Transcript V - 筑波大学素粒子実験室

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
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
MONT BLANC
Lac Léman
CMS
Geneva Air Port
LHCb
ATLAS
約8.5km
ALICE
・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
⇒
14×1012 eV
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。
ATLAS 検出器
42m
・飛跡検出器
LAr EM
・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
・Tile HD
液体アルゴンカロリーメータ（Pb）
シンチレータタイルカロリーメータ
・ LAr HEC
・LAr FCal
ハドロンエンドキャップ（Cu）
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
Tile HD
LAr HEC
23m
・カロリーメータ
・LAr EM
LAr HEC
トリガー用チェンバー
ミューオン検出器
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
35
-2
ルミノシティをＬＨＣの１０倍 → １０ cm s
-1
にする計画
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
Al
SiO２
N＋
P-stop
N＋
P-bulk
P＋
Al
ATLAS SCT検出器
N-on-P型SCTモジュールの研究開発
motivation
Type 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
現段階での目的
・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。
Al
SiO２
PN+＋
P-stop
PN+＋
N-bulk
P-bulk
N＋
P
Al
samples
材質 • Wafer types → FZ1,FZ2,MCZ (3 types)
製法の違い
• P-stop structures
→ zone1～zone6(6 types)
形状 • P-stop/p-spray concentrations
→ P-spray, Low, High (3 types)
• Implant Depth → std, deep (2 types)
• Fluence
→ 5E14, 10E14, 20E14
SiO２
(1MeV n-eq/cm2) (3
P-stop
N＋
東北大学 CYRIC で 70MeV proton を照射
60度の恒温槽で80分間Annealing
P-bulk
Al
Al
types)
N＋
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
Typicalな
な
I-V
curve
curvecurve
Typical
なCV
Isolation
1.0E-09
FZW 3B 2_Z1
FZW 3B 2_Z2
FZW 3B 2_Z3
FZW 3B 2_Z4
FZW 3B 2_Z6
1.0E-10
FZ1 deep
pspray+pstop
for 5E14
T=20degC
1.0E-11
10
100
B ias (V)
1000
測定セットアップ
IV測定結果（waferの比較）
1.0E-07
1.0E-04
1.0E-04
1.0E-05
1.0E-05
1.0E-05
FZW 2B 1_Z1
1.0E-06
FZW 2B 1_Z2
FZW 2B 1_Z3
1.0E-07
FZW 2B 1_Z4
FZW 2B 1_Z5
1.0E-08
1.0E-08
FZ1 std
pspray+pstop
5E14
T=-20degC
1.0E-06
FZW 2B2_Z1
FZW 2B2_Z2
FZW 2B2_Z3
FZW 2B2_Z4
FZW 2B2_Z5
FZW 2B2_Z6
1.0E-07
1.0E-08
FZW 2B 1_Z6
200
400
600
B ias (V)
800
M C Z31B 1_Z1
M C Z32B 3_Z2
M C Z31B 2_Z3
M C Z31B 6_Z4
M C Z32B 4_Z5
M C Z32B 1_Z6
1.0E-04
MCZ
1.0E-06
200
800
1.0E-07
M C Z std
pspray+pstop
for 5E14
T=20degC
M CZ31B1_Z1
M CZ32B3_Z2
400 Bias (V)600
800
0
1000
800
1.0E-07
M CZ31B2_Z3
M CZ31B6_Z4
1.0E-08
M CZ32B4_Z5
200
400 Bias (V)600
800
1.0E-07
M C Z std
pspray+pstop
10E14
T=-20degC
1.0E-08
5E+14
1000
FZ1 std
