Transcript Detectores de Silicio Sometidos a Altas Dosis de

Detectores de Silicio Resistentes
a Altas Dosis de Radiación
Vicente Lacuesta (*)
Mercedes Miñano
IFIC (València)
XXXI Reunión Bienal de la RSEF
Índice






Introducción
Detectores de silicio
Efectos de la radiación
Detectores y montaje experimental
Medidas de los detectores
Conclusiones
Índice






Introducción
Detectores de silicio
Efectos de la radiación
Detectores y montaje experimental
Medidas de los detectores
Conclusiones
LHC



Acelerador de partículas situado en el
CERN.
Dos anillos con una longitud de 27km.
Colisión de dos haces de:








Protones guiados mediante un campo
magnético de 8.33 T
1296 dipolos magnéticos
Tubos refrigerados a 1.9 K
Luminosidad de 1034 cm−2 s−1
Cada haz compuesto por 2835
paquetes
Cada paquete:




protones con energía de 7 TeV
iones pesados con energía 1.25 TeV
1011 partículas
7.5 cm de longitud
Separados por 7.48m (25 ns)
Colisiones cada 25 ns (40 MHz)
Experimentos del LHC

ATLAS: Detector de propósito general.






CMS: Detector de propósito general.




Cámaras de muones.
Calorímetro hadrónico.
Calorímetro electromagnético.
Sistema de reconstrucción de trazas
formado por detectores de silicio y tubos
de deriva.
Sistema de imanes solenoidales y
toroidales
Consta de los mismos subdetectores que
el anterior.
LHCb: Estudio de la física de los
hadrones tipo B.
ALICE: Estudio de colisiones de iones
pesados y plasma quark-glúon.
TOTEM: Secciones eficaces totales,
dispersiones elásticas y procesos
difractivos (integrado en el CMS).
Experimentos del LHC
ATLAS
CMS
LHCb
ALICE
Todos ellos utilizan sistemas de reconstrucción de trazas de silicio.
sLHC





La operación estándar de LHC es:
3 años a 1033 cm-2 s-1 seguida de 7
años a 1034 cm-2s-1, posiblemente
2.3x1034 cm-2s-1.
Hacia 2015 algunos componentes
de LHC de la zona de interacción
alcanzarán su límite de tolerancia
a la radiación.
Si el programa de física lo requiere
se necesitará una actualización de
LHC para poder seguir tomando
datos.
La actualización de LHC considera
un aumento de la luminosidad a
1035 cm-2s-1.
El número de colisiones por cruce
de haz será de alrededor de 400 o
más.
Actualización de ATLAS





Un orden de magnitud más de
radiación.
Una mayor ocupancia en los
detectores. ~10000 partículas
cargadas por suceso en |η| ≤ 3.2
Se tendrá que sustituir todo el Inner
Detector actual (Pixels+SCT+TRT)
por un nuevo detector con alrededor
de 200 m2 de silicio resistente a la
radiación.
El nuevo detector debe de ocupar el
mismo volumen que el actual y
utilizar los servicios ya instalados
(fuentes de alimentación, cables,
etc.).
El desarrollo de un detector de este
tipo necesita del orden de 10 años
de I+D.
Dosis en el LHC
Dosis en el sLHC
Índice






Introducción
Detectores de silicio
Efectos de la radiación
Detectores y montaje experimental
Medidas de los detectores
Conclusiones
Principio de detección
p
I
n
+V
t




Un detector de silicio es una unión P-N.
Al pasar la partícula, ésta pierde energía por ionización y genera
pares electrón-hueco que se separan debido al campo eléctrico
en la zona desertizada.
La carga se recoge como pulsos de corriente.
Se integra en el tiempo todo el pulso para obtener la carga
depositada.
Propiedades de los detectores

Corriente de fugas:




Los electrones pueden saltar a la banda de conducción debido a
excitación térmica.
Son arrastrados por el campo eléctrico creando una corriente.
Aumenta fuertemente con la temperatura.
Anchura de la zona desertizada:

Depende del voltaje externo aplicado y de las caracteristicas del
detector.

