Presentazione Progetti Gr. V Trento - 2012 Gian-Franco Dalla Betta DISI, Universitá di Trento INFN...

Presentazione Progetti Gr. V Trento - 2012

Gian-Franco Dalla BettaDISI, Universitá di TrentoINFN – Padova, Gruppo Collegato di TrentoTel.: 0461283904, e-mail: [email protected]

G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011

Progetti TN gr.V 2012

Progetti TN 2012Progetti TN 2012Sigla Titolo Anni Sezioni

Partecipanti

Coordinatore

nazionale

TRIDEAS

(continua)

Development and optimization of silicon detectors with 3-D Electrodes and Active edgeS

2009-2011

(estensione al 2012)

BA, TN, TS-dot.

(+ FBK-irst) e supporto esterno

GE e UD

Gian-Franco

Dalla Betta

(Trento)

HYDE (*)

(nuovo)

HYbrid DEtectors for neutrons

2012-2014 LNL, TN

(+FBK-irst)

Alberto Quaranta

(LNL)

N.B. Si prevede anche una partecipazione a P-SuperB ed ATLAS (Gruppo I)

(*)(*) Evoluzione dei progetti Evoluzione dei progetti ORIONE e TREDIORIONE e TREDI (2005-2008) (2005-2008)



TRIDEATRIDEASS

Obiettivo generale: Sviluppare ulteriormente ed ottimizzare (sia a livello tecnologico che progettuale) rivelatori 3D con bordo attivo, orientati ad upgrade LHC.

Base di partenza: rivelatori 3D e planari con bordo attivo da prog. TREDI

3D con colonne non passanti Planari con bordo attivo



Enormi progressi nell’ultimo anno, ultimati diversi lotti:- 3D con colonne passanti- planari con bordo attivo- 3D con colonne passanti e bordo sottile

Fabbricazione @ FBK-irstFabbricazione @ FBK-irst

208 µm

~11 µm

~5 µm

~50 µm



Caratterizzazione elettricaCaratterizzazione elettricaOttimizzazione del processo in termini di corrente di leakage

(effetti di stress meccanici – bowing) e tensione di breakdown (da correlare a dose p-spray)

new

old

old

new

Buone caratteristiche elettriche e resa anche su rivelatori di grande area



OLD, High p-spray, Low Breakdown

NEW, Lower p-spray, Higher Breakdown

CUTS

• First test with old process:• High p-spray dose, low breakdown (30V)• No signs of current injection up to the 5th cut

• Second test with new process:• Lower p-spray, higher breakdown (>50V)• Similar results in terms of current injection• Edge area can be reduced to ~100 um[M. Povoli iWoRID2011, Zurich, 3-7 July 2011]

Bordo sottileBordo sottile



Caratterizzazione funzionaleCaratterizzazione funzionaleSr90, 10 TOT at 40ke Am241, 10 TOT at 20ke

• Misure in laboratorio con sorgenti radioattive beta e gamma• 100% di efficienza di raccolta di carica gia’ a bassa tensione (15V) • Basso rumore (140 -180 elettroni rms) nonostante alta capacita’



Test beam CERN, June 2011, irradiated sensors

P-2e15/cm2, 15Efficiency=99.8%



Piano attività 2011-2012Piano attività 2011-2012

Completamento caratterizzazione rivelatori 3D con bordo sottile del primo lotto

Confronto con simulazioni TCAD Revisione del progetto/layout e fabbricazione

secondo lotto Caratterizzazione elettrica e funzionale rivelatori

3D secondo lotto Test di irraggiamento e beam test al CERN sui

migliori rivelatori del secondo lotto



Neutron detectors with good spatial, temporal and Neutron detectors with good spatial, temporal and energy resolution are neededenergy resolution are needed

Silicon based detectors proposed so far (for thermal neutrons) Silicon based detectors proposed so far (for thermal neutrons) reached about 5% of efficiency; indirect silicon detector are limited reached about 5% of efficiency; indirect silicon detector are limited by the range of reaction products or recoil protonsby the range of reaction products or recoil protons

HYDEHYDEGoalGoal: Production of hybrid scintillator-3D silicon : Production of hybrid scintillator-3D silicon detectors for the detection of fast and thermal detectors for the detection of fast and thermal

neutronsneutrons



State of art: ORIONEState of art: ORIONE

Sample yield

(% EJ-212)

yield

(% EJ-212)

yield

(% EJ-254)

yield

(% EJ-254)

no B 65 ± 16 74 ± 15 - -

B 4% 44 ± 13 49 ± 12 66 ± 22 69 ± 16

B 6% 40 ± 14 48 ± 11 64 ± 24 62 ± 15

B 8% 37 ± 13 41 ± 17 54 ± 17 57 ± 11

Sample without B has a yield similar to EJ-212 Increasing the amount of B does not affect the scintillation yield.

