Integration of amorphous silicon photodiodes to microfluidic scintillation detectors

1. Integration of amorphoussilicon photodiodes to microfluidic scintillation detectors Guideline questions - 03/03/14 Cindy Wiese

2. Scintillateurs • Scintillateur = 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 particlephysics,K. Nakamura et al.

3. Scintillateurs organiques • Excitation des électrons d’un état d’énergie fondamental à des états d’énergie supérieurs • Emission de lumière par fluorescence  Pas de perte des propriétés de scintillation • Faible 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 particlephysics,K. Nakamura et al.

4. Fluors • Pour éviter que le photon primaire émis ne soit réabsorber • Déplace la lumière de scintillation à une longueur d’onde adaptée à la sensibilité des photodétecteurs • Stoke’s shift doit être important pour éviter une auto-absorption - Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli - Review of particlephysics,K. Nakamura et al.

5. Scintillateurs inorganiques • Le réseau cristallin détermine la structure de bandes électroniques • Absorption 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 particlephysics,K. Nakamura et al.

6. Détection de particule par scintillation 1) Absorption dans le scintillateur de l’énergie libérée par les particules chargées 2) Emission de photons dans le domaine du visible 3) Photodétecteur: conversion du signal lumineux en signal électrique - Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli - Review of particlephysics,K. Nakamura et al.

7. Photodétecteurs • Tube photomultiplicateur (PMT): - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particlephysics,K. Nakamura et al. - Scintillation particle detectors based on plastic optical, A. Mapelli - hamamatsu.com (PMT and assemblies)

8. Photodétecteurs • Micro-Channel Plate (MCP): - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particlephysics,K. Nakamura et al. - hamamatsu.com (MCP and MCP assembly)

9. Photodétecteurs • Photodiode (jonction pn en polarisation inverse): - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particlephysics,K. Nakamura et al. - hamamatsu.com (Si photodiodes)

10. Phodétecteurs • Photodiode: - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particlephysics,K. Nakamura et al. - hamamatsu.com (Si photodiodes)

11. Excess noise: Photodétecteurs • Photodiode avalanche: - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particlephysics,K. Nakamura et al. - hamamatsu.com (Si photodiodes)

12. Phodétecteurs • SiliconPhotomuliplier (SiPM): • Photodiodes avalanches en mode Geiger • Comptage direct des photons - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particlephysics,K. Nakamura et al. - Siliconphotomultiplier – new era of photodetection, V. Saveliev - Overview of development of siliconphotmultiplier detectors, D. Renker - hamamatsu.com (Si photodiodes)

13. Photodétecteurs • CCD (capacité MOS en déplétion profonde): - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - Review of particlephysics,K. Nakamura et al. - hamamatsu.com (CCD area image sensor)

14. Photodétecteurs - Méthodes de détection optique, P.A. Besse - www.hamamatsu.com - Review of particlephysics,K. Nakamura et al. - Siliconphotomultiplier, C. Joram, ppt CERN

15. Avantages des photodiodes en silicium amorphe hydrogéné a-Si:Hsur les photodiodes en c-Si • Coefficient d’absorption plus élevé (~ bandgap direct) • Grande résistance aux radiations • Faible courant noir • Propriétés mécaniques proches de celles du silicium cristallin c-Si • Utilisation des mêmes techniques de microfabrication - Methods of deposition of hydrogenatedamorphoussilicon for device applications, W. G.J.H.M. van Sark - A highly sensitive a-Si photodetectorarraywithintegratedfilter for opticaldetection in MEMS, M. Moridiet al. - Amorphoussilicon-basedmicrochannel plates, A. Franco et al. - An amorphoussilicon photodiode array for glass-basedoptical MEMS application, M. Moridiet al. - Méthodes de détection optique, P.A. Besse

16. Choix du photodétecteur Rendement lumineux: 1 photon pour 100 eV d’énergie perdue par la particule incidente Perte 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

17. Réflexion de la lumière • Réflexion spéculaire (interface diélectrique / métal): • Loi de la réflexion: A = B Basic geometricaloptics, Leno S. Pedrotti

18. Réflexion de la lumière • Réflexion de Fresnel (interface diélectrique / diélectrique): • Loi de Snell: ni sin(i) = nr sin(r) • Réflectance et Transmittance • Basic geometricaloptics, Leno S. Pedrotti • wikipedia.org/wiki/Fresnel_equations

19. Réflexion de la lumière • Réflexion de Fresnel (ni > nr) • Angle critique: ic = sin-1 (nr/ni) • Réflexion interne totale: si l’angle d’incidence > ic  Principe utilisé avec les capillaires en verre: Basic geometricaloptics, Leno S. Pedrotti

20. Gravure du silicium - Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs - Anisotropicetching of crystallinesilicon in alkaline solution, H. Seidel et al - Bosch deepsiliconetching: improvinguniformity and etch rate for advanced MEMS applications, F. Laermaet al. - Sidewallroughness control in advancedsiliconetchprocess, H.C. Liu et al. - Controllingsidewallsmothness for micromachined Si mirrors, W.H. Juan et al.

21. Gravure humide avec KOH • Différence de vitesse de gravure et rugosité dépendent des différents plans cristallins - Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs - Anisotropicetching of crystallinesilicon in alkaline solution, H. Seidel et al. - Roughening of single-crystalsilicon surface etched by KOH water solution, K. Sato et al. - Effects of mechanical agitation and surfactant additive on siliconanisotropicetching in alkaline KOH solution, C.R. Yang et al.

22. Gravure humide avec KOH • La rugosité dépend des conditions de gravure: Plan (100), 30 wt% KOH: - Roughening of single-crystalsilicon surface etched by KOH water solution, K. Sato et al. - Effects of mechanical agitation and surfactant additive on siliconanisotropicetching in alkaline KOH solution, C.R. Yang et al.

23. Gravure humide avec KOH • Plusieurs 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 itsrole for vertical wetetching of silicon, A. Brockmeieret al.

24. DeepReactive 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 - Sidewallroughness control in advancedsiliconetchprocess, H.C. Liu et al..

25. DeepReactive 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 - Sidewallroughness control in advancedsiliconetchprocess, H.C. Liu et al.. - Controllingsidewallsmothness for micromachined Si mirrors, W.H. Juan et al.

26. Revêtement des micro-canaux en silicium • Le choix du matériau dépend de la longueur d’onde considérée • Epaisseur minimum pour avoir une bonne réflectivité et une faible transmission de la lumière (dépend de la longueur d’onde) Al: - Technologies des microstructures I, M.A.M Gijs - Optical properties of ultrathin aluminium film deposited by magnetronsputtering in visible band, H. Du et al. - Vertical mirrorsfabricated by deepreactive ion etching for fiber-opticswitching applications, C. Marxer et al.

27. Revêtement des micro-canaux en silicium • Technologies possibles: • Evaporation sous vide • Pulvérisation • 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

28. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) • Structure obtenue rugueuse Metal-organique chemicalvapordeposition of aluminium fromdimethyletylaminealane, J.H. Yung et al.