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Détecteurs Semi-Conducteurs
Jean-François Genat
Journées de Prospective
DSM/DAPNIA/IN2P3 La Colle sur Loup 14
Octobre 2004
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Sommaire
Dispositifs, géométries Matériaux Si, Ge, CdTe,
CdZnTe, Si Géométries CCDs, Pixels, Pads,
Strips, Problématiques communes
Nucléaire-HEP-Astro-Spatial Expériences et
Projets Valorisation Moyens
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Principe et Performances
- Ionisation du matériau Silicium, Germanium,
GaAs - Collection par un champ
électrique Drift, électrodes
(CCDs), Jonction PN polarisée en inverse.
Sensibilité MIP 8000e- / 100 mm
Résolution en énergie 5-100eV _at_ 6
keV 50 keV _at_ 5.5 MeV 2 keV _at_
1 MeV
Résolution spatiale 1.5 mm (MAPS pixels 10
mm) à 15 mm (Hybrides pixels 125 mm )
Transparence 0.1 X0 / 100 mm
Tenue aux radiations O(100) kRad (CCD) - 50
Mrad (Hybrides)
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Géométries

• - Bulk Spectroscopie nucléaire
• Résolution en énergie, trajectographie
• Identification, charge
• - Planaire
• - Strips Localisation, Trajectographie
• - Pads Calorimétrie électromagnétique
• - Pixels Vertex, Astronomie, Imagerie
  médicale

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Strips de Silicium
Détecteur Silicium de haute résistivité
O(kW/cm) Électronique Silicium
Sub-micronique profond Intégration sur
détecteur Résolution O(10)mm (pitch gt
100 mm) Lecture shaping long O(ms) -gt
charge shaping court O(20 ns) -gt
time Transparence 0.1 X0 / 100 mm Alice, CMS,
MUST2
Perspectives Wafers 12, amincissement (100-200
mm) Electronique basse
puissance DSM/SiGe, timing.
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Electronique
0.18 mm DSM CMOS
60 cm
ILC SiLC Detector Ladder with FE Electronics
A. Savoy-Navarro
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Détecteurs à Pixels

• CCD Transfert de Charge
• HPS Pixels Hybrides
• MAPS Pixels Monolithiques
• Applications Détecteurs de Vertex
• Télescopes
• Bolomètres
• Imagerie médicale

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CCDs
Charge Coupling Devices Grilles délectrodes
pixels de O(10) mm2 sur Silicium
spécifique Charge déposée propagée jusquà la
sortie et amplifiée pixel après pixel Process
dédié, généralement amincis (QE, résolution)
Excellente granularité pixels 5 x 5
mm2 Sensibles jusqua qq 10 keV Volume sensible
mince 20 mm Dynamique élevée
18 bits _at_ 0.1 MHz Tenue aux radiations pour
le spatial O(100) kRad, 109
neq/cm2 Lecture série 1-50 MHz Options
- Amplification à chaque transfert (Dosimap) -
Haute résistivité, éclairement arrière QE gt
0.8 dans tout le visible
(SLD), Mégacam, Astro X,
Perspectives (ILC), Electronique de lecture pour
JDEM, DUNE,
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CCDs du SLAC Linear Collider Detector (SLD)
CCDs de MEGACAM (CFHT) (SLAC 1998)
(Saclay 2001)
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Pixels Hybrides
Hybrid Pixels Sensors Détecteur soudé sur son
électronique Détecteur Optimisé pour
lapplication Silicium
de haute résistivité MIPS
NbSi IR lointain HgCdTe,
InGaAs IR proche CdTe
X, g Electronique
Silicium électronique Sub-micronique
profond Ampli(Q), Time Over Threshold, Comptage
de photons Micro-Soudure par billes dIndium ou
SnPb Résolution pixels 100 mm,
résolution 15 mm Très bonne tenue aux
radiations 1015 neq/cm2 60 Mrad _at_ -6C
Lecture rapide 50 MHz zero suppression Transpar
ence 0.2-0.4 X0 LHC, Medipix
Perspectives SLHC, JDEM, Dune, Simbol-X
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Pixels hybrides P. Delpierre, Mai 2004
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Pixels Monolithiques
Monolithic Active Pixels Sensors Détecteur en
silicium électronique couche épitaxiale 10
mm Électronique active intégrée Très bonne
résolution pixels 10 mm, 1.5-2.5 mm
Tenue aux radiations 1 MRad, 1012 neq/cm2
Lecture rapide 50 MHz Bruit 10
e- Transparence lt0.1 X0, 1.510-4 sans
substrat Charge amplifiée et traitée par chaque
pixel. Système sur puce (SoC) Options
Double corrélation bruit 10 e-
Amincissement 15 mm électrons de faible
énergie structure EBCMOS STAR
Perspectives ILC, CBM, Panda (FAIR), ADC,
système.
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• Mimosa 7
• photoFET.
• 25 ?m pitch, Pas depi., 0.35 ?m,
• 64x16 readout // avec CDS.
• Mimosa 8
• 25 ?m pitch, 8 ?m epi., 0.25 ?m,
• 128x32 readout // avec CDS
• Discriminateur

M. Winter
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Calorimétrie Electromagnétique ILC
Absorbeur Tungstène Lecture pads de
Silicium dun cm2 (diodes PIN) Électronique
AMS 0.35 mm, R Silicium amorphe, C
Si3N4 Calorimètre à 32 106 canaux Optimisé pour
la séparabilité photons/traces chargées DE/E
11 à 14 / sqrt(E)
Silicon wafers with 66 pads (1010 mm2)
200mm
62 mm
360mm
J-C Vanel LCWS 2004
ILC Calice
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Détecteurs pour la Spectroscopie

