Status of SiPM development at ITC-irst
R. Battiston
INFN Perugia
HPD Brain PET Meeting Bari
January 16th 2007
Il progamma MEMS



Il programma MEMS prevedeva inizialmente quattro
progetti pilota di interesse congiunto INFN/ITC-irst
La scelta di questi progetti pilota era stata fatta sulla base di
una analisi delle potenzialita’ delle moderne tecnologie
MEMS-like e di una verifica fatta con numerosi gruppi di
varie Sezioni e Laboratori (Milano, Bologna, Trieste, Pisa,
Perugia, LNL, Pavia, Padova , LNF, Roma II…)
Nel corso dei tre anni altri gruppi INFN hanno interagito
con IRST nell’ ambito delle varie attivita’ di ricerca,
realizzando l’obbiettivo per cui il progetto MEMS era stato
concepito
Convenzione Quadro
PAT-INFN
Programma MEMS 2004/7
Progetto pilota #2 Sviluppo di
matrici di SiPM
What is a SiPM ?
• matrix of n microcells in parallel
• each microcell: GM-APD + Rquenching
Main inventors: V. M. Golovin and A. Sadygov
Russian patents 1996-2002
Front contact
Out
Al
Current (a.u.)
h
Rquenching
Two pixels fired
One pixel
fired
ARC