2 SiVext
qN eff
Q
 V
Zona
desertizada
Propiedades de los detectores

Voltaje de desertización completa:




Voltaje de ruptura:



Voltaje en el cual la anchura de la zona de desertización es la del detector.
Depende principalmente de la concentración efectiva de dopantes.
Viene dado por:
2
q0
VFD 
Neff
2 Si
Al superarse el voltaje de ruptura la corriente por el detector aumenta
bruscamente.
Depende del diseño y del proceso de fabricación.
Eficiencia de recolección de carga:

La carga recogida es proporcional a la anchura de la zona de
desertización.
CCE 
Q 
V


,V  VFD
Q0 0
VFD
Detector de micro-bandas de
tipo p
Lectura
Óxido
Metal
Implante n
300
μm
Unión p-n
Zona
desertizada
Sustrato p
Implante p+
Metal
Alimentación (-V)
Índice






Introducción
Detectores de silicio
Efectos de la radiación
Detectores y montaje experimental
Medidas de los detectores
Conclusiones
Efectos de la radiación

Daños en la
superficie:

Se crean pares en la
capa de óxido y los
electrones se quedan
atrapados pudiendo
producir cortocircuitos
Técnicas de
aislamiento:

Solución


p-spray
p-spray
moderado
p-stop
Efectos de la radiación

Daños en el sustrato:

Las partículas
colisionan con los
átomos
desplazándolos de su
posición
Hipótesis NIEL
(Non Ionizing Energy
Loss)
El daño producido por
desplazamiento solo
depende del tipo de
partícula y energía
PKA
Fluencia equivalente a neutrones de 1MeV
Tipos de defectos
Vacante
Impureza
intersticial
Silicio intersticial
Defecto
Frenkel


Impureza susticional
Divacante
La radiación reduce el numero de donantes y crea mas estados
aceptores → Modifica la densidad efectiva de dopantes (Neff)
Estos defectos pueden evolucionar con el paso del tiempo debido
a la agitación térmica
Cambios en las propiedades
microscópicas

Concentración efectiva de dopantes:





Corriente de fugas:



La concentración efectiva de dopantes cambia en función de la
fluencia
En un detector de tipo p la concentración efectiva de dopantes
aumenta
También depende del tiempo transcurrido durante la irradiación y
tras la irradiación → annealing
El voltaje de desertización completa aumenta
La corriente de fugas aumenta con la dosis irradiada
Aumento del ruido → Necesidad de temperaturas mas bajas
Eficiencia de recolección de carga:


Trapping: nuevos niveles que atrapan h+ y eIncrementa el tiempo total de recolección de carga →
recolección de carga incompleta
Índice






Introducción
Detectores de silicio
Efectos de la radiación
Detectores y montaje experimental
Medidas de los detectores
Conclusiones
Detectores

Detectores:






Micro-bandas
Silicio FZ de tipo p
1x1 cm2
Aislamiento p-spray
Fabricados en el CNM - IMB
Irradiación



Neutrones
Reactor TRIGA Mark II, Eslovenia
Fluencias equivalentes a neutrones de 1 MeV:




1014cm-2
1015cm-2
2x1015 cm-2
1016 cm-2
Fluencia estimada en el LHC tras 10 años de operación
Fluencia estimada en el sLHC tras 10 años de operación
Caja de pruebas
Placa de soporte
Pad
central
Pistas de oro
Caja de pruebas
Placa de soporte + detector
El anillo de guarda
se conecta a una
pista → Tierra
El detector se pega
mediante un pegamento
conductor al pad →
Alimentación
Todos los canales se
conectan a una misma
pista → Lectura
Caja de pruebas
Sonda Pt 100
Conexión
a tierra
Conectores
LEMO
HV
CH1
CH2
CH3
Filtro pasa baja
Alimentación
Señal
Sistemas de adquisición
Para la obtención de la CCE utilizamos los dos siguientes sistemas
de adquisición:

Láser:

Ventajas:




Beta:

Ventajas:

Trigger periódico y rápido.
Señal grande (~200 mip).
Desventajas:


Necesidad de enfoque.
Necesidad de calibrado.

