1

MPPC の経年変化についての研究連絡

筑波大学　数理物質科学研究科博士前期課程２年

高橋　優介

2

目的

• ILC では光検出器を長期 ( ～ 10 年 ) に渡って使用する。

　 - 使用期間内で性能が安定しているか調べる。

• 温度加速を用いて長期安定性を測定　 - 高温での動作を確認する。　 - 長期安定性の測定を行う。

方法

3

原理反応論モデル：

アレニウスモデル：温度による反応依存性

Tk

EL

B

aexp1

Λ ：定数 [1/time]L ：温度Ｔ での寿命 [time]

212

1 11ln

TTk

E

L

L

B

a

拡散、酸化、吸着、転位、電界、腐食クラックの成長などのメカニズムで変化が進行し材料や部品を劣化させ、ある限度を超えると故障に至る。

k B ：ボルツマン定数 [eV/K]E a ：活性化エネルギー [eV]T ：絶対温度 [K]

活性化エネルギー Ea を精度良く測定できればMPPC の寿命が推定できる

温度 1/T （ K-1 ）

寿命

（lnL

）

4

測定項目

• Gain• Noise Rate • Cross Talk

Noise Rate が 1MHz 以上になるか、Gain が 105 を下回ったとき故障と見なす。 (ILD 要求

値 )

25um 1600pix sample を Over Voltage = 3V の電圧を印加した状態で 85℃ に加熱し Leakage Current を測定する。２週間に１度 25℃ に戻して以下の測定を行う。

Type B ：読み出し回路を含まない試作品

Type A ：読み出し回路を含む従来の回路

温度 [℃] 60 85

温度加速定数 11 45

※活性化エネルギーを 0.585 eV 通常動作温度を 25 ℃ と仮定

(Over　Voltage　=　|Vbias　-　V0|　,V0: ガイガーモード開始電圧 )

d

Pedestal

1p.e.2p.e.

3p.e.

4p.e.

5

Gain の測定方法

Clock

Generator

Gate

Generator

Voltage

source

Voltage

source

LED

driver

ADC

Gate

Analog

In

Delay

AMP×63

Thermostatic chamber

LED

MPPCPC

CAMACWidth55ns1kHz

Set Up （ＡＤＣ分布）

(p.e.:photoelectron)

LED 発光に同期させ、 ADC 分布をとる

d SGain

e A

S　=　ADC 分解能 (=　0.25pC/ADCcount)e　=　 素電荷 (=　1.6　x10-19　C)A　=　 アンプ増倍率 (=　63)　

#1102 Type A #1102 Type B

α 0.051±　0.001　V/℃

0.051　±　0.001　V/℃

β 72.84　±　0.02　V 72.83　±　0.02　V

6

)( 0VVe

CGain bias

Vbias [V]

Ga

in (

10

5) ・ 25

・ 30

・ 40

・ 50

・ 60

TTV )(0

CTC )(

・ #1102 Type A

・ #1102 Type B

・ #1103 Type A

・ #1103 Type B

α: 温度係数 [V/℃]β:0℃ のときの V0　[V]

Gain の結果

V0 は温度に対し線形に依存し、

Capacitance は温度に依存しない。#1103 Type A #1103 Type B

α 0.053±　0.001　V/℃

0.051　±　0.001　V/℃

β 72.82　±　0.02　V 72.88　±　0.02　V Temperature[℃]

Capacitance[fF

]V

0 [V

]

Temperature[℃]

7

NoiseRate の測定方法ノイズ：主に熱による電子・正孔対発生によって起こる。　　

　　　　 0.5p.e. 以上の信号をノイズとした。

-ｐ

＋＋ｎ

＋ｐ＋ｐ

.).5.0(

.).5.1(

epVtsscalercoun

epVtsscalercounP

th

thcrosstalk

322

1

2

)30(p

p

pVerfc

ppVtScalerCoun th

th

dttxerfcx

2exp2

Threshold Curve

1.5　p.e.0.5　p.e.

