sviluppi di fotorivelatori a semiconduttore g.c.barbarino nemo meeting 13-15/6/2007 overview ad oggi...
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Sviluppi di fotorivelatori a semiconduttore
G.C.Barbarino
Nemo meeting 13-15/6/2007
•overview ad oggi•prospettive per Km3•azioni possibili?
Motivazioni per sviluppo nuovi fotorivelatori: molti campi di applicazione
•Fisica Astroparticellare: Km3, Yper-K, UNO, Liquid Argon, EAS, EUSO….•Fisica alte energie•Medicina•Altro……
Elementi che caratterizzano un fotorivelatore
•Alta efficienza quantica•Alto guadagno•Alta efficienza a bassi livelli di luce•Conteggio di fotoni •Alta linearita’•Ottima risoluzione temporale•Basso consumo (senza divisore di tensione)•Robusto,stabile,compatto•Insensibile a campi magnetici•Basso costo
Elettronica
•Sruttura complessa•Alto costo•Integrale dei fotoni•TTS alto (ns)•Consumo del divisore•Fluttuazioni primo dinodo 1/•Linearita’ critica
Fotomoltiplicatore a vuoto: nasce nel 1913 ed e’ commerciale RCA nel 1936
1,00
10,00
100,00
1000,00
1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04
numero fotoelettroni
nV/snVolts/s gain 5*10exp7
nVolts/s gain 10exp7
nVolts/s gain 5*10exp6
PMT a dinodi
La ricerca di nuovi fotorivelatori porta inevitabilmente ai dispositivi al silicio
G=1APD
G=50-100
ed oggi ?
Giunzioni p-n
Camere a ionizzazione camere proporzionali tubi a streamer/RPC
= gas
1E-16
1E-15
1E-14
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1E-09
1E-08
1E-07
1E-06
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0Reverse Bias Voltage (V)
Cur
rent
(A
)
p+ n-
V
E
V < VAPD => fotodiodo coppie raccolte/coppie generate = 1VAPD < V <VBD => APD coppie raccolte/coppie generate = MV > VBD => Geiger-mode APD collected pairs/generated pair = ind.
n
IMPACT IONIZATION ONIMPACT IONIZATION OFF
VBD VAPD
diode structure
electric fieldin the reversed
bias diode
depletion width
Regime Geiger Limitato in Si
lineareproporz.
geiger
• matrici di microcelle in parallelo
• ogni microcella: GM-APD + Rquenching
V. M. Golovin and A. Sadygov
MEPHI
ITC-irst programma MEMSHamamtsu……..
storic
a
Al
ARC
-Vbias
Back contact
ppnn++
ppnn++
Rquenching
hh
p+ silicon wafer
Front contact
- Vbias
n pixels
One pixel fired
Two pixels fired
Three pixels fired
Current (a.u.)
Time (a.u.)
Out
SiPMT / G-APD / MPPC
•microcontatori indipendenti in regime geiger limitato•Geiger spento dalla caduta del campo e resistenza di quenching R.•Segnale in uscita somma segnali singoli geiger•V Geiger 10-20% sopra la tensione di brekdown 25-60 V
Rquench
Altezza impulso
•Metal-Resistor-Semiconductor•R superficiale disaccoppiamento diodi 30-80 MΩ cm.•RSi microcell quenching ~ 300KΩ•C microcell ~ 50 fC•RC ~ durata segnale ~ 15-20 ns
R
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
-5 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95Time (ns)
Vol
tage
(V
)
Vbias=34V
Vbias=35.5V
Vbias=32.5V
R- pixel
SiPM: Tecnica costruttiva
ITC-irst
E Si-PM = geom (1-R)(1-ex) GM
= QE () / dE/dx (mip)
geom: area geometrica sensibile. Aree morte necessarie per resistori
di isolamento per ridurre cross talk. Ampio sviluppo tecnologico ~0,6
QE: assorbimento nella regione di svuotamento: per =400nm (3,10 eV) =5,4x106 cm-1, 99,9% in 2m. Ottimizzazioni per e mip. spessore di svuotamento, compromesso fra assorbimento e corrente oscura (meglio per mip <1si riduce corrente oscura).