pspray+pstop
20E14
T=-20degC
0
200
400
600
B ias (V)
800
1000
1.0E-04
1.0E-09
0
1.0E-07
1000
M C Z32B 5_Z1
M C Z31B 5_Z2
M C Z32B 6_Z3
M C Z31B 4_Z4
M C Z32B 3_Z5
M C Z32B 4_Z6
1.0E-06
M C Z std
pspray+pstop
5E14
T=-20degC
1.0E-09
200
400
600
Bias (V)
M CZ32B1_Z6
1.0E-09
0
200
1.0E-05
1.0E-05
FZW 2B 3_Z1
FZW 2B 3_Z3
FZW 2B 3_Z4
FZW 2B 2_Z5
FZW 2B 3_Z6
1.0E-09
0
1000
1.0E-06
1.0E-08
1.0E-04
1.0E-06
1.0E-08
400
600
B ias (V)
1.0E-04
L eakage (A )
Leakage (A )
1.0E-05
0
1000
L eakage (A )
0
FZ1 std
pspray+pstop
10E14
T=-20degC
1.0E-09
1.0E-09
1.0E-09
Leakage (A )
1.0E-06
1.0E-04
0
200
400
600
B ias (V )
800
10E+14
1.0E-05
L eakage (A )
Leakage (A )
1.0E-05
Leakage (A )
FZW 2B 1_Z1
FZ1 std
FZW 2B 1_Z2 pspray+pstop
FZW 2B 1_Z3 for 5E14
FZW 2B 1_Z4 T=20degC
FZW 2B 1_Z5
FZW 2B 1_Z6
Leakage (A )
FZ
1.0E-04
M CZ31B5_Z1
1.0E-06
M CZ32B4_Z2
1.0E-07
M CZ32B6_Z3
M CZ32B4_Z4
1.0E-08
M CZ31B4_Z6
M C Z std
pspray+pstop
20E14
T=-20degC
1.0E-09
1000
0
200
400 Bias (V)600
800
1000
20E+14
(1 MeV n-eq /cm2)
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？
シリコン検出器断面
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
I
①
V
I
②
V
I
③
V
IV測定結果
1.0E-07
1.0E-04
1.0E-04
1.0E-05
1.0E-05
1.0E-05
FZW 2B 1_Z1
1.0E-06
FZW 2B 1_Z2
FZW 2B 1_Z3
1.0E-07
FZW 2B 1_Z4
FZW 2B 1_Z5
1.0E-08
1.0E-08
FZ1 std
pspray+pstop
5E14
T=-20degC
1.0E-06
FZW 2B2_Z1
FZW 2B2_Z2
FZW 2B2_Z3
FZW 2B2_Z4
FZW 2B2_Z5
FZW 2B2_Z6
1.0E-07
1.0E-08
FZW 2B 1_Z6
200
400
600
B ias (V)
800
M C Z31B 1_Z1
M C Z32B 3_Z2
M C Z31B 2_Z3
M C Z31B 6_Z4
M C Z32B 4_Z5
M C Z32B 1_Z6
1.0E-04
MCZ
1.0E-06
200
800
1.0E-07
M C Z std
pspray+pstop
for 5E14
T=20degC
M CZ31B1_Z1
M CZ32B3_Z2
400 Bias (V)600
800
1000
800
1.0E-07
M CZ31B2_Z3
M CZ31B6_Z4
1.0E-08
M CZ32B4_Z5
200
400 Bias (V)600
800
1.0E-07
M C Z std
pspray+pstop
10E14
T=-20degC
1.0E-08
1000
0
5E+14
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
FZ1 std
pspray+pstop
20E14
T=-20degC
0
200
400
600
B ias (V)
800
1000
1.0E-04
1.0E-09
0
1.0E-07
1000
M C Z32B 5_Z1
M C Z31B 5_Z2
M C Z32B 6_Z3
M C Z31B 4_Z4
M C Z32B 3_Z5
M C Z32B 4_Z6
1.0E-06
M C Z std
pspray+pstop
5E14
T=-20degC
1.0E-09
200
400
600
Bias (V)
M CZ32B1_Z6
1.0E-09
0
200
1.0E-05
1.0E-05
FZW 2B 3_Z1
FZW 2B 3_Z3
FZW 2B 3_Z4
FZW 2B 2_Z5
FZW 2B 3_Z6
1.0E-09
0
1000
1.0E-06
1.0E-08
1.0E-04
1.0E-06
1.0E-08
400
600