New polysiloxane (PS) based scintillators



High radiation hardness with respect to commercial plastic scintillators (unaffected up to 40 KGy)

Synthesis based on liquid resins giving scintillators with different shapes and dimensions (good for hole filling)

ORIONE (2)ORIONE (2)



Bulk

Guard ring

10x10 holes matrix

Single column 3D diodes:• Low depletion voltage and leakage current• Excellent process yield• Two-phase response time:

- fast (electron) and slow (hole) component

• Radiation hardness up to ~1e15cm-2

(~20:1)

-

State of art: TREDIState of art: TREDI



New hybrid 3D detectors for neutronsNew hybrid 3D detectors for neutrons

3D silicon detector

PS scintillator

Impinging neutron

Reaction products

Scintillation

Hybrid detectors obtained by pouring polysiloxane scintillators into 3D silicon detector cavities

Increase of the active interaction volume for neutron, giving higher detection efficiencies

2D spectroscopic detection of fast neutrons2D detection of thermal neutrons by doping the PS

scintillator.



• New hole aspect ratio with respect to the former 3D:From ~20:1 to ~1:1 for increasing the active volume. Easier etching treatment but less control on the surface topography (problems with lithography after etching). Tests on the mechanical hardness of the structure.• DRIE: Vertical walls. Doping only by thermal diffusion giving deep profiles with low efficiency to scintillation photons (390-450 nm).

Challenges with 3D structuresChallenges with 3D structures



First approach for a hybrid systemFirst approach for a hybrid system

3D silicon detector

PS scintillator

APD/SiPM

Coupling of the hybrid system to a multiplication photodetector for the detection of the scintillation light.



• Integration of avalanche photodiodes (APD) in 3D structures.

Ion implantation for tailoring the doping profiles.TMAH wet etching giving 54 inclined walls and ion implantation for fixing the breakdown voltage

Multiplication (from 10x up to 100x) of the carriers generated by the scintillation light.

Impiantazioneaggiuntiva p+

Contatto ohmico p+

Impiantazionegiunzione n+sottile

Interfaccia ossido/silicio

Scintillatore

Advanced approach: 3D APD diodesAdvanced approach: 3D APD diodes



Tests (,, fast and thermal n) on the light

yield of PS scintillator by coupling scintillating films

with an APD detector

Monte Carlo analysis of the production of scintillation

light and reaction/recoil products for optimizing the cavity

geometry.

TCAD simulation and design of 3D detectors

Fabrication and preliminary tests of 3D detectors

Tests for the detection of reaction products with hybrid

structures.

Workplan : 2012Workplan : 2012



20120133Assembly and tests of the hybrid detector coupled

to an external APD detector. Efficiency and signal analysis (n/ discrimination)

TCAD simulation, design and fabrication of the integrated

3D-APD detector

Electronic set-up and testing for the 3D-APD detector

Realization of the 3D-APD hybrid detector with polysiloxane scintillator

Neutron detection tests with the 3D-APD hybrid detector: efficiency and signal analysis

20120144



Riassunto FTE 2012Progetto \ Persona Ruolo TRIDEAS HYDE

Gian-Franco Dalla Betta PA 40% (resp) 20% (resp)

Giovanni Verzellesi PO 50% ---

Giorgio Fontana TC. EP 50% 50%

Marco Povoli Dott. 30% ---

Leo Huf Campos Braga Dott. 50% 50%

Michele Benetti Dott. --- 50%

Ekaterina Panina Dott. --- 30%

Totale FTE per progetto 2.20 2.00

N.B. Altri 2.8 FTE impegnati su progetti di Gruppo I+ due nuove associazioni da fare entro fine anno



Riassunto richieste 2012Progetto \ Voce TRIDEAS HYDE

Missioni interne:

- riunioni tecniche e di coordinamento, attivita’ di test presso LNL

1.0 1.5

Missioni estero:- riunione tecniche con partner stranieri

(Univ. Manchester/Univ. Praga)- Test di irraggiamento (Karlsruhe, Lubiana)

---

1.5

2.0

---

Consumabili:-Materiali x Laboratorio:

probes, componentistica elettronica, PCB, connettori, supporti, laser, etc. - Fabbricazione 1 lotto sensori 3D@ FBK-irst

(prezzo convenzione @ 2200 Euro/lito eq.)

1.5

---

1.5

15.4

Totale (k€) 4.0 20.4

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