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ATLAS 実験次期計画のための 高放射線耐性シリコン検出器の開発. 筑波大学 秦野博光 目黒立真 2007/8/21. MONT BLANC. Lac Léman. Geneva Air Port. LHCb. CMS. ATLAS. 約 8.5km. ALICE. LHC 加速器・ ATLAS 実験とは. LHC （ Large Hadron Collider ）. ・スイス・ジュネーブ郊外にある陽子 - 陽子を衝突させる加速器 ・ 2008 年・春の実験開始に向け、現在急ピッチで建設中 ・重心系エネルギー 14TeV ⇒. ×. 実験目的 - PowerPoint PPT Presentation
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ATLAS 実験次期計画のための高放射線耐性シリコン検出器の開発
筑波大学 秦野博光 目黒立真2007/8/21
LHC 加速器・ ATLAS 実験とは
ALICE
MONT BLANC
Lac LémanGeneva Air Port
LHCbCMS ATLAS
約 8.5km
・スイス・ジュネーブ郊外にある陽子 - 陽子を衝突させる加速器
・ 2008 年・春の実験開始に向け、現在急ピッチで建設中
・重心系エネルギー 14TeV
⇒
1214 10 eV
LHC （ Large Hadron Collider ）
×
実験目的
・ Higgs 粒子の探索
・超対称性粒子の発見
・余剰次元の検証
・ＢハドロンによるＣＰ対象性破れの測定
・トップクォークの物理
・ＱＣＤの検証 ｅｔｃ
初めてのＴｅＶ領域実験として新しい物理の発見が期待される。
・飛跡検出器 ・ Pixel シリコンピクセル検出器
・ SCT シリコンマイクロストリップ検出器
・ TRT 遷移輻射ストローチューブチェンバー
・カロリーメータ ・ LAr EM 液体アルゴンカロリーメータ（ Pb ）
・ Tile HD シンチレータタイルカロリーメータ
・ LAr HEC ハドロンエンドキャップ（ Cu ）
・ LAr FCal 前方カロリーメータ（ Pb ）
・ミューオン検出器 ・ MDT ドリフトチューブチェンバー
・ TGC, RPC, CSC トリガー用チェンバー
Tile HDLAr EM
LAr HEC
LAr HEC
ミューオン検出器
ATLAS 検出器42m
23m
SCT 検出器
荷電粒子の運動量測定，Ｂ メソンや τ レプトンの崩壊点測定に貢献する．
そのために高い位置分解能が要求される
位置分解能はＹ方向 :16 μm Ｘ方向 :580μm
Ｙ
Ｘ
ＬＨＣの次期計画
ルミノシティをＬＨＣの１０倍 → １０ cm s にする計画
35 -2 -1
更に第２段階としてビームエネルギーを１２．５ＴｅＶに上げる計画も検討されている。 ２０１６年ご
ろ？ルミノシティを上げたことによる影響：
（１）陽子衝突当たりのイベント数が２０から２００へ
（２）放射線量も積分ルミノシティと同時に増える。
このような環境でも検出能力を落とさないようにＡＴＬＡＳ検出器の増強設定が進んでいる。
今、インストールされているＳＣＴ
次期計画のＳＣＴ
SiO２
Al
N ＋N ＋P-stop
Al
P＋
P-bulk
ATLAS SCT 検出器
N-on-P 型 SCT モジュールの研究開発
SiO２
Al
N-bulk
Al
N ＋
P+ P+
motivationType inversion により現在の SCT は寿命を迎える将来的には LHC においてさらに高い Luminosity になる
N-on-P 型の SCT が必要
・ P-type Silicon Bulk の基本的性質の確認・ Strip間の繋がりを避けることのできる構造・放射線耐性の確認・ 1cm×1cm のサンプルを用いて性能を評価・ジオメトリーなどについてはまだ。・物理の要求などもまだわからない。
現段階での目的
SiO２
Al
N ＋N ＋P-stop
Al
P＋
P-bulk
samples• Wafer types → FZ1,FZ2,MCZ (3 types) 製法の違い
• P-stop structures → zone1～ zone6(6 types)• P-stop/p-spray concentrations → P-spray, Low, High (3 types)• Implant Depth → std, deep (2 types)
材質
形状
• Fluence → 5E14, 10E14, 20E14 (1MeV n-eq/cm2) (3 types)
東北大学 CYRIC で 70MeV proton を照射60度の恒温槽で 80 分間 Annealing
SiO２
Al
N ＋N ＋ P-stop
Al
P-bulk
測定項目
IV 測定：バルク中の暗電流の測定 → SN比 （→ N.O. ？） , 温度の上昇、マイクロディスチャージ（熱暴走） wafer のタイプ fluence による？CV 測定：バルク静電容量の測定 → 全空乏化電圧 （放射線耐性の良い指標？） wafer のタイプ fluence による？Isolation 測定： Isolation 電圧の測定 → 繋がってしまっていると信号が隣のストリップに流れてしまう？ 形状による？Typical な I-V curve
測定セットアップ
Typical な Isolation curve FZ1 deep
pspray+pstopfor 5E14
T=20degC
1.0E- 11
1.0E- 10