B ias (V)
1.0E-04
L eakage (A )
Leakage (A )
1.0E-05
0
1000
L eakage (A )
0
FZ1 std
pspray+pstop
10E14
T=-20degC
1.0E-09
1.0E-09
1.0E-09
Leakage (A )
1.0E-06
1.0E-04
0
200
400
600
B ias (V )
800
10E+14
1.0E-05
L eakage (A )
Leakage (A )
1.0E-05
Leakage (A )
FZW 2B 1_Z1
FZ1 std
FZW 2B 1_Z2 pspray+pstop
FZW 2B 1_Z3 for 5E14
FZW 2B 1_Z4 T=20degC
FZW 2B 1_Z5
FZW 2B 1_Z6
Leakage (A )
FZ
1.0E-04
M CZ31B5_Z1
1.0E-06
M CZ32B4_Z2
1.0E-07
M CZ32B6_Z3
M CZ32B4_Z4
1.0E-08
M CZ31B4_Z6
M C Z std
pspray+pstop
20E14
T=-20degC
1.0E-09
1000
0
200
400 Bias (V)600
800
1000
20E+14
(1 MeV n-eq /cm2)
CV測定
V＜VFDにおいては
1
 d  2 n  eVbias
C
FZW 3B 1_Z1
FZW 3B 1_Z2
FZW 3B 1_Z3
FZW 3B 1_Z4
FZW 3B 1_Z5
FZW 3B 1_Z6
1.0E-10
A D P 5-5
FZ1 deep
pspray+pstop
5E14
T=-20degC
全空乏化電圧＝400V
4E+21
4E+21
y = 7E+18x - 6E+20
3E+21
1/C2
Capacitance(F)
C apacitance (F)
1.0E-09
3E+21
2E+21
y = 2E+21
2E+21
1E+21
1.0E-11
5E+20
10
100
B ias (V )
Bias(V)
1000
0
0
200
400
600
Bias(V)
800
1000
CV測定結果（waferの比較）
A D P 5-5
A D P 5-0
4E+21
4E+21
4E+21
4E+21
3E+21
3E+21
y = 8E+18x + 3E+19
3E+21
3E+21
2E+21
2E+21
y = 1E+21
2E+21
1E+21
5E+20
5E+20
0
0
0
200
400
600
800
4E+21
4E+21
4E+21
y = 7E+18x + 7E+19
3E+21
3E+21
3E+21
3E+21
2E+21
2E+21
y = 3E+21
1E+21
5E+20
5E+20
0
0
400
3E+21
800
600
800
1000
1E+21
5E+20
5E+20
0
0
200
1000
800
400
600
800
1000
0
200
y = 2E+18x - 4E+20
400
3E+21
3E+21
3E+21
2E+21
y = 3E+21
2E+21
800
1E+21
1E+21
5E+20
5E+20
1000
800
1000
y = 3E+21
2E+21
0
600
4E+21
3E+21
2E+21
600
FZ1
FZ2
y = 7E+17x + 9E+19
M CZ
4E+21
4E+21
600
400
C D P 20-20
4E+21
200
200
400
C D P 10-10
y = 3E+21
0
y = 2E+21
2E+21
1E+21
1000
y = 5E+18x - 1E+21
2E+21
y = 2E+21
0
y = 4E+18x - 1E+21
2E+21
1E+21
200
1200
600
3E+21
C D P 5-5
4E+21
2E+21
400
4E+21
3E+21
2E+21
1400
200
y = 7E+18x - 8E+20
3E+21
2E+21
y = 2E+21
C D P 5-0
MCZ
0
1600
0
1000
4E+21
y = 7E+18x - 6E+20
2E+21
1E+21
A D P 20-20
V _FD vs fluence
4E+21
4E+21
全空乏化電圧の変化と照射量の関係
全空乏化電圧（V）
bias V
FZ
A D P 10-10
0
0
200
400
600
800
1000
0
200
400
600
800
1000
0
0
0
5E+14
5
10
15
10E+14
20
25
20E+14
2 /10
fluence((n
n eq/cm
^2 / 10^14
) 14)
Fluence
eq/cm
(1 MeV n-eq /cm2)
Isolation測定
構造による違い
• P-stop structure → zone1～zone6
8E+12 (+P-splay)
• P-stop/p-spray concentrations
1E+13
2E+13
atoms/cm
→ P-spray, Low, High (3 types)
• Implant Depth → std, deep (2 types)
3
??