R: coefficiente di riflessione (5%) sviluppo tecnologico
GM : efficienza trigger Geiger (90-100%)
SiPM: efficienza
SiPM:guadagno
G=Q/e=(Vbias-VBD)Cmicrocell/e 5x105-2x106 per overvoltagedi 1.5-5 V
•Cross talk ottico: risolvibile, isolamento -pixel (Labs & disegno del chip)•Corrente oscura: sviluppo tecnologico, favorevole per mip. Fattore 2/8°•Afterpulse: per questi range di G <10%
C alta per un alto guadagnoma C alta = piu’ lungo tempo di recupero RquenchingCmicrocell
Limiti al guadagno
Slope: Cmicrocell ~ 50fC
ICT-irst
SiPM : linearita’
•2006: SiPM con 1024 -pixel•2007: Hamamatsu 1600 -pixel
da 25mx25m su superficie 1x1mm2
•in produzione 3x3mm2
•verso il 10x10mm2
-pixel
+linearita’-guadagno (C)-efficienza+segnali greve durata (C)+cross talk-corrente oscura+timing
Compromesso e sviluppo
Cresce con n° -pixel
Labs: Hamamatsu, ICT-irst, SensL,MPI
operare con basso overvoltage: pochi fotoni emessiisolamento ottico (riduzione fattore 20)
cell1 cell2
cell1 cell2
Si accendono celle adiacenti
SiPM : Sviluppi Tecnologici
CROSS-TALK FRA PIXELDurante la scarica Geiger vengono emessi 3x10-5 fotoni con energia
maggiore di 1.14eV ~ 10 per coppia e/h per G=106
CORRENTE OSCURAMinimizzare centri di generazione-ricombinazione, impurita’ e difetti dei cristalli
SiPM: da Hamamatsu MPPC (pochi mesi)
100 euro!!
Gain(Δchs.n°xADCconversion)/e
tempo
tempo
Risoluzione temporale < 200psRate di corrente oscuraMigliorabile con•+purezza•-difetti e centri ricombinazione
Le applicazioni devono prevedere:•Focalizzazione•Riduzioni delle superfici attive•Ottimizzare per ()(svuotamento Si) e mip
Area SiLimitata
Rivelatorie
mip
Evoluzione PMT
Ingredienti per un Hybrid-SiPMT
retrolluminato
Electrostatically focused HPD Proximity focused HPD
•Vk fino a 15kV•Vbias=100V•G=q(Vk-Vp)/3.6 eV•Con diodo PIN G=3500 a 15kV•Guadagno piu’ stabile, meno fluttuazioni
APD Segmentatopads immaginedel fotocatodo
1° applicazione di SI in Hybrid- Photomultiplier HPDdiodo p-i-n
DEP
Photon counting
1° applicazione di SI in Hybrid- Photomultiplier HPDdiodo p-i-n
APD: diodo in regimeavalanche, rispostaproporzionale G=50
Gain
HAPD-HamamatsuR7110U-07 (con APD)
Guadagno per bombardamento elettronico su targhetta APDG=q(Vk-Vp)/3.6 eV≈ 8KeV/3.6 eV ≈ 2200
Range fotoelettroni IN APD: 4KeV 0.3 m, 10KeV 1.5m
G1 G2X
Photon counting
Hamamtsu 13” HAPD
Avalanche + bombardment gain
SiPM usati come moltiplicatori di elettroni in combinazione con un fotocatododi grandi dimensioni per futuri esperimenti Km3, Yper-K, LiAr, AugerN….
•Ora che la tecnologia SiPM e’ matura•E’ in commercio da pochi mesi•E’ in forte progresso
SiPM
HSiPMT=Fotocatodo + SiPM
Possibile accordo di sviluppocon Hamamatsu…..ICT-irst?
PROPOSTA
Ottimizzazione per mip:-svuotamento=-c.oscuraEfficienza: varie soluzioni
Si
regioni geiger
out
,e
bulk esvuotamento
CONCLUSIONI
Caratteristiche principali dei SiPM (Hamamatsu, INFN-ICT..)
•Oggi 1-3 mm2 e presto 10mm2
-pixel 25mx25m•500-5000 -pixel in (1-25)mm2•Bassa tensione di funzionamento 20-60 V nessuna potenza dissipata.•Segnali veloci < 0.5 ns con durata 20 ns•Alta linearita ad oggi > 1000 phe•Guadagno > 106
•Photon counting
Sviluppi•Dimensioni e n° -pixel•Purezza e riduzione corrente oscura•Riduzione cross-talk
Ottimizzare per mip per sviluppo di un moltiplicatore di elettroni per larealizzazione di un HybridSiPMT (HPMT)
Test semplificati
VACUUM
TECHNOLOGY
SOLID-STATE
TECHNOLOGY
PMT MCP-PMT HPD PN, PIN APD GM-APD
Photon detection efficiency
Blue 20 % 20 % 20 % 60 % 50 % 30%
Green-yellow
40 % 40 % 40 % 80-90 % 60-70 % 50%
Red 6 % 6 % 6 % 90-100 %
80 % 40%
Timing / 10 ph.e 100 ps 10 ps 100 ps tens ns few ns tens of ps
Gain 106 - 107 106 - 107 3 - 8x103 1 200 105 - 106
Operation voltage 1 kV 3 kV 20 kV 10-100V 100-500V 100 V
Operation in the magnetic field
10-3 T Axial magnetic field 2 T
Axial magnetic field 4
T
No sensitivi
ty
No sensitivity
No sensitivity
Threshold sensitivity (S/N1)
1 ph.e 1 ph.e 1 ph.e 100 ph.e
10 ph.e 1 ph.e
Shape characteristics
sensible
bulky
compact sensible, bulky
robust, compact, mechanically rugged