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

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

PMT a dinodi Sruttura complessa Alto costo Integrale dei fotoni TTS alto (ns) Consumo del divisore Fluttuazioni primo dinodo 1/d Linearita’ critica Fotomoltiplicatore a vuoto: nasce nel 1913 ed e’ commerciale RCA nel 1936

Camere a ionizzazione camere proporzionali tubi a streamer/RPC La ricerca di nuovi fotorivelatori porta inevitabilmente ai dispositivi al silicio Giunzioni p-n ed oggi ? G=1 APD G=50-100 = gas Camere a ionizzazione camere proporzionali tubi a streamer/RPC

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

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

SiPMT / G-APD / MPPC - Vbias 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.) Rquench n pixels - Vbias Altezza impulso 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

SiPM: Tecnica costruttiva - pixel R R 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 Aggiungere guadagno IRST, crosstalk,buchi nelle celle ITC-irst

E Si-PM = e geom (1-R)(1-eax)e GM SiPM: efficienza = QE (g) / dE/dx (mip) E Si-PM = e geom (1-R)(1-eax)e GM 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 l=400nm (3,10 eV) a=5,4x106 cm-1, 99,9% in 2mm. Ottimizzazioni per g e mip. spessore di svuotamento, compromesso fra assorbimento e corrente oscura (meglio per mip <1m si riduce corrente oscura). R: coefficiente di riflessione (5%) sviluppo tecnologico e GM : efficienza trigger Geiger (90-100%)

SiPM:guadagno G=Q/e=(Vbias-VBD)Cmicrocell/e 5x105-2x106 per overvoltage di 1.5-5 V C alta per un alto guadagno ma C alta = piu’ lungo tempo di recupero RquenchingCmicrocell Limiti al guadagno Cross talk ottico: risolvibile, isolamento m-pixel (Labs g & disegno del chip) Corrente oscura: sviluppo tecnologico, favorevole per mip. Fattore 2/8° Afterpulse: per questi range di G <10% Slope: Cmicrocell ~ 50fC ICT-irst

SiPM : linearita’ Cresce con n° m-pixel +linearita’ -guadagno (C) -efficienza +segnali greve durata (C) +cross talk -corrente oscura +timing Agiungere tempo edark current 2006: SiPM con 1024 m-pixel 2007: Hamamatsu 1600 m-pixel da 25mmx25mm su superficie 1x1mm2 in produzione 3x3mm2 verso il 10x10mm2 +m-pixel Labs: Hamamatsu, ICT-irst, SensL,MPI Compromesso e sviluppo

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=106 cell1 cell2 Si accendono celle adiacenti operare con basso overvoltage: pochi fotoni emessi isolamento ottico (riduzione fattore 20) cell1 cell2 CORRENTE OSCURA Minimizzare centri di generazione-ricombinazione, impurita’ e difetti dei cristalli

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

(Δchs.n°xADCconversion)/e Gain (Δchs.n°xADCconversion)/e tempo

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

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

Ingredienti per un Hybrid-SiPMT e retrolluminato

1° applicazione di SI in Hybrid- Photomultiplier HPD diodo p-i-n Electrostatically focused HPD Proximity focused HPD DEP Photon counting 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 Segmentato pads immagine del fotocatodo

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

HAPD-Hamamatsu R7110U-07 (con APD) G1 X G2 Photon counting Gain Guadagno per bombardamento elettronico su targhetta APD G=q(Vk-Vp)/3.6 eV ≈ 8KeV/3.6 eV ≈ 2200 APD: diodo in regime avalanche, risposta proporzionale G=50 G1 X G2 Range fotoelettroni IN APD: 4KeV 0.3 mm, 10KeV 1.5mm

Hamamtsu 13” HAPD Avalanche + bombardment gain

SiPM Ora che la tecnologia SiPM e’ matura E’ in commercio da pochi mesi E’ in forte progresso PROPOSTA SiPM usati come moltiplicatori di elettroni in combinazione con un fotocatodo di grandi dimensioni per futuri esperimenti Km3, Yper-K, LiAr, AugerN…. HSiPMT= Fotocatodo + SiPM Ottimizzazione per mip: -svuotamento=-c.oscura Efficienza: varie soluzioni SiPM regioni geiger g,e Si bulk e svuotamento out Possibile accordo di sviluppo con Hamamatsu…..ICT-irst?

realizzazione di un HybridSiPMT (HPMT) CONCLUSIONI Caratteristiche principali dei SiPM (Hamamatsu, INFN-ICT..) Oggi 1-3 mm2 e presto 10mm2 m-pixel 25mmx25mm 500-5000 m-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° m-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

Photon detection efficiency Blue 20 % 60 % 50 % 30% Green-yellow 40 % 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