur Pixels a-SiH / AFP
Etude de la collection de charge
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Détecteur Pixels a-SiH / AFP
Résultats observés
2 composantes dans la collection de charge 1
rapide (5ns) 1 lente (150ns)
? extraction du µ.Nd 1.451015 cm-1.V-1.s-1
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Détecteur Pixels a-SiH / AFP
Vitesse de collection de charge
Possibilité de reconstruire un signal électrique
de 20ns de temps de montée avec la collections
des e-
Détection ß possible
Vbias260 V
50 keV
? détection directe de MIP (Minimum Ionizing
Particle) nécessite une électronique de très bas
bruit!!!
8 keV
Détection délectrons provenant dune source ß de
63Ni
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Détecteur Pixels a-SiH / MACROPAD
MACROPAD

• puce produite en technologie CMOS 0.25µm /
  durcie aux radiations
• 48 pixels
• 48 canaux de pré-amplificateur
• TRES BAS BRUIT

Photodiode n.i.p de 32µm dépaisseur déposée sur
circuit intégré MACROPAD
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Détecteur Pixels a-SiH / MACROPAD
? Charge déposée dans le a-SiH sentie par
lamplificateur
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-SiH
A -70V 4.5nA par pixel (beaucoup plus important
que lors dune déposition sur verre) .
? Limite la tension inverse applicable!
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Spectre de particules Beta Nickel (63Ni)
Pic _at_ 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
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Détecteur Pixels a-SiH / 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.
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Perspectives
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-SiH de 30µm d
  épaisseur na pas
  encore été obtenue

Objectifs
Détection de particules à minimum dionisation
(MIP)
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)