Transcription

1 Détecteur à comptage de photons uniques, ultra-rapide, pour applications bio-photoniques A. Dominjon (1) (1) Institut de Physique Nucléaire de Lyon IN2P3/CNRS - Université de Lyon E. Chabanat (1), P. Depasse (1), R. Barbier (1) en collaboration avec : (2) IPHC, Université Louis Pasteur de Strasbourg IN2P3/CNRS J. Baudot (2), W. Dulinski (2), A. Dorokhov (2), M. Winter (2) Plan : Capteur ebcmos : principe et caractéristiques Bancs de mesure et méthodes Caméra ebcmos : LUSIPHER Agnès Dominjon C2I C2I Le Mans Le Mans janvier - 27 janvier

2 Introduction CONTEXTE : Détection photonique le plus sensible possible (photon unique) de plus en plus rapide tout en conservant un bruit de lecture minimum OBJECTIF : Conception et réalisation d une CAMERA - sensible au photon unique - résolution spatiale micrométrique - grand champ de vue : cm2 - fréquence d images de 1 khz - acquisition en continue Pixels Méga Pixels Tintégration = ms GBits / sec COMMENT : à l aide d un photo-détecteur constitué d un CMOS à substrat aminci Electro-Bombardé dans un tube à photocathode Nouvelle génération d intensificateur de lumière : ebcmos APPLICATIONS : - imagerie biologique : suivi marqueurs fluorescents, bioluminescence M. Dahan - astrophysique : correction locale front d onde - physique des particules : tracking - application vision nocturne Image d une mire de résolution USAF : I = 200 µlux Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier

3 photons visibles Principe de l ebcmos fenêtre de quartz Détecteur ebcmos qqes mm HV vide support E photocathode photoélectrons < 1 mm CMOS aminci 12 mm < 1 cm 2 Vue de dessus La lumière visible est convertie en photo-électrons par la photocathode Le photo-électron est accéléré par un champ électrique amplification Le photo-électron dépose son énergie dans le senseur à pixels Mais un capteur CMOS «standard» ne détecte pas des électrons de basse énergie par face avant Vue de dessous Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier

4 Le capteur CMOS BSI (Back Side Illuminated) MAPS (Monolitic Active Pixel Sensor) : volume sensible et électronique de lecture intégrés au substrat e - < 10 kev e - < 10 kev Photo-cathode Lumière Tube à vide Dopage p++ p+ Couche sensible 10 µm Diodes de collection e e - + e - + eē+ e - + e - e - Wafer 700 µm e - e - e + e - p- p++ Support Wafer Besoin d un amincissement face arrière et d un post-process Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier

5 Caractérisation de l ebcmos photon Caractériser couche de passivation Calibrer les diodes Tube à vide Photo-cathode Dopage p++ e - < 10 kev e - V 0r E=V/L Etude étalement des photo-électrons e + e - e - e + e - Etude diffusion des charges dans couche sensible Gain et sensibilité Support Wafer Résolution spatiale Conception et réalisation de 3 bancs de test Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier

6 Banc de calibration des diodes But : calibrer les pixels du capteur CMOS Source X 55 Fe, 740 MBq 5,9 kev (24,4%) XRay 6,4 kev (2,86%) Interaction dans la diode toutes les charges créées sont récoltées Diode ECC = 100% Circuit intégré de lecture X Ray diode event 100 nm 10 µm Couche de passivation Couche sensible Source X Capteur CMOS Ecran Pb Pic rayon X énergie 100 % 5,9 kev 6,4 kev Peltier, sondes dallas. Facteur de conversion: Bruit des pixels 8 e - C = 4,6 e - / ADCU Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier

7 But : - caractériser le seuil de détection Banc démonstrateur ebcmos - vérifier la linéarité du gain en fonction de la haute-tension Photocathode Palladium UV light Photo-électron unique HT HT 0-10kV Vide secondaire 10-6 Torr E 0 N perdus N 0 = E 0 / 3,6 E 1 = E 0 - E perdue N 1 = E 1 / 3,6 Électrons secondaires = (E 0 E perdus ) / 3,6 Diode Q i Q i+1 Q i+2 Lampe Xénon pulsée sélecteur UV Azote E 2 Définition de 2 efficacités : N 2 = Q i mesurée ε epilayer = N 2 / N 1 ε global = N 2 / N 0 N 2 = ε epilayer N 1 = ε epilayer (N 0 N perdus ) Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier

8 Caractérisation seuil de détection Couche epi. graduee Cluster 5x5 HT = 7kV 5 kv 4 kv 3 kv 2 kv 0 kv Nombre d'electrons collectes N Cluster 5x5 Seuil de détection = 3-4 kv Couche epitaxiale graduee Couche epitaxiale resistive Couche epitaxiale standard Haute tension appliquee (kv) Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier

9 Caractérisation gains et couche morte Cluster 5x5 Resistivite graduee: N2 = 0,67 x N0-252 Nombre d'electrons detectes N Point d intersection avec axe x = N perdus Pente A = ECC epilayer Couche epi resistive: N2 = 0,30 x N0-39 Resistivite standard: N2 = 0,32 x N N 2 = A x N 0 - B N 2 = ε epilayer (N 0 N perdus ) ε epilayer = A N perdus = B / A -400 Nombre d'electrons secondaires N0 Conversion : 1 paire e-/trou = 3,6 ev ds Si Résistivité couche épitaxiale Standard Résistive Graduée ε epilayer 32 % 30 % 67 % N perdus 441 e- 130 e- 376 e- ε global (@ 8 kv) 26 % 29 % 56 % Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier

10 Banc optique But : déterminer la fonction d étalement des charges dans couche sensible LED UV X, Y scan Objectif inversé 1/50 < 1 μm spot Couche passivation diffusion e- Couche épitaxiale Diodes N-well Résistivité couche épitaxiale FWHM 2 = 2,35 σ 2 Standard 12 µm Résistive 22 µm Graduée 7 µm Fonction d étalement-cmos Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier

11 Banc optique But : déterminer la résolution spatiale de l ebcmos La résolution spatiale de l ebcmos est donnée par la convolution de 2 fonctions d étalement: 1. La fonction d étalement du CMOS due à la diffusion des électrons dans la couche épitaxiale 2. La fonction d étalement des photo-électrons due à l énergie radiale initiale au niveau de la cathode photon Photo Cathode 1 ph.e. V 0r Fonction d étalement-tube e - E=V/L Détecteur CMOS N e- σ ebcmos Fonction d étalement totale σ 2 ebcmos = σ 2 CMOS + σ 2 Tube Fonction d étalement-cmos Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier

12 Caméra ebcmos Réalisation d un prototype de caméra ebcmos LUSIPHER : Large-scale Ultra-fast SIngle PHoto-electron tracker Groupe Instrumentation IPNL Groupe électronique IPNL Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier

13 Récapitulation et Perspectives Caractéritiques caméra LUSIPHER v.1 à 500 images/s sensible au photon unique Cathode et Tube : Capteur CMOS : Electronique de lecture : cathode multi-alkali S25 diamètre utile = 12 mm efficacité quantique = 605 nm gap cathode-cmos < 1mm haute-tension 10kV 800 x 400 pixels ; 10 µm pitch technologie 0,25 µm architecture pixel 3T senseur face arrière, aminci et passivé 2 x 4 sorties analogiques parallèles horloge de lecture des pixels : 40 MHz 500 images/s Image de mire de résolution USAF prise avec la caméra 500 images/s Perspectives : Test in situ de la caméra en 2010 en collaboration avec d autres labos de l Université de Lyon, IGBMC (Strasbourg) et ENS (Paris) Test pour développement de nouvelles applications au photon unique Développement du Clustering & Tracking Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier

14 Merci Agnès Dominjon C2I Le Mans janvier