SLHC 実験に用いる高放射線耐性 P 型シリコンマイクロストリップセンサーの開発

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SLHCSLHC 実験に用いる実験に用いる高放射線耐性高放射線耐性 PP 型シリコン型シリコンマイクロストリップセンサーの開マイクロストリップセンサーの開発発

2010 春季大会　物理学会

金信弘 , 原和彦 , 濱崎奈都美 , 三井真吾 , 山田美帆 ( 筑波大 )池上陽一 , 海野義信 , 高力孝 , 寺田進 (KEK)高嶋隆一 ( 京都教育大 ), 花垣和則 ( 阪大 ), 中野逸夫 ( 岡山大 )他アトラス SCT グループ

筑波大学　高橋　優

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Super LHCSuper LHC でのシリコン検出でのシリコン検出器器

LHC のアップグレード計画（ 2018 年頃）瞬間最高ルミノシティ　 1×1035cm-2s-1 　（ LHC の 10倍）

・ＬＨＣ加速器の検出器の一つである ATLAS の内部飛跡検出器を　すべてシリコン検出器にする・現行の SCT シリコン検出器は、より放射線耐性が優れたものと交換

本研究の目的

★放射線耐性のあるセンサーを設計する★ １ｃｍ２のテストセンサーを陽子や中性子照射して耐性を測定する

SCT 領域では最大 1×1015 1‐MeV neq/cm2 の放射線量が見込まれる　　　荷電粒子：中性子～ 1:1 （衝突点近く）～ 1:5 （ R~1 m ）

sLHC 実験

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シリコン検出器の放射線損傷シリコン検出器の放射線損傷

現 SCT 放射線量 2×1014 1-MeV neq/cm2 (LHC10 年分 ) で全空乏化電圧はＳＣＴの最高運転電圧の 500V に達する放射線量が１桁上がる sLHC では同様の設計のものは使用できない

　　 N+

P+

n-bulk

空乏層

SiO2p+

n+

現 SCT p+-on-n センサー

照射によりp 型に変換

n+空乏層

p-bulk

SiO2p+

信号を分離して読むには全空乏化する必要あり！全空乏化電圧が SCT の耐圧 ( ５００ V) を超えると p ＋ -on-n は使えない

n+-on-p センサーn +

p-bulk

空乏層

p+

型反転しないので、常にストリップ面から空乏化する。耐圧を超えたら、部分空乏状態で作動させる。信号量は減少するが、ストリップ長を短くする（現行 12cm→ 2.4cm ）のでアンプのノイズも低減できる。

sLHC

44

N+ N+

p-bulk


pp 型シリコン検出器の開発型シリコン検出器の開発p 型センサーの問題点：酸化膜 SiO2 にホールが蓄積され、可動性の電子層が　　　　　　　　　　　　　　　 Si 界面に蓄積しやすい⇒電極間の信号分離が劣化

解決策p-stop や p-spray電子の移動を遮断し、ストリップ間が電気的につながるのを防ぐ

評価項目（陽子、中性子照射に対して）

p-sprayp-stop

N+ N+

p-bulk

上述の理由から p 型バルクは今までシリコン検出器に用いられていなかった• Ｐ型バルクがＮ型と同等の性能（暗電流の増加など）を示すか• バルク容量 (C-V), 電荷収集量 (CC-V) 　：収集電荷量が十分か、

　　　　　　全空乏化電圧がどの程度変化するかの評価• ストリップ間抵抗 (Rint) ：ストリップ間が電気的に分離しているかの評価• パンチスルー（ PTP) ：大電流発生時に絶縁膜保護が機能するかの評価

ホール

N+ N+p-bulk

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照射用サンプル

適正な電極分離構造と濃度を探る

電極分離構造濃度電極分離構造濃度

p-stop : 不純物濃度　　　　　 4　 × 1012 /cm2

10 × 1012 /cm2

20 × 1012 /cm2

p-spray : 不純物濃度 2×1012 /cm2

P-stop & P-spray : 不純物濃度　 (2+8)×1012 /cm2

電極分離構造電極分離構造ZONE1: P-stop なしZONE2:

ZONE3:

