La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Sviluppi di fotorivelatori a semiconduttore G.C.Barbarino Nemo meeting 13-15/6/2007 overview ad oggi prospettive per Km3 azioni possibili?

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Sviluppi di fotorivelatori a semiconduttore G.C.Barbarino Nemo meeting 13-15/6/2007 overview ad oggi prospettive per Km3 azioni possibili?"— Transcript della presentazione:

1 Sviluppi di fotorivelatori a semiconduttore G.C.Barbarino Nemo meeting 13-15/6/2007 overview ad oggi prospettive per Km3 azioni possibili?

2 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

3 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 PMT a dinodi

4 La ricerca di nuovi fotorivelatori porta inevitabilmente ai dispositivi al silicio G=1 APD G= ed oggi ? Giunzioni p-n Camere a ionizzazionecamere proporzionalitubi a streamer/RPC = gas

5 p+ n- V E V fotodiodo coppie raccolte/coppie generate = 1 V APD APD coppie raccolte/coppie generate = M V > V BD => Geiger-mode APD collected pairs/generated pair = ind. n IMPACT IONIZATION ON IMPACT IONIZATION OFF V BD V APD diode structure electric field in the reversed bias diode depletion width Regime Geiger Limitato in Si lineare proporz. geiger

6 matrici di microcelle in parallelo ogni microcella: GM-APD + R quenching V. M. Golovin and A. Sadygov MEPHI ITC-irst programma MEMS Hamamtsu…….. storica

7 Al ARC -V bias Back contact p n+n+n+n+ p n+n+n+n+ R quenching h p + silicon wafer Front contact - V bias 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 V R quench Altezza impulso

8 Metal-Resistor-Semiconductor R superficiale disaccoppiamento diodi MΩ cm. R Si microcell quenching ~ 300KΩ C microcell ~ 50 fC RC ~ durata segnale ~ ns R R - pixel SiPM: Tecnica costruttiva ITC-irst

9 E Si-PM = geom (1-R)(1-e x ) 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 2 m. Ottimizzazioni per e mip. spessore di svuotamento, compromesso fra assorbimento e corrente oscura (meglio per mip <1 si riduce corrente oscura). R: coefficiente di riflessione (5%) sviluppo tecnologico GM : efficienza trigger Geiger (90-100%) SiPM: efficienza

10 SiPM:guadagno G=Q/e=(V bias -V BD )C microcell /e 5x x10 6 per overvoltage di V Cross talk ottico: risolvibile, isolamento -pixel (L abs & 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 guadagno ma C alta = piu lungo tempo di recupero R quenching C microcell Limiti al guadagno Slope: C microcell ~ 50fC ICT-irst

11 SiPM : linearita 2006: SiPM con pixel 2007: Hamamatsu pixel da 25 mx25 m su superficie 1x1mm 2 in produzione 3x3mm 2 verso il 10x10mm 2 -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

12 operare con basso overvoltage: pochi fotoni emessi isolamento ottico (riduzione fattore 20) cell1 cell2 cell1 cell2 Si accendono celle adiacenti SiPM : Sviluppi Tecnologici CROSS-TALK FRA PIXEL Durante la scarica Geiger vengono emessi 3x10 -5 fotoni con energia maggiore di 1.14eV ~ 10 per coppia e/h per G=10 6 CORRENTE OSCURA Minimizzare centri di generazione-ricombinazione, impurita e difetti dei cristalli

13 SiPM: da Hamamatsu MPPC (pochi mesi) 100 euro!!

14 Gain (Δchs.n°xADC conversion )/e tempo

15 Risoluzione temporale < 200ps Rate di corrente oscura Migliorabile con +purezza -difetti e centri ricombinazione

16 Le applicazioni devono prevedere: Focalizzazione Riduzioni delle superfici attive Ottimizzare per ( )(svuotamento Si) e mip Area Si Limitata Rivelatori e mip Evoluzione PMT

17 Ingredienti per un Hybrid-SiPMT retrolluminato

18 Electrostatically focused HPD Proximity focused HPD V k fino a 15kV Vbias=100V G=q(V k -V p )/3.6 eV Con diodo PIN G=3500 a 15kV Guadagno piu stabile, meno fluttuazioni APD Segmentato pads immagine del fotocatodo 1° applicazione di SI in Hybrid- Photomultiplier HPD diodo p-i-n DEP Photon counting

19 1° applicazione di SI in Hybrid- Photomultiplier HPD diodo p-i-n

20 APD: diodo in regime avalanche, risposta proporzionale G=50 Gain HAPD-Hamamatsu R7110U-07 (con APD) Guadagno per bombardamento elettronico su targhetta APD G=q(Vk-Vp)/3.6 eV 8KeV/3.6 eV 2200 Range fotoelettroni IN APD: 4KeV 0.3 m, 10KeV 1.5 m G1G1 G2G2 X Photon counting

21 Hamamtsu 13 HAPD Avalanche + bombardment gain

22 SiPM usati come moltiplicatori di elettroni in combinazione con un fotocatodo di 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 sviluppo con Hamamatsu…..ICT-irst? PROPOSTA Ottimizzazione per mip: -svuotamento=-c.oscura Efficienza: varie soluzioni Si regioni geiger out,e bulk e svuotamento

23 CONCLUSIONI Caratteristiche principali dei SiPM (Hamamatsu, INFN-ICT..) Oggi 1-3 mm2 e presto 10mm 2 -pixel 25 mx25 m pixel in (1-25)mm2 Bassa tensione di funzionamento V nessuna potenza dissipata. Segnali veloci < 0.5 ns con durata 20 ns Alta linearita ad oggi > 1000 phe Guadagno > 10 6 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 la realizzazione di un HybridSiPMT (HPMT) Test semplificati

24 VACUUM TECHNOLOGY SOLID-STATE TECHNOLOGY PMTMCP-PMTHPDPN, PINAPDGM-APD Photon detection efficiency Blue20 % 60 %50 %30% Green- yellow 40 % %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 sensitivi ty Threshold sensitivity (S/N 1) 1 ph.e 100 ph.e 10 ph.e 1 ph.e Shape characteristics sensible bulky compactsensible, bulky robust, compact, mechanically rugged


Scaricare ppt "Sviluppi di fotorivelatori a semiconduttore G.C.Barbarino Nemo meeting 13-15/6/2007 overview ad oggi prospettive per Km3 azioni possibili?"

Presentazioni simili


Annunci Google