1.0E- 09
10 100 1000
Bias (V)
Cap
acita
nce
(F)
FZW3B2_Z1FZW3B2_Z2FZW3B2_Z3FZW3B2_Z4FZW3B2_Z6
Typical な CV curve
MCZ stdpspray+pstop
for 5E14T=20degC
1.0E- 09
1.0E- 08
1.0E- 07
1.0E- 06
1.0E- 05
1.0E- 04
0 200 400 600 800 1000Bias (V)
Leak
age
(A)
MCZ31B1_Z1MCZ32B3_Z2MCZ31B2_Z3MCZ31B6_Z4MCZ32B4_Z5MCZ32B1_Z6
IV 測定結果（ wafer の比較）FZ1 std
pspray+pstopfor 5E14
T=20degC
1.0E- 09
1.0E- 08
1.0E- 07
1.0E- 06
1.0E- 05
1.0E- 04
0 200 400 600 800 1000
Bias (V)
Leak
age
(A)
FZW2B1_Z1FZW2B1_Z2FZW2B1_Z3FZW2B1_Z4FZW2B1_Z5FZW2B1_Z6 FZ1 std
pspray+pstop5E14
T=- 20degC
1.0E- 09
1.0E- 08
1.0E- 07
1.0E- 06
1.0E- 05
1.0E- 04
0 200 400 600 800 1000
Bias (V)
Leak
age
(A) FZW2B1_Z1
FZW2B1_Z2
FZW2B1_Z3
FZW2B1_Z4
FZW2B1_Z5
FZW2B1_Z6
FZ1 stdpspray+pstop
10E14T=- 20degC
1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
0 200 400 600 800 1000Bias (V)
Leak
age
(A) FZW2B2_Z1
FZW2B2_Z2FZW2B2_Z3FZW2B2_Z4FZW2B2_Z5FZW2B2_Z6
FZ1 stdpspray+pstop
20E14T=- 20degC
1.0E- 09
1.0E- 08
1.0E- 07
1.0E- 06
1.0E- 05
1.0E- 04
0 200 400 600 800 1000
Bias (V)
Leak
age
(A)
FZW2B3_Z1FZW2B3_Z3FZW2B3_Z4FZW2B2_Z5FZW2B3_Z6
MCZ stdpspray+pstop
5E14T=- 20degC
1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
0 200 400 600 800 1000Bias (V)
Leak
age (
A)
MCZ31B1_Z1
MCZ32B3_Z2
MCZ31B2_Z3MCZ31B6_Z4
MCZ32B4_Z5
MCZ32B1_Z6
MCZ stdpspray+pstop
10E14T=- 20degC1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
0 200 400 600 800 1000Bias (V)
Leak
age (
A)
MCZ32B5_Z1
MCZ31B5_Z2MCZ32B6_Z3
MCZ31B4_Z4MCZ32B3_Z5
MCZ32B4_Z6 MCZ stdpspray+pstop
20E14T=- 20degC
1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
0 200 400 600 800 1000Bias (V)
Leak
age (
A)
MCZ31B5_Z1
MCZ32B4_Z2
MCZ32B6_Z3
MCZ32B4_Z4
MCZ31B4_Z6
0 5E+14 10E+14 20E+14
(1 MeV n-eq /cm2)
FZ
MCZ
シリコン検出器の暗電流－電圧（ I-V ）特性 暗電流には以下の寄与が考えられる．
① バルク暗電流電子－正孔対が熱により発生（温度に依存）空乏層の厚さに比例（逆バイアス電圧に依存
）
Conductance ∝ e ND μe
② 表面電流有限な表面抵抗により電流が発生電圧に対してリニア？
③ マイクロ放電不純物や傷により局所的な高電場により電流が増幅される
シリコン検出器断面
I ①
V
②
V
I ③
V
I
MCZ stdpspray+pstop
for 5E14T=20degC
1.0E- 09
1.0E- 08
1.0E- 07
1.0E- 06
1.0E- 05
1.0E- 04
0 200 400 600 800 1000Bias (V)
Leak
age
(A)
MCZ31B1_Z1MCZ32B3_Z2MCZ31B2_Z3MCZ31B6_Z4MCZ32B4_Z5MCZ32B1_Z6
IV 測定結果FZ1 std
pspray+pstopfor 5E14
T=20degC
1.0E- 09
1.0E- 08
1.0E- 07
1.0E- 06
1.0E- 05
1.0E- 04
0 200 400 600 800 1000
Bias (V)
Leak
age
(A)
FZW2B1_Z1FZW2B1_Z2FZW2B1_Z3FZW2B1_Z4FZW2B1_Z5FZW2B1_Z6 FZ1 std
pspray+pstop5E14
T=- 20degC
1.0E- 09
1.0E- 08
1.0E- 07
1.0E- 06
1.0E- 05
1.0E- 04
0 200 400 600 800 1000
Bias (V)
Leak
age