ZONE4 ： P-stop は ZONE3 と同じ PTP の構造 (A,B,C,D) が入るZONE6 ： P-stop は ZONE3 と同じストリップピッチが 100μm

p-bulk

N+N+

p-bulk

N+ N+

p-stop

74.5μm

p-stop

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陽子線・中性子照射

陽子線照射2009 年 6 月　＠東北大学 CYRIC

中性子照射

2009 年 8 月　＠スロベニアの Ljubljana 原子炉

放射線量： (0.14, 1.2, 60, 120) x10 １３ 1-MeV neq/cm2

放射線量： (0.1, 1. ０ , 50, 100) x10 １３ 1-MeV neq/cm2

陽子線照射と中性子照射による損傷の違いを探るために 2 つの照射において照射線量を近くした

以降、放射線量は、すべて 1MeV の neutron 換算値を用いる

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C-V,C-V, Rint-VRint-V 測測定定

バイアス抵抗（約 1.5MΩ ）C - V

Rint

C-V:静電容量を LCRメータで測定Rint: ストリップにテスト電圧を 0V, ±0.5V , ±1V かけて両側の　　　　ストリップに発生する電流を測定


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読み出しは 6本。両端 2 本をまとめ、 4ch の電荷量を ADC で測定した。 1 fC≒186 ADC countsトリガーは、約 20 Hzピーキングタイムは 20ns (SCT とほぼ同じ )

β 線による収集電荷量（ｃｃ）測定

Srβ線 ( 最大 2.3 MeV) は、最小電離粒子 (MIP)相当であり、 320 μm のシリコンセンサーでは 3.2 fC程度の信号となる。

ch2

ch3

ゲート

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(NA= アクセプタ密度　 ND= ドナー密度　ε= シリコン誘電率　 V=バイアス電圧　e=素電荷　 S=表面積 )

全空乏化電圧の評価全空乏化電圧の評価


C-V 測定 CC-V 測定

Full Depletion Voltage

Cha

rge2

[fC

2 ]

Vbias [V]

収集電荷量は空乏層の厚さ d に比例する。

1010


　　　　全空乏化電圧　　　　全空乏化電圧

C-V 測定陽子： 732±78V （サンプル数：８２個）中性子： 1140±72V （サンプル数：３９個）

1.0×1015 1-MeV neq/cm2 　程度で… CC-V 測定

陽子： 721±13 V （サンプル数：８２個）中性子： 1000V以上（サンプル数：３９個）

全空乏化電圧の変化は中性子照射による方が大きい500V の電圧では、部分空乏化で運転する可能性が高い

1111

ストリップ間抵抗（ストリップ間抵抗（ RintRint ）＠）＠300V300V

陽子照射の方が中性子照射よりもストリップ間抵抗の減少が大きい（酸化膜への電荷蓄積が大きい）が、バイアス抵抗（ 1.5MΩ程度）より十分大きくストリップ間分離は達成されている。 p-stop構造による大きな違いは見られない。

陽子中性子


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Punch Through Punch Through ProtectionProtection （（ PTPPTP ））

＝ビームロスなどで過大電流が発生しインプラント電圧が大きく変動した場合に＝ビームロスなどで過大電流が発生しインプラント電圧が大きく変動した場合にPTPT により、バイアスリングに電流を逃す機構で絶縁膜の破壊を防ぐ。により、バイアスリングに電流を逃す機構で絶縁膜の破壊を防ぐ。

　　　　絶縁膜の耐圧である　　　　絶縁膜の耐圧である -100V-100V以下での達成が求められる以下での達成が求められる　　

PT 達成電圧の定義中心値： 50%Rbias

幅： 10%Rbias ～90%Rbias2010 春季大会　物理学会

測定測定VtestVtest をを 100V100V からから -100V-100V まで変化まで変化させ、させ、DCDCパッドパッド -- バイアスリング間の抵抗値バイアスリング間の抵抗値を測定を測定

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PTP 測定

1. PTP の中心値は、陽子、中性子照射によらず、電極分離濃度に依存する。

2. 中性子照射したサンプルは 10% Rbias に達しやすい ( 蓄積電荷が少ないため )

