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Status of SiPM development at ITC-irst R. Battiston INFN Perugia HPD Brain PET Meeting Bari January 16th 2007.

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1 Status of SiPM development at ITC-irst R. Battiston INFN Perugia HPD Brain PET Meeting Bari January 16th 2007

2 Il progamma MEMS  Il programma MEMS prevedeva inizialmente quattro progetti pilota di interesse congiunto INFN/ITC-irst  La scelta di questi progetti pilota era stata fatta sulla base di una analisi delle potenzialita’ delle moderne tecnologie MEMS-like e di una verifica fatta con numerosi gruppi di varie Sezioni e Laboratori (Milano, Bologna, Trieste, Pisa, Perugia, LNL, Pavia, Padova, LNF, Roma II…)  Nel corso dei tre anni altri gruppi INFN hanno interagito con IRST nell’ ambito delle varie attivita’ di ricerca, realizzando l’obbiettivo per cui il progetto MEMS era stato concepito

3 Programma MEMS 2004/7 Progetto pilota #2 Sviluppo di matrici di SiPM Convenzione Quadro PAT-INFN

4 Al ARC -V bias Back contact p n+n+n+n+ p n+n+n+n+  R quenching h p + silicon wafer Front contact What is a SiPM ? - V bias n pixels One pixel fired Two pixels fired Three pixels fired Current (a.u.) Time (a.u.) matrix of n microcells in parallel each microcell: GM-APD + R quenching Main inventors: V. M. Golovin and A. Sadygov Russian patents Out The advantage of the SiPM in comparison with GM-APD ANALOG DEVICE – the output signal is the sum of the signals from all fired pixels SiPM – photon detector candidate for many future applications N. Dinu (Elba 2006)

5 S. Haino (INFN Perugia)

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7 A look on photon detectors characteristics VACUUM TECHNOLOGY SOLID-STATE TECHNOLOGY PMTMCP-PMTHPDPN, PINAPDGM-APD Photon detection efficiency Blue20 % 60 %50 %30% Green-yellow40 % %60-70 %50% Red  6 % %80 %40% Timing / 10 ph.e  100 ps  10 ps  100 ps tens nsfew nstens of ps Gain x  Operation voltage1 kV3 kV20 kV10-100V V  100 V Operation in the magnetic field  T Axial magnetic field  2 T Axial magnetic field  4 T No sensitivity Threshold sensitivity (S/N  1) 1 ph.e  100 ph.e  10 ph.e  1 ph.e Shape characteristicssensible bulky compactsensible, bulkyrobust, compact, mechanically rugged N. Dinu (Elba 2006)

8 Silicon Photomultiplier (MePhi) Tiles redout on LAZIO SiRad (Roma II, Perugia) (2005 first time in space!)

9 Il dispositivo sviluppato in ITC-irst n+n+ p Tecnologia Peculiarita’: 1) giunzione molto sottile 2) ARC ottimizzato per lunghezze d’onda corte (420 nm)  per una maggiore efficienza quantica per lunghezze d’onda corte Struttura base odierna: - pixel 1x1 mm x25 microcelle - dimensione microcella: 40x40  m 2 1mm La geometria non e’ ancora ottimizzata per la massima efficienza di rivelazione (geometrical factor today~ 30%) => to reach 45% Geometria Main block Wafer

10 Misure fatte ad oggi Reverse IV measurement fast test to verify functionality and uniformity of the properties. (Performed on more than 1000 devices coming from 3 different batches) Dynamic characterization in the dark for a complete characterization of the output signal and noise properties (signal shape, gain, dark count, optical cross-talk, after-pulse) (performed on ~100 devices, coming from 2 different batches) Photodetection efficiency Energy resolution of SiPM coupled with LSO Timing performance

11 Single photoelectron resolution Dispositivo illuminato con brevi e deboli impulsi di luce blu. Tensione di lavoro: 3V sopra il breakdown ADC Counts 1p.e. 2p.e. 3p.e. Eccellente risoluzione di singolo fotoelettrone!