n+
p
n+
Three pixels
fired
p
n pixels
p+ silicon wafer
Back contact
-Vbias
Time (a.u.)
- Vbias
The advantage of the SiPM in comparison with GM-APD
ANALOG DEVICE – the output signal is the sum of the signals from all fired pixels
SiPM – photon detector candidate for many future applications
N. Dinu (Elba 2006)
S. Haino (INFN Perugia)
S. Haino (INFN Perugia)
A look on photon detectors characteristics
N. Dinu (Elba 2006)
VACUUM
TECHNOLOGY
SOLID-STATE
TECHNOLOGY
PMT
MCP-PMT
HPD
PN, PIN
APD
GM-APD
Blue
20 %
20 %
20 %
60 %
50 %
30%
Green-yellow
40 %
40 %
40 %
80-90 %
60-70 %
50%
Red
6%
6%
6%
90-100 %
80 %
40%
ps
 10 ps
 100 ps
tens ns
few ns
tens of ps
106 - 107
106 - 107
3 - 8x103
1
 200
105 - 106
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
4T
No sensitivity
No sensitivity
No sensitivity
Threshold sensitivity (S/N1)
1 ph.e
1 ph.e
1 ph.e
sensible
bulky
compact
sensible, bulky
Photon
detection
efficiency
Timing / 10 ph.e
Gain
Operation voltage
Shape characteristics
 100
100
ph.e
10
ph.e
1
ph.e
robust, compact, mechanically rugged
Silicon Photomultiplier (MePhi) Tiles redout
on LAZIO SiRad (Roma II, Perugia)
(2005 first time in space!)
Il dispositivo sviluppato in ITC-irst
n+
Doping conc. (10^) [1/cm^3]
19
Wafer
6E+05
Doping
Field
18
5E+05
17
4E+05
16
3E+05
15
2E+05
14
1E+05
13
0E+00
0
0.2
0.4
Tecnologia Main block
7E+05
p
0.6
0.8
depth (um)
1
1.2
1.4
E field (V/cm)
20
Peculiarita’:
1) giunzione molto sottile
2) ARC ottimizzato per lunghezze d’onda
corte (420 nm)
 per una maggiore efficienza
quantica per lunghezze d’onda corte
Geometria
1mm
1mm
Struttura base odierna:
- pixel 1x1 mm2
- 25x25 microcelle
- dimensione microcella: 40x40mm2
La geometria non e’ ancora ottimizzata
per la massima efficienza di rivelazione
(geometrical factor today~ 30%) => to
reach 45%
Misure fatte ad oggi
• Reverse IV measurement
fast test to verify functionality and uniformity of the properties.
(Performed on more than 1000 devices
coming from 3 different batches)
• Dynamic characterization in the dark
for a complete characterization of the output signal and
noise properties (signal shape, gain, dark count, optical cross-talk, after-pulse)
(performed on ~100 devices, coming from 2 different batches)
• Photodetection efficiency
• Energy resolution of SiPM coupled with LSO
• Timing performance
Single photoelectron resolution
Dispositivo illuminato con brevi e deboli impulsi di luce blu.
Tensione di lavoro: 3V sopra il breakdown
Counts
3p.e.
2p.e.
1p.e.
ADC
Eccellente risoluzione di singolo fotoelettrone!
Gain & Dark count
2.0E+06
1.8E+06
Gain vs Bias voltage
1.6E+06
T=22oC
1.4E+06
Q=Cmicrocell*(Vbias-Vbreakdown)
Gain
1.2E+06
1.0E+06
C = 80-90 fF
8.0E+05
6.0E+05
Very uniform from device to
device
4.0E+05
2.0E+05
0.0E+00
31
32
33
34
Bias Voltage (V)
35
36
4.0E+06
Dark count vs Bias voltage
(typical)
Dark Count rate (Hz)
3.5E+06
3.0E+06
2.5E+06
2.0E+06
1.5E+06
1.0E+06
5.0E+05
0.0E+00
31
32
33
34
Voltage (V)
35
36
Dark counts vs Temperature:
preliminary tests
The decrease of the dark noise
depends on the increase of the
breakdown voltage at higher
temperature
The effect is more
evident at higher bias
voltage
Vbk
Photodetection efficiency
1.60E+01
0.16
Geometrical Factor ~ 20%
1.40E+01
0.14
4V
37V
37.5V
1.20E+01
0.12
3.5V
PDE=QE*Pt*GF
38V
3V
8.00E+00
0.08
2.5V
0.06
6.00E+00
QE=quantum eff.
Pt=avalanche prob.
GF=geometrical factor
DV=2V
0.04
4.00E+00
0.02
2.00E+00
0
0.00E+00
350
350
400
400
450
450
500
500
550
550
600
600
650
650
700
700
750
750
800
800
Wavelength (nm)
QE vs Wavelength
100
short l:
low PDE
because
avalanche is
triggered by
holes
long l:
low PDE
because
low QE
90
Reduced
80
by ARC
QE (%)
PDE (%)
PDE
1.00E+01
0.10
Why this shape?
36V
36.5V
70
60
0V
-2V
Simul
Simul ARC
50
40
Measured on a diode
30
300
400
500
600
Wavelength (nm)
Reduced by
small epi
thickness
700
800
SiPM + Scintillator (DaSiPM)
PRELIMINARY
SiPM Geom factor ~ 20%
ResFWHM ~ 29%
Measurement set up:
- 1x1mm2 SiPM
- 1x1x10mm3 LSO