3. 構造 A タイプ ( 右図 ) のものが 10% Rbias に達しやすい

　　バイアス抵抗が strip-island 間の p-stop 電位を抑え込んでいるため

1×1015 1-MeV neq/cm2 5×1014 1-MeV neq/cm2

陽子陽子中性子中性子

1414


まとまとめめ

1cm×1cm のサンプルに 1×1015 1-MeV neq/cm2 までの中性子と陽子線を照射し p 型シリコンマイクロストリップセンサーの耐性を評価した。

全空乏化電圧： CC-V 測定と C-V 測定の結果はほぼ一致した。　　　　　　　　　全空乏化電圧の増加は中性子照射による方が大きい。

表面損傷（ Rint, PTP) は中性子の影響は小さいが、バルク部損傷（電荷収集効率、全空乏化電圧）はやや大きいことが分かった。いずれにしても、 p 型センサーは sLHC に使用できる。

ストリップ間抵抗（ Rint ）：照射によりストリップ間抵抗は減少するが十分高く　　　　　　　　　ストリップ間分離は達成される。中性子照射による減少は少ない。PTP ：　中性子照射したサンプルは 10％ Rbias に達しやすい。　　　　　目標とする 100V より十分小さな電圧で PT が達成できる。電荷収集効率（詳細は割愛）：照射量 1×1015 n/cm2 において、バイアス 500V 　陽子照射： 0.57±0.01 　中性子照射： 0.42±0.03電荷収集効率が >0.3以上なので、 S/N>10 が達成できる

1515


Back up

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SCTSCT(Semiconductor (Semiconductor Tracker)Tracker)

•　　 O(10m) の分解能が得られる•　　高速 ( 数 ns)応答性•　　コンパクト


1717

シリコンマイクロストリップ型検出器の動作原理

1 　：　 pn接合に逆バイアスをかけ、空乏層（キャリアのない領域）を広げる2 　：　空乏層に電荷をもった粒子が入った際に、電子と正孔のペアが生成される　　　3 　：　電場によってキャリアが読み出しストリップ側へと移動する　　　誘起された電荷はアンプで読みだされる4 　：　アンプの信号から電極のピッチ（ 80m ）に対応した、位置情報がえられる

P 型


1818

LHCLHC で期待される照射で期待される照射量量

荷電粒子

中性子

衝突点から離れた所では中性子の寄与が大きい2010 春季大会　物理学会

1919

I I –– V V 測定測定

マイクロ放電（ MD ）局所的な高電場によって電子雪崩が発生し急激に電流が増大する。 p-stop, p-spray のような構造が入ると起こりやすい。

高放射量で MD は見られなかった低照射量での電流の増加は MD ではなく表面電流によるものと考えられる

ＭＤ


2020

損傷係数の評価損傷係数の評価

12

2

1

2

1

2 11

2exp

)(

)(

TTk

E

T

T

TI

TI

][][/]/[]C20@[ 32o cmVcmcmAAI α ＝ 3.99±0.03 A/cm2010 春季大会　物理学会

2121

C C –– V V 測測定定

(NA= アクセプタ密度　 ND= ドナー密度　

ε= シリコン誘電率　

V=バイアス電圧　 e=素電荷　 S=表面積 )

中性子照射の照射による変化の割合の方が陽子線照射によるものより大きい1.0×1015 1-MeV neq/cm2 　程度で…

陽子： 732±78V （サンプル数：８２個）中性子： 1140±72V （サンプル数：３９個）


2222

Rint(150V)Rint(150V)


2323

Rint(300VRint(300V))


2424

ββ 線による収集電荷量測定線による収集電荷量測定


2525

電荷収集効率電荷収集効率β 線を入射し、 ADC で収集される電荷量を測定

Charge Collection Efficiency @500V

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.1 1 10 100 1000Fluence [×10̂ 13 n/ cm̂ 2]

CC

E

陽子照射中性子照射

Charge Collection Efficiency @800V

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.1 1 10 100 1000Fluence [×1013 n/ cm2]

CC

E

陽子照射中性子照射

1×1015 n/cm において、バイアス 500V 　陽子照射： 0.57±0.01 　中性子照射： 0.42±0.03バイアス 800V 　陽子照射： 0.67±0.01 　中性子照射： 0.64±0.02エレクトロニクスのノイズにより S/N>10 には、電荷収集効率が 0.3以上あればよい 2010 春季大会　物理学会

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PTP構造

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SLHC 実験に用いる 高放射線耐性 P 型シリコン マイクロストリップセンサーの開発

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