12 Gain & Dark count Gain vs Bias voltage Q=C microcell *(V bias -V breakdown )  C = fF Very uniform from device to device T=22 o C Dark count vs Bias voltage (typical)

13 Dark counts vs Temperature: preliminary tests The decrease of the dark noise depends on the increase of the breakdown voltage at higher temperature V bk The effect is more evident at higher bias voltage

14 Photodetection efficiency  V=2V 2.5V 3.5V 3V 4V QE vs Wavelength long : low PDE because low QE short : low PDE because avalanche is triggered by holes Measured on a diode Why this shape? Reduced by small epi thickness Reduced by ARC Geometrical Factor ~ 20% PDE=QE*Pt*GF QE=quantum eff. P t =avalanche prob. GF=geometrical factor PDE

15 SiPM + Scintillator (DaSiPM) Measurement set up: - 1x1mm 2 SiPM - 1x1x10mm 3 LSO scintillator ( peak =420nm) - Two SiPM, each one equipped with a LSO finger crystal directly positioned on the SiPM - Measurement in Coincidence with a   emitting 22 Na source  at 511keV) 1) Set up could be optimized 2) Geom factor to be optimized! Res FWHM ~ 21% Res FWHM ~ 29% SiPM Geom factor ~ 20% SiPM Geom factor ~ 30% PRELIMINARY New tests on 2x2 matrices are ongoing

16 Timing performance Laser: - wavelength: 400 or 800nm - pulse width: ~60fs - pulse period: 12.34ns with time jitter <100fs Filters: to have ~1 photodetection per laser pulse SiPMs: 3 devices from 2 different batches measured PRELIMINARY 12.34ns timing sigma (ps) overvoltage (V) 1. More statistics needed 2. New tests planned by the end of the year.

17 Pixel singolo

18 Misura statica Forward con fit lineare R Q = 360kohm Reverse characteristic. V BD ~ 30.5V fit lineare

19 SEGNALE R carico (50ohm) L bonding (~50nH) Cs cap. metal vs subs. (~3pF) Cq cap. res. quenching/diodo (10fF) presenta un picco veloce con oscillazioni successive dovuto alla presenza di una rete: simulazione spice segnale dall’oscilloscopio (Rin=1Mohm) caso ideale

20 SEGNALE I max = (V BIAS -V BD )/R Q V max = I max * A * 50ohm Tau = R Q * C D A = 100 R Q = 350kohm C D ~ eps Si * Area / W ~ 50fF Applicando i parametri di sopra ottengo i decadimenti riportati. Sembra corretto perche l’area sottesa dalla curva misurata e’ uguale all’area sottesa dall’RC. Stima:

21 SPETTRI al buio della carica per 32V gaussiana perfetta, per tensioni maggiori si vede coda che aumenta con la tensione E’ afterpulsing! La carica (integrale 100ns) cresce linearmente => guadagno lineare.

22 AFTERPULSING Si vede chiaramente il picchetto che scatta dopo un picco principale e di dimensione via via crescente mano a mano che il diodo si ricarica a V BIAS. Piu’ frequenti i picchi nei primi 20ns Recupero esponenziale con costante di tempo R Q *C D come atteso Sovrapposizione di segnali con afterpulse.

23 SPETTRO INTEGRALE Tempo di integrazione 100ns sottraendo lo spettro misurato dal fit gaussiano si puo stimare la percentuale di eventi con afterpulse. fit gaussiano

24 AFTERPULSE rate percentuale di eventi con afterpulse Differenza minima tra integrazione a 60 e 100ns

25 DARK COUNT Il DC cresce linearmente con la tensione

26 Scientific applications  Exploit your imagination !  Replace PM on –Scintillator readout for triggering and timing (eg. in space, medical) –UV light detection from space –Cerenkov imaging for fast topological triggers –Fiber tracking –Calorimetry –……………..