Recolección de carga
con partículas
equivalentes a 1 mip.
Desventajas:


Trigger lento y aleatorio.
Señal pequeña,
comparable al ruido .
Sistema de adquisición láser
Sistema de adquisición beta
90Sr
→ e- (~2 MeV)
Índice






Introducción
Detectores de silicio
Efectos de la radiación
Detectores y montaje experimental
Medidas de los detectores
Conclusiones
CCE de carga en un detector
no irradiado



Recolección de carga: 0 – 200 V
Vfd≈ 50V
Obtenemos la carga del detector
completamente desertizado
Q0 = 23270 ± 320 eDetector
completamente
desertizado
Q0
Q
 V
Zona
desertizada
ω0
CCE de detectores irradiados

Detectores:






Sin irradiar
1014 neq cm-2
1015 neq cm-2
2x1015 neq cm-2
1016 neq cm-2
Procedimiento:



Beta: medidas a varios
voltajes
Láser: barridos con un
paso de 50 o 100 V
Calibramos las
medidas láser con
varios puntos de
referencia medidos con
el setup beta
Annealing

Detector irradiado a 1015 neq cm-2
Annealing acelerado:


Cada minuto a 80ºC equivale a 5 días a 20ºC
Para cada intervalo de tiempo:



Beta: medidas a varios voltajes (300 y 400 V)
Láser: barridos hasta 800 V
Calibramos las medidas láser con los puntos de referencia medidos con el
setup beta
18
Q (Ke)

200V
16
300V
14
400V
12
500V
10
600V
700V
8
6
4
2
0
1
10
100
eq. days @ 20ºC
1000
10000
Índice






Introducción
Detectores de silicio
Efectos de la radiación
Detectores y montaje experimental
Medidas de los detectores
Conclusiones
Conclusiones





Se han testeado los detectores de micro-bandas de silicio para
estudiar su resistencia al daño causado por la radiación.
Tras realizar varias irradiaciones en detectores de silicio de tipo p
observamos como la recolección de carga disminuye con la dosis
irradiada aunque aún se siguen detectando partículas.
También podemos ver que al someter un detector a un proceso de
annealing, su recolección de carga disminuye con el paso del tiempo
hasta alcanzar un 30-50%.
Los detectores de tipo p podrían ser validos para el sLHC.
Se pretende realizar más estudios de irradiación y annealing con
varios tipos de detectores irradiados a diferentes dosis con protones
Tipos de detectores

N+ - P
n+

P+ - N
p
p+
 N+
-N
Velocidad de señal alta (e-)
Mayor resistencia a la radiación
Necesita implantes de aislamiento
Tipos de detectores

N+ - P
p+

P+ - N
p
n+
 N+
-N
Velocidad de señal baja (h+)
Sufre inversión de tipo a altas dosis
de radiación
Fabricación más simple
Tipos de detectores

N+ - P
n+

P+ - N
n
p+
 N+
-N
Fabricación muy compleja
Principios generales

Niveles de energía
e- → portadores
mayoritarios
e- → portadores
minoritarios
h+ → portadores
minoritarios
h+ → portadores
mayoritarios
Efectos de la radiación

Daños:


Superficie
Sustrato
Se crean pares en la
capa de óxido y se
quedan atrapados
pudiendo producir
cortocircuitos
Solución
Técnicas de
aislamiento:



Las partículas colisionan con
los átomos desplazándolos
de su posición
PKA
p-spray
p-spray
moderado
p-stop
Hipótesis NIEL
El daño producido por
desplazamiento solo
depende del tipo de
partícula y energía
Fluencia equivalente a neutrones de 1MeV