1. 3D Silicon Coincidence Avalanche Detector (3D-SiCAD) for charged particle detection
- Author
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Remy Cellier, Etienne Testa, E. Bechetoille, G. Pares, M. M. Vignetti, A. Savoy-Navarro, L. Quiquerez, T. Chaves de Albuquerque, Patrick Pittet, J.-P. Lopez, Francis Calmon, Denis Dauvergne, Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL), École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-École supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon (CPE)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon, Laboratoire d'Electronique et des Technologies de l'Information (CEA-LETI), Université Grenoble Alpes (UGA)-Direction de Recherche Technologique (CEA) (DRT (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC), Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA), AstroParticule et Cosmologie (APC (UMR_7164)), Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Observatoire de Paris, PSL Research University (PSL)-PSL Research University (PSL)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-École supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon (CPE)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (CEA-LETI), Direction de Recherche Technologique (CEA) (DRT (CEA)), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3), Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Observatoire de Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Observatoire de Paris, PSL Research University (PSL)-PSL Research University (PSL)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-École Supérieure de Chimie Physique Électronique de Lyon (CPE)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), INL - Dispositifs Electroniques (INL - DE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-École supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon (CPE)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-École supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon (CPE), INL - Conception de Systèmes Hétérogènes (INL - CSH), and European Project: 317446,EC:FP7:PEOPLE,FP7-PEOPLE-2012-ITN,INFIERI(2013)
- Subjects
Nuclear and High Energy Physics ,02 engineering and technology ,01 natural sciences ,law.invention ,010309 optics ,law ,Charged particle detection ,0103 physical sciences ,0202 electrical engineering, electronic engineering, information engineering ,Geiger counter ,Breakdown voltage ,[PHYS.PHYS.PHYS-INS-DET]Physics [physics]/Physics [physics]/Instrumentation and Detectors [physics.ins-det] ,Instrumentation ,3D integration ,ComputingMilieux_MISCELLANEOUS ,Diode ,Physics ,Range (particle radiation) ,business.industry ,020208 electrical & electronic engineering ,Detector ,Biasing ,Coincidence ,Charged particle ,SPAD ,Optoelectronics ,business ,Avalanche pixel ,Coincidence detection in neurobiology - Abstract
Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs) are p–n junctions operated in Geiger Mode by applying a reverse bias above the breakdown voltage. SPADs have the advantage of featuring single photon sensitivity with timing resolution in the picoseconds range. Nevertheless, their relatively high Dark Count Rate (DCR) is a major issue for charged particle detection, especially when it is much higher than the incoming particle rate. To tackle this issue, we have developed a 3D Silicon Coincidence Avalanche Detector (3D-SiCAD). This novel device implements two vertically aligned SPADs featuring on-chip electronics for the detection of coincident avalanche events occurring on both SPADs. Such a coincidence detection mode allows an efficient discrimination of events related to an incoming charged particle (producing a quasi-simultaneous activation of both SPADs) from dark counts occurring independently on each SPAD. A 3D-SiCAD detector prototype has been fabricated in CMOS technology adopting a 3D flip-chip integration technique, and the main results of its characterization are reported in this work. The particle detection efficiency and noise rejection capability for this novel device have been evaluated by means of a β − strontium-90 radioactive source. Moreover the impact of the main operating parameters (i.e. the hold-off time, the coincidence window duration, the SPAD excess bias voltage) over the particle detection efficiency has been studied. Measurements have been performed with different β − particles rates and show that a 3D-SiCAD device outperforms single SPAD detectors: the former is indeed capable to detect particle rates much lower than the individual DCR observed in a single SPAD-based detectors (i.e. 2 to 3 orders of magnitudes lower).
- Published
- 2018
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