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SuperＬＨＣための 高放射線耐性ＳＣＴセンサーの開発 秦野 博光 原 和彦,目黒 立真,三井 真吾,望月 亜衣 (筑波大) 池上 陽一,海野 義信,高力 孝,寺田 進 (KEK) 他アトラスＳＣＴグループ 2008 第63回 日本物理学会 1 LHC（Large Hadron Collider）実験 • 陽子-陽子衝突型加速器 • 2008年・8月の実験開始に向 け、現在急ピッチで調整中 • 重心系エネルギー 14TeV • ルミノシティ 1034 cm-2s-1 実験の目的 Higgs粒子の探索や 新しい物理の発見 2016年頃を目処に、ルミノシティをさらに10倍にするSuperLHC計画 が検討されている 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、放射線耐性を上げたものと交換 2008 第63回 日本物理学会 2 シリコン検出器の放射線損傷 現SCT (p+-on-n)放射線耐性 ~ 2 x 1014 (1MeV-neq/cm2) ＬＨＣの１０年分で、システム耐圧に達する。 高放射線耐性p型ウェハー センサーの開発 N+-on-Pセンサー 現SCT（バルク型変換前） 空乏層 SiO2 空乏層 SiO2 N+ P-bulk P+ P+ N-bulk N+ 放射線を受けると SiO2 現SCT（バルク型変換後） 型反転せず、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 sLHC P-bulk P+ P-bulk 空乏層 N+ 型変換後は、全空乏化する必要がある。 現行 N-bulk 2008 第63回 日本物理学会 3 Ｐ型シリコン検出器の開発 前述の理由により、N型センサーは使えない P型センサーの問題点： （１）電子層がシリコン表面に蓄積しやすく電極分離劣化 (電極分離構造P-STOPやP-SPRAYが必要？) （２）高純度、少欠陥のP型シリコンが入手できなかった →Magnetic Czochralskiによる高純度ウェハー（ＭＣＺ） 高純度6”Float Zoneウェハー（ＦＺｐ） 2008 第63回 日本物理学会 酸化膜SiO2にプラスの電荷 がたまり、Ｐバルク部表面に 電子が引き寄せられ、スト リップ間が電気的に繋がっ てしまうのを防ぐ。 4 Ｐ型シリコン検出器テストサンプル 高放射線耐性p型ウェハーセンサーの開発のた めに、以下のようなテストサンプル（１ｃｍ２）を用 意し、東北大学のCYRICで陽子線（照射量１、２、 ５、１０、２０ｘ10１４ １MeV neq/cm2 ） を照射し実験を行った 一昨年作られたサンプル （シリコンウェハーサイズ４インチでつくられたもの） ４“ＦＺ、４”ＭＣＺ 去年作られたサンプル （６インチでつくられた） ６“ＦＺｐ、６”ＦＺ、６“ＭＣＺがある。 2008 第63回 日本物理学会 5 センサー特性の測定 I-V測定：マイクロ放電の発生（評価済み） Isolation：ストリップ間が電気的に分離しているか評価（評価済み） C-V測定：全空乏化電圧の評価（評価済み←要複数項目チェック） CCE測定：全空乏化電圧、収集電荷量の評価 マイクロ放電 電場が局所的に強くなると発生す る現象。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のような構造が加わると発 生しやすい。 2008 第63回 日本物理学会 6 今までの放射線試験で分かったこと ｓLHCでの放射線量２ｘ1015/cm2に対し以下の要求がある マイクロ放電の発生電圧は500Vを下回らないこと 1cm2のサンプルでは達成 Isolation達成電圧は500V（運転電圧）よりも低いこと すべてのサンプルで100V以下を達成 全空乏化電圧は500Ｖを大きく越えないこと C-V測定により、6” FZ では~500Ｖとなったが、6” MCZは~1kV CCE測定による追試 アニーリング効果 ＬＨＣ、nバルクでは分かっている pバルクでの測定が必要 今回の発表では ・レーザーを用いたＣＣＥ測定（全空乏化電圧の評価） ・アニーリング効果（ｎバルクセンサーとの違いはあるか） 2008 第63回 日本物理学会 7 レーザーによる収集電荷の測定（ＣＣＥ測定） laser head collimators focusing lens Gamp=5mV/fC amps パルスNd:YAG(1064nm)はSiの内部まで侵入する ので、通過する粒子に対する応答に近い信号を得 られる。