• - Germanium
• CdTe, CdZnTe
• Silicium

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Germanium
Coaxial, cristaux de haute pureté
refroidis Spectroscopie g Échantillonnage
et analyse des impulsions Tracking En
ligne -gt Excellente résolution
spectrale 1.2 keV _at_ 100 keV
2 keV _at_ 1 MeV Pixels de 2cm 2cm Euroball
-gt AGATA (démonstrateur 2008) Gain en
sensibilité 2 à 3 ordres de grandeur avec le
détecteur complet
G. Duchêne
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Perspective dupgrade dAGATA
Simulation du potentiel en géométrie planaire
Perspective AGATA. g O(10) keV -gt10MeV
Pixels de 1mm, Réduction des zones
inactives, Optimisation du champ
électrique, Électronique 100K fortement
intégrée
G. Duchêne
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CdTe, CdZnTe
CdTe 4-800
keV _at_ Température ambiante Pixels hybrides
1 1 cm2 ? 400 400 mm2
Résolution 1.5 keV _at_
60 keV Electronique intégrée 256
pixels, bruit 2 eV _at_ tp 10 ms Accroître
lénergie, la résolution en énergie, et la
résolution spatiale.
Perspective XEUS, Simbol X, ÉCLAIRs,
biomédical CdTe Pixels 125 125 mm2, énergie gt
MeV, résolution 1 à 511 keV CdZnTe (Zn)
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PET
Source-X
Lensemble TEP et CT tourne autour de la souris
Ø 14 cm
PE Tomographie Scanner X
Détecteur à pixels CdTe 125 125 mm2 sur 6,4 x
6.4cm2 (2006)
P. Delpierre
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Silicium
Détection de la masse et de la charge des ions
1 lt Z lt 90 et 1 lt A lt 130 0.2
MeV lt E lt qq GeV Télescopes Strips de Silicium
(300 mm) a 50 keV _at_ 5.5 MeV
Silicium-Lithium (1 à 5 mm)
lt 100 keV Masse et charge déduites de la forme
du pulse de courant Electronique dédiée
mémoires analogiques ADC/DSP. Aux énergies
plus faibles, couplage énergie-temps de
vol Silicium cryogénique Bolomètres IR à 300 mK
(Groupe Cryo-détection)
P-O Lagage
Herschel
Perspectives AZ-4p GRAPA,
FAZIA ELISA-pol CMB
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Problématiques communes

• Convergences Physique Nucléaire, HEP, Astro
• Segmentation / Nombre de voies
• Puissance
• Tenue aux radiations
• Poids, encombrement, transparence
• Integration delectronique

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• - Modélisation et simulation
• Calculs de champ électrique 3D, évaluation des
  impulsions
• (TCAD, ISE), photo-détection.
• Caractérisation des matériaux
• Courants de fuite, optimisation des dopages
• Traitement des surfaces
• Passivation, isolants pour couplage
  AC
• Réduction des courants de surface et
  des zones mortes
• Tenue aux radiations
• Synergie avec les physiciens du
  solide

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Quelques Expériences et Projets
Télescope spatial, rayons X et X durs (0.1 à 70
keV)
Matrice CdTe pixellisés Anti-coincidence (BGO
ou Si)
Astro.
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Expérience Discipline Type dexpérience Détecteurs
ECLAIRs 2008 Astro. Télescope spatial visible X et g CdTe pixellisés
GLAST 2006 Astro. Télescope spatial, g 20 MeV 1 TeV Tracker Si strips W
JDEM, DUNE 2010 2008 Astro. Télescopes spatiaux visible -Infra-Rouge proche 1.7 mm CCDs HgCdTe
AGATA Démonstrateur 2008 Phys. Nucl. Tracker g sur 4p Germanium de haute pureté segmenté 18036
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Valorisation
 
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Biomédical Instrumentation Subatech Grilles Micromegas Xe Haute pression
Dosimétrie Radiothérapie conformationnelle LPC Caen 6eme PCRD Lecture CCDs CCDs amplifiés
Vision GIS Photonis EBCMOS HPD Pixels MAPS
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Moyens mutualisés
Moyens CAO électronique Cadence et
al. Simulations détecteur TCAD, ISE, home
made
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Conclusion
Grande richesse de projets Quelques
développements (non limitatif) hors
IN2P3/DAPNIA Diamant Silicium amorphe et
polycristallin Silicium a basse
température Nano-tubes de Carbone Complémentarité
avec lÉlectronique
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Nano-tubes de Carbone LED infra-rouge (BNL-IBM
2003)
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The End
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(No Transcript)
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Moyens
Lecture CCDs/HgCdTe 120 k 10h
3ans Scanner PET 500 k
5h 3ans Pixels hybrides
600 k 3h 3ans Développements
CdTe 600 k 6h 4ans Pixels
MAPS 1 M 13h 9ans Germanium
1.2 M 12h 5ans Détecteur Silicium
5 M / 100m2
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Carte de potentiel Planaire
Cristals Ge
L 90 mm
F
80 mm
Fraction of germanium used 74
180
hexagonal crystals
3 shapes
Solid angle coverage
79
60 triple
clusters
all equal
-
6480 segments
Inner radius (Ge)
21 cm
Efficiency
24 (M 30)
38 (M
1)
Amount of germanium
320 (430) kg
g
g
Peak/Total
53 (M 1)
46 (M 30)
g
g
G. Duchêne
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Divers

• - Magnétomètres
• Micro-capteurs magnétiques
• Junctions Tunnel déposées sur Silicium CMOS

- Structure EBCMOS Voir
Photo-Detecteurs

• PMs Silicium (Dolgoshein)
• Voir Photo-Detecteurs

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