Vth [mV]

Sca

ler

coun

ts

2p.e. 以上の信号はノイズ発生に伴うクロストークによるもの

8

Noise Rate の補正Noise Rate が高いとき Discriminator のDead Time を考慮しなくてはならない。

m

mn

1

n　=　true　valuem　=　observed　valueτ=　output　pulse　width　(25ns)

]exp[:

])exp[1(:..2

nTnAnCrossTalk

nTnAepAccidental

n　=　avg　of　noise　

rate　T　=　pulse　width　(4ns).).5.0(

.).5.1(

epVn

AepVnP

th

thcrosstalk

Noise Rate が高いとき MPPC のシグナルが偶然同時に発生することがある

9

NoiseRate(0.5p.e.) の結果Type ASample

#1102

Sample

#1103

NoiseRate(0.5p.e.) は温度が上がると増加する。

・ 25

・ 30

・ 40

・ 50

・ 60

Type B

No

ise

Ra

te [M

Hz]

OverVoltage [V]

10

Type A Type B・ 25

・ 30

・ 40

・ 50

・ 60

Cross-Talk Probability.).5.0(

.).5.1(

epVn

AepVnP

th

thcrosstalk

Cross-Talk Probability は温度に依存しない。

Sample

#1102

Sample

#1103

OverVoltage [V]

Cro

ssta

lk P

rob

[%]

11

長期安定性試験

○○温度測定値なし

定期測定停電

Sample #1102

Circuit Type A

Sample #1103

Circuit Type B

T ～　 85 ℃ , ⊿V ～　 3 V

45.4 倍加速 (10 年分相当 )

Leakage Current が徐々に上昇している。Time[Day

]

Time[Day]

○ ○○ ○

?!

○

12

長期安定性試験

Sample #1102 Circuit Type A

Sample #1103 Circuit Type B

1102 が上昇したのに対し、 1103 は下降した。Time[Day

]

Time[Day]

?!

○○温度測定値なし

定期測定停電

○ ○○ ○ ○

13

定期測定（ Gain ）

Gain は ILD の要求値を満たす。

・ #1102

・ #1103・ 0 days

・ 14 days

・ 28 days

・ 42 days

・ 56 days

・ 70 days

・ 84 days ○ 　#1102

□ 　#1103

)( 0VVe

CGain bias

(V0: ガイガーモード開始電圧 )

Ga

in (

10

5)

Vbias [V]

Time[Day]

V0 [V

]Capacitance[fF

]

Time[Day]

14

定期測定（ NoiseRate ）Sample #1102 Sample#1103

NoiseRate も ILD の要求値を満たす。OverV [V]

Cro

ssta

lk P

rob

[%]

No

ise

Ra

te [k

Hz]

OverV [V]

V0: ガイガーモード開始電圧Over　Voltage　=　|Vbias　-　V0|

・ 0 days

・ 14 days

・ 28 days

・ 42 days

・ 56 days

・ 70 days

・ 84 days

15

ここまでのまとめ• 高温での MPPC 温度依存性を測定した。 - V0 は温度に対して線形に変化する。 ( ～ 0.05 V/℃)

- Capacitance ,Cross-Talk Probability は温度に依存しない。• 温度加速による長期安定性を測定した。　 - 85℃ で 84 日間 (10 年分相当 ) では故障しない。

目的• 温度加速によって得られた Current の理解には MPPC

が 25℃ でどのような変化をするのか調べる必要がある。

• 25℃,Over V = 3V で Leakage Current の測定を行う。

方法

count

capacitance[fF] V0 [V]

count

Other Sample’s Performance(Gain)

ILC の要求を十分満たしている。

count

Gain (105)

@ Over V = 3V

)( 0VVe

CGain bias

16

17

ILC の要求を満たさない。

Interpolation

@ Over V = 3V

Other Sample’s Performance(Noise)

Leakage Current

18

T ～　 25 ℃ , ⊿V ～　 3 V

Sample #1089

Circuit Type A

ー 定期測定

Discriminator 故障電圧は印加した状態

?!

