Integration of amorphous silicon photodiodes to

microfluidic scintillation detectors

Guideline questions - 03/03/14

Cindy Wiese

ScintillateursScintillateur = matériau qui émet de la lumière sous

l’influence d’une radiation.

Interactions entre les particules chargées et le scintillateur:Collisions inélastiques avec les électrons excitation ou

ionisation des molécules libération d’énergie sous forme de photons dans le domaine du visible

Collisions élastiques avec le noyau atomique changement de trajectoire de la particule

Equation de Bethe-Bloch = expression de la perte d’énergie en fonction de la distance traversée:

- Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli- Review of particle physics, K. Nakamura et al.

Scintillateurs organiquesExcitation des électrons d’un état d’énergie

fondamental à des états d’énergie supérieursEmission de lumière par fluorescence Pas

de perte des propriétés de scintillationFaible lumière en sortie, mais réponse rapide

En font partie les scintillateurs liquides et plastiques

- Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli- Review of particle physics, K. Nakamura et al.

FluorsPour éviter que le photon primaire émis ne soit

réabsorberDéplace la lumière de scintillation à une longueur

d’onde adaptée à la sensibilité des photodétecteursStoke’s shift doit être important pour éviter une auto-

absorption

- Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli- Review of particle physics, K. Nakamura et al.

Scintillateurs inorganiquesLe réseau cristallin détermine la structure de

bandes électroniquesAbsorption d’énergie = élévation d’un

électron de la bande de valence vers la bande de conduction

Besoin d’ajouter des impuretés (activateurs) dans le matériau pour permettre aux électrons de retourner dans la bande de valence et d’émettre des photons dans le domaine du visible

- Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli- Review of particle physics, K. Nakamura et al.

Détection de particule par scintillation1) Absorption dans le scintillateur de

l’énergie libérée par les particules chargées2) Emission de photons dans le domaine

du visible3) Photodétecteur: conversion du signal

lumineux en signal électrique

- Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli- Review of particle physics, K. Nakamura et al.

PhotodétecteursTube photomultiplicateur (PMT):

- Méthodes de détection optique, P.A. Besse- Review of particle physics, K. Nakamura et al.- Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli- hamamatsu.com (PMT and assemblies)

PhotodétecteursMicro-Channel Plate (MCP):

- Méthodes de détection optique, P.A. Besse- Review of particle physics, K. Nakamura et al.- hamamatsu.com (MCP and MCP assembly)

PhotodétecteursPhotodiode (jonction pn en polarisation inverse):

- Méthodes de détection optique, P.A. Besse- Review of particle physics, K. Nakamura et al.- hamamatsu.com (Si photodiodes)

PhodétecteursPhotodiode:

- Méthodes de détection optique, P.A. Besse- Review of particle physics, K. Nakamura et al.- hamamatsu.com (Si photodiodes)

PhotodétecteursPhotodiode avalanche:

- Méthodes de détection optique, P.A. Besse- Review of particle physics, K. Nakamura et al.- hamamatsu.com (Si photodiodes)

Excess noise:

PhodétecteursSilicon Photomuliplier (SiPM):

Photodiodes avalanches en mode GeigerComptage direct des photons

- Méthodes de détection optique, P.A. Besse- Review of particle physics, K. Nakamura et al.- Silicon photomultiplier – new era of photodetection, V. Saveliev- Overview of development of silicon photmultiplier detectors, D. Renker- hamamatsu.com (Si photodiodes)

PhotodétecteursCCD (capacité MOS en déplétion profonde):

- Méthodes de détection optique, P.A. Besse- Review of particle physics, K. Nakamura et al.- hamamatsu.com (CCD area image sensor)

PhotodétecteursPhotodétecteur Sensibili

téDétectivit

é minimale

Taille(mm2

)

Prix(USD

)

