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