図は1～10ｘ1015照射後の応答（Vb=1kV) XY-stage 2008 第63回 日本物理学会 8 CCE測定、全空乏化電圧 CCE測定(レーザーによる収集電荷) 最小値 中心値 最大値 収集電荷は空乏層の厚さに比例。収 集電荷の2乗はバイアス電圧に比例 し、全空乏化後は一定になる。 (NA=アクセプタ密度 ND=ドナー密度 ε=シリコン誘電率 V=逆バイアス電圧 e=素電荷 d=空乏層の厚さ) 全空乏化電圧の線量依存性 CCE測定による評価 6”FZサンプルは、CCE測定でも～500Vで全空乏化を達成 6”MCZサンプルは、C-V測定の結果と違うため追調査する 2008 第63回 日本物理学会 10 アニーリングによる 全空乏化電圧、不純物密度の変化 2×1014 1-MeV neq/cm2を照射した6” FZp、FZ、MCZサンプルを60℃に温めて 20000分までの全空乏化電圧の変化をCCE、C-V測定で評価した。 CCE測定 C-V測定 • FZ･MCZ共に約100分以降、逆アニーリング効果が見られた • n型ウエハーに似たアニーリング・逆アニーリング効果を示す • MCZ測定でC-V測定とCCE測定に大きな違いがみられるが、 nバルクで知られている結果と比較すると、絶対値こそ違うが、C-V 測定の方が信頼できるデータのように見える→β線で追調査 2008 第63回 日本物理学会 11 まとめ ｓLHCに使用できる高耐放射線性p型センサーを開発している • 6”ＦＺの全空乏化電圧は500Vを超えない。 • 電極分離も、～100Vで達成できる。 これらの結果、ｓLHC用センサー設計の目処がついたが、 実機サイズのセンサーに対するマイクロ放電発生が 最適な電極分離構造やウェハーの決定に重要。 • MCZのレーザーとLCRメータでの全空乏化電圧の違いは、 電子ビームやβ線による評価を計画している。 • p型ウエハーもn型ウエハーに似たアニーリング・逆アニーリン グ効果を示す事が分かった。 ＢＡＣＫ ＵＰ 2008 第63回 日本物理学会 13 基本情報 2008 第63回 日本物理学会 14 電荷収集曲線 2008 第63回 日本物理学会 15 マイクロストリップ型シリコン検出器 6ｃｍ 768ｃ ｈ SCT=SemiConductor Tracker 微細に加工した電極により、荷電粒子 の位置を精密に測定する • • • O(10mm)の分解能が得られる 高速(数ns)応答性 2008 第63回 コンパクト 日本物理学会 16 ＣＹＲＩＣでの陽子照射 サンプル サンプルボックス アルミ板でProfile ３２コースでのBEAM Profile サンプルボックスをスキャン 2008 第63回 日本物理学会 17 C-V測定・CCE測定 C-V測定(バルク電気容量－バイアス) CCE測定(レーザーによる収集電荷) 最小値 最小値 中心値 中心値 最大値 最大値 1/C2はバイアス電圧に比例し、全空 乏化後は一定になる。 収集電荷は空乏層の厚さに比例。収 集電荷の2乗はバイアス電圧に比例 し、全空乏化後は一定になる。 (NA=アクセプタ密度 ND=ドナー密度 ε=シリコン誘電率 V=逆バイアス電圧 e=素電荷 d=空乏層の厚さ) 電荷収集効率 300<Vb<500 放射線照射前と照射後の収集電荷量の比をBias300V～500Vの間で平均した。 •FZ_pureは照射直後に収集電荷量が増えたが、一時的に格子欠 陥が増えレーザーの透過割合が減少したためと考えられる。 