指数関数的に減少している。

定期測定によるデータの断絶は十分に小さい ( ～ 4h/ 回 )

Leakage Current

19

T ～　 25 ℃ , ⊿V ～　 3 V

Sample #1089

Circuit Type A

（１時間平均）

2]1

exp[0)( pp

tptCurrent

時定数は 28 日程度 , 定数項は 28nA 程度。

20

定期測定 (Gain)

Gain に大きな変化は見られなかった。

)( 0VVe

CGain bias

Time[Day]

V0 [V

]Capacitance[fF

]

Time[Day]

ttV )(0

ttC )(

V0 C

α 0.000±　0.001　V/t 　-0.003±　0.006　fF/t

β 74.242　±　0.021　V 24.896　±　0.175　fF/t

・ 0 days

・ 14 days

・ 28 days

・ 42 days

Sample #1089

Circuit Type A 　 T = 25 ℃

21

定期測定 (Noise Rate)

・ 0 days

・ 14 days

・ 28 days

・ 42 days

・ 0 days

・ 14 days

・ 28 days

・ 42 days

0 days 14 days 28 days 42 days

Ical [nA] 95± 1 68 ± 1 53 ± 1 42 ± 1

Iexp [nA] 99 ± 1 69 ± 1 53 ± 1 42 ± 1

)1( robCrossTalkPNoiseRateGaineIcal

Leakage Current の変化は Noise Rate の減少が原因。Noise Rate の減少は現在調査中

※Iexp は 1h の平均をとった

22

加熱試験結果

Gain は変わらず、 Noise Rate は減少した。

・ Before

・ AfterSample #1090

Circuit Type A 　 T = 25 ℃

電圧を印加せずに 85℃ で加熱試験を 28 日間行った

・ Before

・ After

・ Before

・ After

New Sample’s Performance

count

V0 [V]capacitance[fF]

count

Gain (105)

count

ILC の要求を十分満たしている。

)( 0VVe

CGain bias

@ Over V = 3V

24

Noise Rate

ILC の要求を十分満たしている。

Interpolation

@ Over V = 3V

Leakage Current (new sample)

25

T ～　 25 ℃ , ⊿V ～　 3 V

Sample #9235

Circuit Type A

電圧は安定して供給されている。

Leakage Current

26

T ～　 25 ℃ , ⊿V ～　 3 V

Sample #9235

Circuit Type A

（１時間平均 ）

Leakage Current は変化しなかった。

10)( ptptCurrent

27

まとめ• 25℃ において MPPC の基礎特性を測定した。　 - Gain において ILC の要求を十分に満たしていた。　 - new sample に関して Noise Rate は ILC の要求を満たした。

• Old Sample で Leakage Current を 50 日間測定した。　 - 50 日間で Current が指数関数的に減少した。

（時定数 28 日　 , 定数項 28nA ）• Old Sample を 28 日間 85℃ に加熱した。　 - Noise Rate が加熱前の半分まで減少した。

• New Sample で Leakage Current を 8 日間測定した。　 - 8 日間で Current は変化しなかった。

28

教えて頂いたこと• 旧サンプル出荷時のデータシート　 - データを頂きました。（ Back Up 参照）

• 新旧のサンプルでの Capacitance の違いの理由　 - 厚さが違う。　 これはウェハ購入時に ±10% のばらつきがあるため。　　 Rq も同様の理由から ±20% のばらつきがある。

• 活性化エネルギー Ea の値 　 - 浜ホトでは Ea = 0.7 [eV] を使用している。 　 どのように測定したかは不明だが、　 浜松ホトも温度 60℃,湿度 90% で　 1000h （２年分相当）の耐久テストを行っている。

29

議論したこと• 温度加速試験サンプルの Current が二成分になる原因　 - 不明

• Leakage Current のシフトと急激な減少の原因　 - 85℃ の高温に晒され、熱膨張を起こす。このとき、絶縁体などの界面で膨張率が異なるためボンディング等の接触が悪くなり断線状態となると考えられる。

　 定期測定で観測できないのは 25℃ では元の状態に戻ってしまうためと考えられる。

• 旧サンプルの Noise Rate が増加した原因　 - 不明。 #1000番台では製造法が確立しておらず、　　何が起こっていても不思議ではない。

Back UP

30

31

データシート型名 Serial　No. Vop[V] Gain dark(0.5thr)[kcps] dark(1.5thr)[kcps]

