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

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

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

The advantage of the SiPM in comparison with GM-APD What is a SiPM ? matrix of n microcells in parallel each microcell: GM-APD + Rquenching Main inventors: V. M. Golovin and A. Sadygov Russian patents 1996-2002 Al ARC -Vbias Back contact p n+  Rquenching h p+ silicon wafer Front contact Out One pixel fired Two pixels fired Three pixels Current (a.u.) Time (a.u.) - Vbias n pixels 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)

S. Haino (INFN Perugia)

S. Haino (INFN Perugia)

A look on photon detectors characteristics N. Dinu (Elba 2006) VACUUM TECHNOLOGY SOLID-STATE PMT MCP-PMT HPD PN, PIN APD GM-APD Photon detection efficiency Blue 20 % 60 % 50 % 30% Green-yellow 40 % 80-90 % 60-70 % 50% Red  6 % 90-100 % 80 % 40% Timing / 10 ph.e  100 ps  10 ps tens ns few ns tens of ps Gain 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 sensitivity Threshold sensitivity (S/N1) 1 ph.e 100 ph.e 10 ph.e Shape characteristics sensible bulky compact sensible, bulky robust, compact, mechanically rugged

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

Il dispositivo sviluppato in ITC-irst Main block Wafer 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 Geometria 1mm Struttura base odierna: - pixel 1x1 mm2 - 25x25 microcelle - dimensione microcella: 40x40mm2 1mm La geometria non e’ ancora ottimizzata per la massima efficienza di rivelazione (geometrical factor today~ 30%) => to reach 45%

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

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

Gain & Dark count Gain vs Bias voltage Dark count vs Bias voltage T=22oC Q=Cmicrocell*(Vbias-Vbreakdown) C = 80-90 fF Very uniform from device to device Dark count vs Bias voltage (typical)

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

Photodetection efficiency DV=2V 2.5V 3.5V 3V 4V 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 Geometrical Factor ~ 20% Why this shape? PDE=QE*Pt*GF PDE QE=quantum eff. Pt=avalanche prob. GF=geometrical factor long l: low PDE because low QE short l: avalanche is triggered by holes 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 QE vs Wavelength Reduced by ARC Reduced by small epi thickness Measured on a diode

SiPM + Scintillator (DaSiPM) PRELIMINARY SiPM Geom factor ~ 20% Measurement set up: 1x1mm2 SiPM 1x1x10mm3 LSO scintillator (lpeak=420nm) Two SiPM, each one equipped with a LSO finger crystal directly positioned on the SiPM Measurement in Coincidence with a b+ emitting 22Na source (2 g at 511keV) 1) Set up could be optimized 2) Geom factor to be optimized! ResFWHM ~ 29% New tests on 2x2 matrices are ongoing SiPM Geom factor ~ 30% ResFWHM ~ 21%

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 1. More statistics needed 2. New tests planned by the end of the year. timing sigma (ps) 12.34ns overvoltage (V)

Pixel singolo

Misura statica Forward con fit lineare RQ = 360kohm fit lineare Reverse characteristic. VBD ~ 30.5V

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

SEGNALE Stima: A = 100 Imax = (VBIAS-VBD)/RQ RQ = 350kohm CD ~ epsSi * Area / W ~ 50fF Imax = (VBIAS-VBD)/RQ Vmax = Imax * A * 50ohm Tau = RQ * CD 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.

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

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 VBIAS. Piu’ frequenti i picchi nei primi 20ns Sovrapposizione di segnali con afterpulse. Recupero esponenziale con costante di tempo RQ*CD come atteso

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

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

DARK COUNT Il DC cresce linearmente con la tensione

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 ……………..

New Perugia Wafer layout (  march 2007) It includes: square SiPMs with area: - 1x1mm2 - 2x2mm2 - 3x3mm2 - 4x4mm2 circular SiPMs linear arrays of SiPMs: - 1x8 - 1x16 - 1x32 - 4x4 matrix of SiPMs

Linear Array of SiPMs (example: 1x8) 500mm 1x8 array 46x50mm2 micropixel 20x5 micropixels/sipm 250mm 250mm pitch

QE*pt ~ 60% @ 400 nm  PDE ~ 28 – 45 % @ 400 nm Micro-pixel: 40x40mm2 Fill factor: 42% 1x1 mm2, 1.2 mm Ø Single SiPMs Micro-pixel: 50x50mm2 Fill factor: 50% QE*pt ~ 60% @ 400 nm  PDE ~ 28 – 45 % @ 400 nm Micro-pixel: 100x100mm2 Fill factor: 76% 1x1 mm2, 2x2 mm2

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

Pubblicazioni INFN/ITC-irst (2006-2007) C. Piemonte “A new silicon photomultiplier structure for blue light detection” NIMA 568 (2006) 224-232 S. Moehrs et al. “Detector head design for small animal PET with Silicon Photomultiplier (SiPM)”, Physics in Medicine and Biology 51(2006) 1113-27. D.J.Herbert et al.”First results of scintillator readout with Silicon Photomultiplier” IEEE Trans Nucl Sci 53(1), 2006,389-394. 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

Idea e primi sviluppi da laboratori russi negli anni ’90: JINR, Dubna 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: http://sipm.itc.it/

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

R. Yarema

R. Yarema

R. Yarema

R. Yarema

Thick silicon at ITC-irst

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