(A) FZW2B1_Z1
FZW2B1_Z2
FZW2B1_Z3
FZW2B1_Z4
FZW2B1_Z5
FZW2B1_Z6
FZ1 stdpspray+pstop
10E14T=- 20degC
1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
0 200 400 600 800 1000Bias (V)
Leak
age
(A) FZW2B2_Z1
FZW2B2_Z2FZW2B2_Z3FZW2B2_Z4FZW2B2_Z5FZW2B2_Z6
FZ1 stdpspray+pstop
20E14T=- 20degC
1.0E- 09
1.0E- 08
1.0E- 07
1.0E- 06
1.0E- 05
1.0E- 04
0 200 400 600 800 1000
Bias (V)
Leak
age
(A)
FZW2B3_Z1FZW2B3_Z3FZW2B3_Z4FZW2B2_Z5FZW2B3_Z6
MCZ stdpspray+pstop
5E14T=- 20degC
1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
0 200 400 600 800 1000Bias (V)
Leak
age (
A)
MCZ31B1_Z1
MCZ32B3_Z2
MCZ31B2_Z3MCZ31B6_Z4
MCZ32B4_Z5
MCZ32B1_Z6
MCZ stdpspray+pstop
10E14T=- 20degC1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
0 200 400 600 800 1000Bias (V)
Leak
age (
A)
MCZ32B5_Z1
MCZ31B5_Z2MCZ32B6_Z3
MCZ31B4_Z4MCZ32B3_Z5
MCZ32B4_Z6 MCZ stdpspray+pstop
20E14T=- 20degC
1.0E-09
1.0E-08
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
0 200 400 600 800 1000Bias (V)
Leak
age (
A)
MCZ31B5_Z1
MCZ32B4_Z2
MCZ32B6_Z3
MCZ32B4_Z4
MCZ31B4_Z6
0 5E+14 10E+14 20E+14
(1 MeV n-eq /cm2)
FZ
MCZ
来週の照射 :1E+14,2E+14
ここの差を埋める
Wafer による差は見られないMicroDischarge はいつなくなるのか？Current による limit はどのくらいか？表面電流の消失については理解できていない
CV 測定
FZ1 deeppspray+pstop
5E14T=- 20degC
1.0E-11
1.0E-10
1.0E-09
10 100 1000Bias (V)
Cap
acita
nce
(F)
FZW3B1_Z1FZW3B1_Z2FZW3B1_Z3FZW3B1_Z4FZW3B1_Z5FZW3B1_Z6
ADP5-5
y = 7E+18x - 6E+20
y = 2E+21
0
5E+20
1E+21
2E+21
2E+21
3E+21
3E+21
4E+21
4E+21
0 200 400 600 800 1000
biasen VdC
21
Cap
acit
ance
(F)
Bias(V) Bias(V)
1/C
2
全空乏化電圧＝ 400V
V＜ VFD においては
CV 測定結果（ wafer の比較）ADP5-0
y = 8E+18x + 3E+19
y = 1E+21
0
5E+20
1E+21
2E+21
2E+21
3E+21
3E+21
4E+21
4E+21
0 200 400 600 800 1000
ADP5-5
y = 7E+18x - 6E+20
y = 2E+21
0
5E+20
1E+21
2E+21
2E+21
3E+21
3E+21
4E+21
4E+21
0 200 400 600 800 1000
ADP10-10
y = 7E+18x - 8E+20
y = 2E+21
0
5E+20
1E+21
2E+21
2E+21
3E+21
3E+21
4E+21
4E+21
0 200 400 600 800 1000
ADP20-20
y = 5E+18x - 1E+21
y = 2E+21
0
5E+20
1E+21
2E+21
2E+21
3E+21
3E+21
4E+21
4E+21
0 200 400 600 800 1000
CDP5-0
y = 7E+18x + 7E+19
y = 3E+21
0
5E+20
1E+21
2E+21
2E+21
3E+21
3E+21
4E+21
4E+21
0 200 400 600 800 1000
CDP5-5
y = 4E+18x - 1E+21
y = 3E+21
0
5E+20
1E+21
2E+21
2E+21
3E+21
3E+21
4E+21
4E+21
0 200 400 600 800 1000
CDP10-10
y = 2E+18x - 4E+20
y = 3E+21
0
5E+20
1E+21
2E+21
2E+21
3E+21
3E+21
4E+21
4E+21
0 200 400 600 800 1000
CDP20-20
y = 7E+17x + 9E+19
y = 3E+21
0
5E+20
1E+21
2E+21
2E+21
3E+21
3E+21
4E+21
4E+21
0 200 400 600 800 1000
0 5E+14 10E+14 20E+14