S10362-11-025MK 1076 75.85 2.75E+05 318 2

S10362-11-025MK 1077 75.82 2.75E+05 294 2.1

S10362-11-025MK 1078 75.87 2.75E+05 316 2.1

S10362-11-025MK 1079 75.86 2.76E+05 304 0.6

S10362-11-025MK 1080 75.86 2.75E+05 335 2.5

S10362-11-025MK 1081 76.37 2.75E+05 376 3

S10362-11-025MK 1082 76.32 2.75E+05 377 3.3

S10362-11-025MK 1083 76.26 2.75E+05 349 3

S10362-11-025MK 1084 76.36 2.76E+05 336 2.7

S10362-11-025MK 1086 76.29 2.76E+05 335 3

S10362-11-025MK 1087 76.28 2.76E+05 365 3.2

S10362-11-025MK 1088 76.25 2.75E+05 348 3

S10362-11-025MK 1089 76.33 2.75E+05 327 2.4

S10362-11-025MK 1090 76.26 2.75E+05 343 2.8

S10362-11-025MK 1091 76.32 2.74E+05 334 3.2

S10362-11-025MK 1092 76.35 2.75E+05 322 2.8

S10362-11-025MK 1093 76.29 2.75E+05 339 2.2

S10362-11-025MK 1094 76.34 2.75E+05 350 2.8

S10362-11-025MK 1095 76.27 2.76E+05 315 2.8

S10362-11-025MK 1096 76.32 2.76E+05 308 2.7

S10362-11-025MK 1097 76.25 2.75E+05 315 1.5

S10362-11-025MK 1098 76.26 2.74E+05 311 3.2

S10362-11-025MK 1099 76.22 2.76E+05 273 2.8

S10362-11-025MK 1100 76.24 2.75E+05 307 2.7

S10362-11-025MK 1101 76.29 2.76E+05 287 1.5

S10362-11-025MK 1102 76.2 2.74E+05 301 2.5

S10362-11-025MK 1103 76.28 2.76E+05 281 2.6

32

#1089　　Type　A　,　T　=　25℃　V0

　　　74.259　±　0.027　VCapacitance　　　24.845　±　0.220　fF

)( 0VVe

CGain bias

V0: ガイガーモード開始電圧Over　Voltage　=　|Vbias　-　V0|

GainNo.1089Circuit Type AT = 25 ℃

33

Noise Rate

No1102,1103 に比べ、Noise Rate が非常に高い ( ～ 3,4 倍 ) 。

No.1089Circuit Type AT = 25 ℃

0 day

2

2

2

2

2

2

82

7exp6

52

4exp3

22

1exp0

p

pxp

p

pxp

p

pxp

34

No.1089Circuit Type AT = 25 ℃Over V ～ 3 V

Scaler counts

Vth [mV]

322

1

2

)30(p

p

pVerfc

ppVtScalerCoun th

th

14 days

35

No.1089Circuit Type AT = 25 ℃Over V ～ 3 V

Vth [mV]

Scaler counts

28 days

36

No.1089Circuit Type AT = 25 ℃Over V ～ 3 V

Vth [mV]

Scaler counts

42 days

37

No.1089Circuit Type AT = 25 ℃Over V ～ 3 V

Vth [mV]

Scaler counts

49 days

38

No.1089Circuit Type AT = 25 ℃Over V ～ 3 V

Vth [mV]

Scaler counts

Candidate

• Random telegraph signals

　 - Current が２成分に分離する（原因は未だ不明）

39

• マイクロクラック現象　 - 経年変化（クラックの成長）でノイズの発

生源が増加し、 Current が増加する。　 （クラックが発生しても当初は電気的には異状が認められな

い。しかし、クラックを介して腐食性イオンが侵入することにより、チップ内の回路が腐食・破壊する。）

（確認が困難）

40

ILC実験

目的：ヒッグス粒子の精密測定 , 超対称性粒子などの標準理論を超える物理の探索

ILC(International Linear Collider)　電子・陽電子衝突型線形加速器　 - 全長：約 31km　　 - 重心系エネルギー： 0.5 ～ 1TeV