2008 第63回 日本物理学会 19 全空乏化電圧の線量依存性 CCE測定による評価 Ｃ-Ｖ測定による評価 CV測定による評価 目盛や文字を大きく グラフの背景色は白 線で結ぶことはCCEの同様の扱い FZ1/2はFZp/FZに統一して 6”のMCZ以外はCCEとC-Vは似た傾向を示す（違いについては現在調査中） FZサンプルは、CCE測定でも500V以下で全空乏化を達成 2008 第63回 日本物理学会 20 ウェハー製造法 ウェハー製造法：２タイプ Floating Zone (FZ) 単結晶成長法 •比抵抗 4－8 k W・cm •低不純物濃度 Magnetic Czochralski (MCZ) 単結晶成長法 •比抵抗 ~1 k W・cm •酸素濃度豊富 (放射線耐性を向上させる効果がある) テストしたウェハーの種類（FZｐは 欠陥密度が少ない）：比抵抗 （kWcm） 2008 第63回 日本物理学会 21 Ｐ型シリコン検出器の開発 前述の理由により、N型センサーは使えない テストしたウェハーの種類（FZｐは 欠陥密度が少ない）：結晶方位と比 P型センサーの問題点： （１）電子層がシリコン表面に蓄積しやすく電極分離劣化 抵抗（kWcm） (電極分離構造P-STOPやP-SPRAYが必要？) （２）高純度、少欠陥のP型シリコンが入手できなかった →Magnetic Czochralskiによる高純度ウェハー 高純度6”Float Zoneウェハー P-STOPとP-SPRAYのイオン密度 (/cm2). P-SPRAYのみのサンプル はZ1 2008 第63回 日本物理学会 22 アニーリング・逆アニーリング効果 開発中のp型センサー用ウエハーに対してアニーリング・逆アニーリング特性の変 化を研究した。(特に逆アニ－リング特性は検出器の性能を劣化させないための 温度条件に対する情報を与える。) サンプル：2×1014 1-MeV neq/cm2 FZp、FZ、MCZの3種類。 測定：60℃に温めて20000分まで行った。 レーザーによる収集電荷測定(CCE)(～0℃) アニーリング:放射線によって生じた 格子欠陥が熱的な攪拌を受けて次 第にある程度整列してくために有効 不純物密度が減少する 逆アニーリング:欠陥格子が電気的 に中性になることで周囲の格子と相 互作用して新たな電気的に有効な 格子欠陥を形成していく 2008 第63回 日本物理学会 (By the RD48 collaboration)23 アニーリングによる 全空乏化電圧、不純物密度の変化 CCE測定 C-V測定 全空乏化電圧は不純物密度に比例する。 (Vfd=全空乏化電圧 Neff=不純物密度 εsi=シリコン誘電率 e=素電荷 d=バルクの厚さ) • FZ･MCZ共に約100分以降、逆アニーリング効果が見られた • n型ウエハーに似たアニーリング・逆アニーリング効果を示す 2008 第63回 日本物理学会 24 全空乏化電圧と不純物密度の変化 CCE測定 FZP FZ MCZ 2008 第63回 日本物理学会 25 全空乏化電圧の周波数依存性 FZpの周波数による全空乏化電圧の変化 full depletion voltage(V) 1200 1000 -400 -700 -1k -2k -5k -10k 800 600 400 200 －20℃ FZp －20℃ ＭＣＺ 0 0 5 10 15 fluence ×E14/cm^2 20 25 各サンプルで、周波数を変えて測定を行った が、レーザー測定の結果と一致することはな かった（通常は１kHzで測定）。 暗電流の影響を考え、－30℃での測定をし たが、これについても同様だった。 －30℃ ＭＣＺ 6”MCZには特有の問題がある 2008 第63回 日本物理学会 26 CDL30 1- CDL30 2- 4E+21 4E+21 4E+21 4E+21 3E+21 3E+21 3E+21 3E+21 2E+21 2E+21 2E+21 2E+21 1E+21 1E+21 5E+20 5E+20 0 0 0 200 400 600 800 1000 0 200 CDL30 54E+21 4E+21 4E+21 3E+21 3E+21 3E+21 3E+21 2E+21 2E+21 2E+21 2E+21 1E+21 1E+21 5E+20 5E+20 0 0 200 400 600 600 800 1000 800 1000 CDL30 10- 4E+21 0 400 800 1000 0 2008 第63回 日本物理学会 200 400 600 27