FZ
MCZ
(1 MeV n-eq /cm2)
V_FD vs fluence
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 5 10 15 20 25
fluence( n eq/ cm̂ 2 / 10 1̂4 )
bias
VFZ1
FZ2MCZ
全空乏化電圧の変化と照射量の関係
全空乏化
電圧
（V
）
Fluence (n eq/cm2 /1014)
Isolation 測定 構造による違い
SiO２
Al
N ＋N ＋P-stop
Al
P＋
• P-stop structure → zone1～ zone6• P-stop/p-spray concentrations → P-spray, Low, High (3 types)• Implant Depth → std, deep (2 types)
8E+12 (+P-splay)1E+132E+13 atoms/cm3
????
- 50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
0
50
100
150
200
0 20 40
SP
DP
SL
DL
SH
DH
c
Ex ) FZ2 Zone3
Fluence (1MeV n-eq/cm2)
Strip間分離達成電圧 vs 照射量
電圧
(V)
P-stop の濃度を 2E+13/cm3 にすることで Strip間分離は充分に達せられるImplant Depth による違いはほとんど見られない
結論とこれから
・現段階では wafer type : FZ P-stop concentration : >2E+13 が有力候補・今回紹介できなかったが P-stop structure に ついての理解も進んでいる・照射量を変えての測定（来週照射予定）・新たなサンプルを作成し、更なる study を
Backup
ATLAS06 Wafers
• Two lots of FZ materials– FZ-1: Lower defects, FZ-2: Normal wafers
2011.4.24
Wafer Implant depth P spray P stop FZ-1 FZ-2 MCZ2.E+12 8.E+12 W01,W02 W16,W17
--- 1.E+13 -- W21,W22--- 2.E+13 W11 W26,W27
2.E+12 8.E+12 W03,W04,W05 W18,W19,W20--- 1.E+13 W08,W09,W10 W23,W24,W25--- 2.E+13 W13,W14 W28,W29,W30
2.E+12 8.E+12 W31,W32--- 1.E+13 W36,W37--- 2.E+13 W41
2.E+12 8.E+12 W33,W34,W35--- 1.E+13 W38,W39,W40--- 2.E+13 W43,W44,W45
Numer of wafers (*2) 11 15 14
(*1) The values are only for indicative purpose(*2) Some sensors in a wafer are rejected
P(100)MCZ
std
deep
Wafer Lot
P(100)FZ
std
deep
(*1) Dopingconcentration
Isolation 測定
SiO２
Al
N ＋N ＋P-stop
Al
P＋
形状• P-stop structures → zone1～ zone6(6 types)
Individual と Common
individual common
P-stopstrip
Strip Isolation
Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6
explanatory
・ Efficience of P-spray?
・ which zone is good for strip isolation?
FZ1
ASLはサンプルが無い
FZ2
MCZ
-50
0
50
100
150
200
0 10 20 30
c
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25- 50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15
-50
0
50
100
150
200
0 5 10 15
0
50
100
150
200
0 20 40
SP
DP
SL
DL
SH
DH
c
Leakage Current (T=20 )℃
This time （ 2007May ） last time （ 2006 ）
Ileak
/vol
ume(
A/c
m^3
)
Fluence(1MeV n-eq/cm^2)
Estimation of irradiation likely to correct.
Mention in passing
I (at V_FD) vs fluence
y = 3.16E- 17x - 1.63E- 03
y = 3.69E- 17x - 2.68E- 03
y = 3.81E- 17x + 3.01E- 14
- 0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0 5E+14 1E+15 1.5E+15 2E+15 2.5E+15
fluence (n eq/ cm̂ 2)
curr
ent (A
)
FZ1FZ2MCZ
(FZ1)線形 (FZ2)線形 (MCZ)線形