scintillator (lpeak=420nm)
- Two SiPM, each one equipped
with a LSO finger crystal
New tests on 2x2
directly positioned on the SiPM
SiPM Geom factor ~ 30%
ResFWHM ~ 21%
matrices are ongoing
- Measurement in Coincidence
with a b+ emitting 22Na
source (2 g at 511keV)
1) Set up could be optimized
2) Geom factor to be optimized!
Timing performance
timing sigma (ps)
PRELIMINARY
• Laser: - wavelength: 400 or 800nm
- pulse width: ~60fs
- pulse period: 12.34ns with time jitter <100fs
• Filters: to have ~1 photodetection per laser pulse
• SiPMs: 3 devices from 2 different batches measured
1. More statistics
needed
2. New tests
planned by the
end of the year.
12.34ns
overvoltage (V)
Pixel singolo
Misura statica
1.E-05
Current (A)
1.E-06
Forward con fit lineare
1.E-07
fit lineare
RQ = 360kohm
1.E-08
1.E-09
1.E-10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Voltage (V)
1.E-08
Current (A)
1.E-09
Reverse characteristic.
1.E-10
VBD ~ 30.5V
1.E-11
1.E-12
-38
-37
-36
-35
-34
-33
Voltage (V)
-32
-31
-30
-29
-28
0.05
SEGNALE
0.00
-0.10
32V
33V
34V
-0.15
segnale dall’oscilloscopio
(Rin=1Mohm)
-0.20
-0.25
-1.0E-08
presenta un picco veloce con
oscillazioni successive dovuto alla
presenza di una rete:
1.0E-08
3.0E-08
5.0E-08
7.0E-08
9.0E-08
Time (s)
R carico (50ohm)
L bonding (~50nH)
Cs cap. metal vs subs. (~3pF)
Cq cap. res. quenching/diodo (10fF)
0
simulazione spice
-0.05
caso ideale
Voltage (V)
Voltage (V)
-0.05
-0.1
L=6nH, C=3pF, CQ=10fF
L=0, C=0, CQ=0
L=0, C=3pF, CQ=10fF
-0.15
-0.2
-0.25
-1.0E-09
4.0E-09
9.0E-09
Time (s)
1.4E-08
1.9E-08
SEGNALE
Stima:
A = 100
RQ = 350kohm
CD ~ epsSi * Area / W ~ 50fF
Imax = (VBIAS-VBD)/RQ
Vmax = Imax * A * 50ohm
Tau = RQ * CD
0
-0.01
Applicando i parametri di sopra
ottengo i decadimenti riportati.
Voltage (V)
-0.02
-0.03
Sembra corretto perche l’area
sottesa dalla curva misurata
e’ uguale all’area sottesa dall’RC.
-0.04
33V
34V
-0.05
-0.06
-0.07
-1.0E-08
1.0E-08
3.0E-08
5.0E-08
Time (s)
7.0E-08
9.0E-08
1.0E+00
9.0E-01
32V
33V
8.0E-01
34V
35V
35.5V
6.0E-01
La carica (integrale 100ns)
cresce linearmente
=> guadagno lineare.
5.0E-01
4.0E-01
3.0E-01
2.0E-01
1.0E-01
0.0E+00
-2.4E-09
-2.0E-09
-1.6E-09
-1.2E-09
QDC
per 32V gaussiana
perfetta, per tensioni
maggiori si vede coda
che aumenta con la
tensione
E’ afterpulsing!
-8.0E-10
1.0E+00
-4.0E-10
0.0E+00
32V
33V
1.0E-01
Normalized Count
Normalized Count
7.0E-01
SPETTRI al buio
della carica
34V
35V
35.5V
1.0E-02
1.0E-03
-2.4E-09
-2.0E-09
-1.6E-09
-1.2E-09
QDC
-8.0E-10
-4.0E-10
0.0E+00
0.05
AFTERPULSING
0
-0.05
Voltage (V)
-0.1
Sovrapposizione
di segnali con
afterpulse.
-0.15
1.34e-9Vps
-0.2
-0.25
-0.3
1.8e-9Vps
1.95e-9Vps
1.1e-9Vps
-0.35
-1.0E-08
0.0E+00
1.0E-08
2.0E-08
3.0E-08
Time (s)
Recupero esponenziale
con costante di tempo
RQ*CD come atteso
4.0E-08
5.0E-08
6.0E-08
7.0E-08
Si vede chiaramente
il picchetto che scatta
dopo un picco principale
e di dimensione via
via crescente mano
a mano che il diodo
si ricarica a VBIAS.
Piu’ frequenti i picchi nei
primi 20ns
SPETTRO INTEGRALE
Tempo di integrazione 100ns
fit gaussiano
1E+00
Normalized rate
1E-01
32V
33V
34V
35V
35.5V
1E-02
1E-03
1E-04
-2.8E-09
-2.4E-09
-2.0E-09
-1.6E-09
-1.2E-09
-8.0E-10
-4.0E-10
0.0E+00
QDC
sottraendo lo spettro misurato dal fit gaussiano
si puo stimare la percentuale di eventi con afterpulse.
AFTERPULSE rate
percentuale di eventi con afterpulse
0.16
0.14
Tint = 60ns
Tint = 100ns
Afterpulse/pulse
0.12
2
y = 0.0067x - 0.4218x + 6.639
0.10
2
y = 0.0068x - 0.4259x + 6.705
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
31
32
33
34
35
Voltage (V)
Differenza minima tra integrazione a 60 e 100ns
36
1.0E+04
32V
DARK COUNT
33V
34V
Normalized rate
1.0E+03
35V
35.5V
1.0E+02
1.0E+01
1.0E+00
-2.4E-09
-2.0E-09
-1.6E-09
-1.2E-09
-8.0E-10
-4.0E-10
0.0E+00
QDC
6000
y = 935.7x - 28737
Il DC cresce linearmente
con la tensione
Max dark count rate (Hz)
5000
DC
Linear (DC)
4000
3000
2000
1000
0
30
31
32
33
34
Bias voltage (V)
35
36
37
Scientific applications