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30 New Perugia Wafer layout (  march 2007) It includes: - square SiPMs with area: - 1x1mm 2 - 2x2mm 2 - 3x3mm 2 - 4x4mm 2 - circular SiPMs - linear arrays of SiPMs: - 1x8 - 1x16 - 1x32 - 4x4 matrix of SiPMs

31 Linear Array of SiPMs (example: 1x8) 1x8 array 46x50  m 2 micropixel 20x5 micropixels/sipm 250  m pitch 250  m 500  m

32 Single SiPMs Micro-pixel: 50x50  m 2 Fill factor: 50% Micro-pixel: 100x100  m 2 Fill factor: 76% 1x1 mm 2, 2x2 mm 2 Micro-pixel: 40x40mm2 Fill factor: 42% 1x1 mm 2, 1.2 mm Ø QE*pt ~ 400 nm  PDE ~ 28 – nm

33 L’interesse per questo dispositivo è grandissimo Progetti INFN approvati interessati a SiPM: progetto DASiPM e DASiPM2 di G.V (PI, PG, BO, TN, BA) progetto SiRAD di G.V (Roma II…) progetto FACTOR di G.V (TS, ME) progetto P-ILC di G.I (…) Interesse dimostrato fuori INFN da gruppi di ricerca: Fermilab per calorimetro ILC CMS per HCAL outer barrel Wolfson Brain Imaging Center, Cambridge per applicazioni PET/MRI Interesse dimostrato da aziende: SIEMENS per applicazioni medicali; PHILIPS per applicazioni medicali; PHOTONIS per mercato fototubi; ISE srl per applicazioni medicali

34 Pubblicazioni INFN/ITC-irst ( ) C. Piemonte “A new silicon photomultiplier structure for blue light detection” NIMA 568 (2006) S. Moehrs et al. “Detector head design for small animal PET with Silicon Photomultiplier (SiPM)”, Physics in Medicine and Biology 51(2006) D.J.Herbert et al.”First results of scintillator readout with Silicon Photomultiplier” IEEE Trans Nucl Sci 53(1), 2006, D.J.Herbert et al. “Study of SiPM as a photodetector for scintillator readout” NIMA (2006) in press. C. Piemonte et al. “Characterization of the first prototypes of silicon photomultipliers produced at ITC-irst” to appear on IEEE TNS February 2007 D.J.Herbert et al. “The Silicon Photomultiplier in high resolution gamma camera for PET applications” NIMA (2007) to be published. N. Dinu et al. “Development of the first prototypes of SiPM at ITC-irst" NIMA (2007) to be published F.Corsi et al “ Modelling a Silicon Photomultiplier (SiPM) as a signal source for optimum front-end design” NIMA (2007) to be published G. Llosa et al. “Novel silicon photomultipliers for PET application” CD Conference Records IEEE NSS and MIC 2006 C. Piemonte et al. “New results on the characterization of ITC-irst silicon photomultipliers” CD Conference records IEEE NSS and MIC 2006 C.Mazzocca et al.”Electrical Characterization of Silicon Photomultiplier detectors for optimal fornt-end design” CD Conference Records IEEE NSS and MIC 2006

35 Chi produce i SiPM ? Idea e primi sviluppi da laboratori russi negli anni ’90: JINR, Dubna Obninsk/CPTA,Moscow Mephi/PULSAR,Moscow Recentemente (dal 2000) laboratori europei/giapponesi: Hamamatsu, Japan (available) SensL, Ireland (available) IRST, Italy (available) MPI, Germany (not available yet) L’attivita’ della collaborazione e’ di punta a livello mondiale ed i risultati raggiunti lo testimoniano. Official Website:

36 Final comments  A look to the future …… ……….more and more integration among detectors and readout  3D electronics

37 R. Yarema

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45 Thick silicon at ITC-irst

46 Conclusioni  Rivelatori MEMS accoppiati con elettronica VLSI ad alta densita’ saranno la base di rivelatori sempre piu’ sensibili e compatti per applicazioni sia a terra che nello spazio, dove i parametri critici sono potenza e massa  Con il progetto MEMS INFN e ITC-irst stanno sviluppando aclune delle tecnologie piu’ interessanti in questo campo di sensoristica (matrici di SiPM, KID)  Il progetto MEMS permette all’ INFN (e all’ Italia) di giocare un ruolo importante nello sviluppo dei futuri sistemi avanzati integrati rivelatore-sensore


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