??
Ex ) FZ2 Zone3
Strip間分離達成電圧 vs 照射量
200
SP
150
Al
SiO２
DP
200
150
電圧(V)
100
100
c
SL
50
0
0
50
DL
P-stop
N＋
40
SH
P＋
P-stopの濃度を2E+13/cm3にすることでStrip間分
DH
0
0
-50
20
N＋
Al
離は充分に達せられる
2)
Implant
Depth
による違いはほとんど見られない
Fluence (1MeV
n-eq/cm
5
10
15
20
25
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
(*1) Doping
Wafer Lot
concentration
Wafer
Implant depthP spray P stop
FZ-1
FZ-2
2.E+12 8.E+12 W01,W02
W16,W17
std
--1.E+13
-W21,W22
--2.E+13 W11
W26,W27
P(100)FZ
2.E+12 8.E+12 W03,W04,W05 W18,W19,W20
deep
--1.E+13 W08,W09,W10 W23,W24,W25
--2.E+13 W13,W14
W28,W29,W30
2.E+12 8.E+12
std
--1.E+13
--2.E+13
P(100)MCZ
2.E+12 8.E+12
deep
--1.E+13
--2.E+13
Numer of wafers (*2)
11
15
(*1) T he values are only for indicative purpose
(*2) Some sensors in a wafer are rejected
• Two lots of FZ materials
– FZ-1: Lower defects, FZ-2: Normal wafers
2011.4.24
MCZ
W31,W32
W36,W37
W41
W33,W34,W35
W38,W39,W40
W43,W44,W45
14
Isolation測定
形状
• P-stop structures
→ zone1～zone6(6 types)
SiO２
N＋
P-stop
P＋
Al
Al
N＋
Individual と Common
strip
individual
P-stop
common
explanatory
Strip Isolation
SP
DP
200
150
100
c
SL
50
・which zone is good for strip isolation?
DL
0
0
20
40
SH
・Efficience of P-spray?
200
200
200
200
200
200
150
150
150
150
150
150
100
100
100
100
100
50
50
50
50
50
50
0
0
0
0
100
FZ1
DH
c
0
10
20
0
30
-50
0
5
10
15
20
25
-50
0
5
10
15
20
0
25
-50
5
10
15
20
0
0
25
5
10
15
-50
-50
0
5
10
15
20
25
-50
ASLはサンプルが無い
200
200
200
150
150
150
250
200
200
200
150
150
100
100
50
50
150
100
100
FZ2
50
50
50
0
0
0
MCZ
100
100
50
5
10
15
20
25
0
0
-50
-50
200
5
10
15
20
25
0
5
10
15
20
25
-50
0
0
0
0
5
10
15
20
0
25
5
10
15
-50
-50
-50
200
200
200
200
200
150
150
150
150
150
150
100
100
100
100
100
100
50
50
50
50
50
50
0
0
0
5
10
15
20
0
25
5
10
15
-50
-50
Z1
20
25
0
0
0
5
10
15
20
-50
Z2
0
25
0
5
10
15
20
Z3
5
10
15
-50
-50
Z4
5
10
15
20
0
5
10
15
20
25
0
0
25
0
25
-50
Z5
Z6
Leakage Current (T=20℃)
Mention in passing
This time（2007May）
last time（2006）
I (at V_FD) vs fluence
0.09
0.08
y = 3.69E-17x - 2.68E-03
0.06
0.05
current (A)
Ileak/volume(A/cm^3)
0.07
y = 3.16E-17x - 1.63E-03
0.04
y = 3.81E-17x + 3.01E-14
0.03
FZ1
FZ2
MCZ
線形 (FZ1)
線形 (FZ2)
線形 (MCZ)
0.02
0.01
0
0
5E+14
1E+15
1.5E+15
2E+15
2.5E+15
-0.01
fluence (n eq/cm^2)
Fluence(1MeV n-eq/cm^2)
Estimation of irradiation likely to correct.