Exploit your imagination !

Replace PM on
– Scintillator readout for triggering and timing (eg. in space, medical)
– UV light detection from space
– Cerenkov imaging for fast topological triggers
– Fiber tracking
– Calorimetry
– ……………..
New Perugia Wafer layout (  march 2007)
It includes:
- square SiPMs with area:
- 1x1mm2
- 2x2mm2
- 3x3mm2
- 4x4mm2
- circular SiPMs
- linear arrays of SiPMs:
- 1x8
- 1x16
- 1x32
- 4x4 matrix of SiPMs
Linear Array of SiPMs (example: 1x8)
• 1x8 array
500mm
• 46x50mm2 micropixel
• 20x5 micropixels/sipm
250mm
250mm pitch
Single SiPMs
QE*pt ~ 60% @ 400 nm

PDE ~ 28 – 45 % @ 400 nm
Micro-pixel: 40x40mm2
Fill factor: 42%
1x1 mm2,
1.2 mm Ø
Micro-pixel: 50x50mm2
Fill factor: 50%
Micro-pixel: 100x100mm2
Fill factor: 76%
1x1 mm2,
2x2 mm2
L’interesse per questo dispositivo è grandissimo
Progetti INFN approvati interessati a SiPM:
• progetto DASiPM e DASiPM2 di G.V (PI, PG, BO, TN, BA)
• progetto SiRAD di G.V (Roma II…)
• progetto FACTOR di G.V (TS, ME)
• progetto P-ILC di G.I (…)
Interesse dimostrato fuori INFN da gruppi di ricerca:
• Fermilab per calorimetro ILC
• CMS per HCAL outer barrel
• Wolfson Brain Imaging Center, Cambridge
per applicazioni PET/MRI
Interesse dimostrato da aziende:
• SIEMENS per applicazioni medicali;
• PHILIPS per applicazioni medicali;
• PHOTONIS per mercato fototubi;
• ISE srl per applicazioni medicali
Pubblicazioni INFN/ITC-irst (2006-2007)
• C. Piemonte “A new silicon photomultiplier structure for blue light detection”
NIMA 568 (2006) 224-232
• S. Moehrs et al. “Detector head design for small animal PET with Silicon
Photomultiplier (SiPM)”, Physics in Medicine and Biology 51(2006) 1113-27.
• D.J.Herbert et al.”First results of scintillator readout with Silicon Photomultiplier”
IEEE Trans Nucl Sci 53(1), 2006,389-394.
• D.J.Herbert et al. “Study of SiPM as a photodetector for scintillator readout”
NIMA (2006) in press.
• C. Piemonte et al. “Characterization of the first prototypes of silicon
photomultipliers produced at ITC-irst” to appear on IEEE TNS February 2007
• D.J.Herbert et al. “The Silicon Photomultiplier in high resolution gamma
camera for PET applications” NIMA (2007) to be published.
• N. Dinu et al. “Development of the first prototypes of SiPM at ITC-irst"
NIMA (2007) to be published
• F.Corsi et al “ Modelling a Silicon Photomultiplier (SiPM) as a signal source for
optimum front-end design” NIMA (2007) to be published
• G. Llosa et al. “Novel silicon photomultipliers for PET application”
CD Conference Records IEEE NSS and MIC 2006
• C. Piemonte et al. “New results on the characterization of ITC-irst silicon
photomultipliers” CD Conference records IEEE NSS and MIC 2006
• C.Mazzocca et al.”Electrical Characterization of Silicon Photomultiplier
detectors for optimal fornt-end design” CD Conference Records IEEE NSS
and MIC 2006
Chi produce i SiPM ?
Idea e primi sviluppi da laboratori russi negli anni ’90:
• JINR,
Dubna
• Obninsk/CPTA,
Moscow
• Mephi/PULSAR, Moscow
Recentemente (dal 2000) laboratori europei/giapponesi:
• Hamamatsu, Japan (available)
• SensL, Ireland (available)
• IRST, Italy (available)
• MPI, Germany (not available yet)
L’attivita’ della collaborazione e’ di punta a livello mondiale
ed i risultati raggiunti lo testimoniano.
Official Website: http://sipm.itc.it/
Final comments

A look to the future ……
……….more and more integration among
detectors and readout
 3D electronics
R. Yarema
R. Yarema
R. Yarema
R. Yarema
Thick silicon at ITC-irst
Conclusioni



Rivelatori MEMS accoppiati con elettronica VLSI ad
alta densita’ saranno la base di rivelatori sempre piu’
sensibili e compatti per applicazioni sia a terra che nello
spazio, dove i parametri critici sono potenza e massa
Con il progetto MEMS INFN e ITC-irst stanno
sviluppando aclune delle tecnologie piu’ interessanti in
questo campo di sensoristica (matrici di SiPM, KID)
Il progetto MEMS permette all’ INFN (e all’ Italia) di
giocare un ruolo importante nello sviluppo dei futuri
sistemi avanzati integrati rivelatore-sensore