Efficience

quantique

Gain

Tension d’alimentati

on

Remarques

Tube photomultiplicat

eur

Très élevée

Photon singulier

Grande

Elevé 20 - 40% ~ 106

> 100V Grande vulnérabilité aux champs magnétiques

Micro-channelplate

Très élevée

Photon singulier

Grande

Elevé 20 - 40% 105 -

106

> 100V

Photodiode (PIN) Moyenne Plusieurs 100aine de photons

Petite Faible 80 - 90% 1 Quelques volts

Compatible CMOS

PhotodiodeAvalanche

Très élevée

~ 20 photons

Petite Faible 80 - 90% 50 - 200

~ 100V Compatible CMOS

SiPM Très élevée

Photon singulier

Petite Faible 20 – 70% 105 -

107

~ 50V Compatible CMOS

CCD Elevée Plusieurs 100aine de photons

Petite Faible 50 – 90% 1 Quelques volts

Bruit très faible

Image haute qualité

- Méthodes de détection optique, P.A. Besse- www.hamamatsu.com- Review of particle physics, K. Nakamura et al.- Silicon photomultiplier, C. Joram, ppt CERN

Avantages des photodiodes en silicium amorphe hydrogéné a-Si:H sur les photodiodes en c-SiCoefficient d’absorption plus élevé (~ bandgap direct)Grande résistance aux radiationsFaible courant noir

Propriétés mécaniques proches de celles du silicium cristallin c-SiUtilisation des mêmes techniques de microfabrication

- Methods of deposition of hydrogenated amorphous silicon for device applications, W. G.J.H.M. van Sark- A highly sensitive a-Si photodetector array with integrated filter for optical detection in MEMS, M. Moridi et al.- Amorphous silicon-based microchannel plates, A. Franco et al. - An amorphous silicon photodiode array for glass-based optical MEMS application, M. Moridi et al.- Méthodes de détection optique, P.A. Besse

Choix du photodétecteurRendement lumineux: 1 photon pour 100 eV d’énergie perdue par la

particule incidentePerte d’énergie par distance traversée: dE/dx = 2 MeV/cm

Fibre optique plastique (diamètre 500 µm): Nombre de photons générés:

Micro-canaux avec scintillateur liquide( profondeur 200 µm): Nombre de photons générés: Si 1% des photons peuvent atteindre l’extrémité du canal le

photodétecteur doit être capable de détecter seulement 4 photons! PMT, MCP, SiPM

Avec un important flux de particules, des photodiodes suffisent

Réflexion de la lumièreRéflexion spéculaire (interface diélectrique /

métal):

Loi de la réflexion: A = BBasic geometrical optics, Leno S. Pedrotti

Réflexion de la lumièreRéflexion de Fresnel (interface diélectrique /

diélectrique):Loi de Snell: ni sin(i) = nr sin(r)Réflectance et Transmittance

- Basic geometrical optics, Leno S. Pedrotti- wikipedia.org/wiki/Fresnel_equations

Réflexion de la lumièreRéflexion de Fresnel (ni > nr)

Angle critique: ic = sin-1 (nr/ni)Réflexion interne totale: si l’angle d’incidence

> ic

Basic geometrical optics, Leno S. Pedrotti

Principe utilisé avec les capillaires en verre:

Gravure du siliciumTechnologie de gravure Avantages Inconvénients

Gravure humide

Anisotrope(KOH)

- Possibilité d’avoir des profils droits ou inclinés en jouant sur les plans cristallins

- Possibilité de graver plusieurs wafers à la fois (bain)

- Possibilité de graver les 2 faces du wafer en même temps

- Surfaces lisses

- Gravures obligatoirement de forme rectangulaire

- Nécessité d’un alignement très précis du masque

- Profils droits: vitesses de gravure latérale et verticale identiques pas de contrôle du rapport épaisseur/profondeur

Isotrope(HF, EDP)

- Elimine les rugosités/défauts - Pas de gravure profonde- Vitesse de gravure dépend du

dopage

Gravure sèche

(plasma)