ILD は ILC の検出器案の 1つILD の構成は e+e-衝突点を中心に内側から •　 崩壊点検出器

•　 シリコン飛跡検出器•　 中央飛跡検出器•　 電磁カロリメータ•　 ハドロンカロリメータ•　 ソレノイドコイル•　 μ 粒子検出器

41

Slide Title

42

ILD カロリメータ

ILD カロリメータ・サンプリング型カロリメータ ・検出部：ストリップシンチレータ・吸収層：タングステン

•電磁カロリメータ

•吸収体： W

•吸収体タングステ

ン

特徴：カロリメータまでの半径を大きくとり、ジェット内の粒子エネルギーを個別に測定→ エネルギーの再構成の精度を向上

○チャンネル数 : ～１千万 ch

○３ .5T の磁場中に置かれる 従来の PMT は ILD に使えない。ILD カロリメータに適した新しい光検出器が必要

43

MPPC

43

• Multi-Pixel　Photon　Counter　(MPPC)ガイガーモード APD(Avalanche　Photo　Diode) を ２次元に並列接続した構造。各ピクセルの信号和を読み出す半導体光検出器1pix が hit したとき 1p.e. 相当の信号を出す。( ガイガー増幅はクェンチ抵抗により終結させる )コンパクトで磁場の影響を受けにくく、安価である

biasV

25μmクェンチ抵抗

Al Wire

Quenching＋ｐ-ｐ

＋＋ｎ

resistor

ピクセル拡大写真

2 p.e.

3 p.e.

1 p.e.

(p.e.:photoelectron)

V0: ガイガーモード開始電圧Over　Voltage　=　|Vbias　-　V0|

44

原理（Ⅱ）

アレニウスモデルを用いた温度加速

121

2 11exp

TTk

E

L

LK

B

a

K ：温度加速定数L 1 ：通常動作時の寿命L 2 ：温度加速時の寿命T 1 ：通常動作温度 [K]T 2 ：温度加速時温度 [K]k B ：ボルツマン定数 [eV/K]E a ：活性化エネルギー[eV]

温度 [℃] 35 60 80 85 100

温度加速定数 2 11 35 45 97

※活性化エネルギーを 0.585 eV 通常動作温度を 25 ℃ と仮定

45

46

Slide TitleType A Type B

MPPC

Pulse

shape

average

Peak が変形している。ケーブルの長さを変えたりターミネートをしても変化しなかった

47

Gain

Type A Type B

Sample

#1102

Sample

#1103

・ 25

・ 30

・ 40

・ 50

・ 60

)( 0VVe

CGain bias

48

Noise Rate の Set Up

Clock

GeneratorGate Generator

Width 0.5s

Voltage

source

Discriminator

Thermostatic

chamber(25℃)

MPPC AMP×63×10

Coincidence

25ns

Vth

1HzPC

Scaler

GPIB

CAMAC

10MHz

Discriminator

Digital

Multi Meter

ECL

to

NIM

20ns

hoge

Noise

RS232C

25ns

49

Dead time correction

]exp[11

nnmn

nm

n　=　true　valuem　=　observed　valueτ=　output　pulse　width　(15ns)

ー

ー

←1MHz で 2% 程度の補正を受ける。

3MHz 程度までなら 2 つの補正で違いはない。

50

NoiseRate 補正前後Type A

Sample

#1102

Sample

#1103

●　補正前

□ 　補正後

NoiseRate(0.5p.e.) は温度が上がると増加する。

Type B・ 25

・ 30

・ 40

・ 50

・ 60

51

#1103Type A

・ 25

・ 30

・ 40

・ 50

・ 60

52

NoiseRate(1.5p.e.) の結果

Type A

Sample

#1102

Sample

#1103

・ 25

・ 30

・ 40

・ 50

・ 60

NoiseRate(1.5p.e.) も温度が上がると増加する。

●　補正前□ 　デッドタイム補正後△　アクシデンタル補正後

Type B