Gravure physique

- Possibilité d’obtenir des profils droits

- Vitesse de gravure faible- Une partie de la matière

pulvérisée peut se redéposer- Pas de gravure profonde

Gravure chimique

- Forte sélectivité - Pas de gravure profonde

RIE (gravure physico-

chimique)

- Profil de gravure adaptable (dépend de la composition du mélange gazeux)

- Pas de gravure profonde

DRIE(Procédé Bosch)

- Gravure profonde possible, avec un bon contrôle du rapport épaisseur/profondeur

- Possibilité de graver n’importe quelle forme, même complexe

- Profil obtenu rugueux (mais « lissage » possible par la suite)

- Gravure simultanée de plusieurs wafers ou des 2 faces d’un même wafer impossible

- Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs- Anisotropic etching of crystalline silicon in alkaline solution, H. Seidel et al- Bosch deep silicon etching: improving uniformity and etch rate for advanced MEMS applications, F. Laerma et al.- Sidewall roughness control in advanced silicon etch process, H.C. Liu et al.- Controlling sidewall smothness for micromachined Si mirrors, W.H. Juan et al.

Gravure humide avec KOHDifférence de vitesse de gravure et rugosité

dépendent des différents plans cristallins

- Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs- Anisotropic etching of crystalline silicon in alkaline solution, H. Seidel et al.- Roughening of single-crystal silicon surface etched by KOH water solution, K. Sato et al.- Effects of mechanical agitation and surfactant additive on silicon anisotropic etching in alkaline KOH solution, C.R. Yang et al.

Gravure humide avec KOHLa rugosité dépend des conditions de

gravure:Plan (100), 30 wt% KOH:

- Roughening of single-crystal silicon surface etched by KOH water solution, K. Sato et al.- Effects of mechanical agitation and surfactant additive on silicon anisotropic etching in alkaline KOH solution, C.R. Yang et al.

Gravure humide avec KOHPlusieurs profils de gravure possibles en

jouant sur l’inclinaison du masque

- Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs- Introduction to microfabrication, S. Franssila- Surface tension and its role for vertical wet etching of silicon, A. Brockmeier et al.

Deep Reactive Ion Etching (DRIE)Alternance entre:

une phase de gravure isotropique (SF6), une phase de passivation (C4F8), qui protège les

parois latérales lors de la prochaine étape de gravure.

Problèmes de rugosité des parois latérales

- Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs- Sidewall roughness control in advanced silicon etch process, H.C. Liu et al..

Deep Reactive Ion Etching (DRIE)Possibilité de lisser les parois latérales:

Par contrôle précis des temps de gravure/passivation Rugosité obtenue: Ra = 9.11 nm

Par oxydation thermique des parois, puis retrait de l’oxyde (HF) rugosité obtenue: Ra = 5.93 nm

Par formation d’une couche d’oxyde fortement dopée en Bore, puis retrait de l’oxyde (EDP) Rugosité obtenue: Ra = 5.01 nm

- Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs- Sidewall roughness control in advanced silicon etch process, H.C. Liu et al..- Controlling sidewall smothness for micromachined Si mirrors, W.H. Juan et al.

Revêtement des micro-canaux en siliciumLe choix du matériau dépend de la longueur d’onde considéréeEpaisseur minimum pour avoir unebonne réflectivité et une faible transmission de la lumière (dépend dela longueur d’onde)

Al:

- Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs- Optical properties of ultrathin aluminium film deposited by magnetron sputtering in visible band, H. Du et al.- Vertical mirrors fabricated by deep reactive ion etching for fiber-optic switching applications, C. Marxer et al.

Revêtement des micro-canaux en siliciumTechnologies possibles:

Evaporation sous videPulvérisation Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

L’épaisseur du métal déposé dépendra aussi de la microstructure obtenue

Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)Structure obtenue rugueuse

Metal-organique chemical vapor deposition of aluminium from dimethyletylamine alane, J.H. Yung et al.