Transcript SLHC・ATLAS実験用シリコン飛跡検出器増強の研究

SLHC・ATLAS実験用
シリコン飛跡検出器増強の研究
筑波大 井上孝紀
他ＡＴＬＡＳ－Japan SCTグループ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
LHC実験とＡＬＴＡＳ検出器
LHC→super LHC
P型センサーの研究開発
シミュレーション（ストリップ分離・電場計算）
テストサンプルの測定
まとめ
ＬＨＣ実験とＡＴＬＡＳ検出器
主な目的：ヒッグス粒子、超対称性粒子の探索
2007年稼動予定
陽子・陽子衝突型加速器
22m
重心系エネルギー14TeV
ルミノシティーは1034 cm-2s-1
衝突間隔は25nsec
44m
SCTシリコン飛跡検出器
6ｃｍ
768ｃｈ
•シリコンセンサー（6x6cm）表裏2枚
ずつ接着。ステレオ角40mrad。
•放射線耐性
～＜２ｘ１０14(protons/cm2)
（バイアス電圧は５００Ｖ迄、
ＬＨＣ実験10年分）
Super LHC
最終収束電磁石（ low β）の寿命（~700fb-1）は2014～2016年
交換後にルミノシティを10倍程度（1035/cm2/s）にする計画
•内部飛跡検出器を全て
シリコンに交換
•より放射線耐性のある
シリコン検出器が必要
Ｐバルク型センサーの開発
N+-on-P型センサーの利点：部分空乏でも電荷が収集できる
P型センサーの開発：安定した高抵抗のウェハーの入手
N+電極間の集積電子層を分離する方法
N-on-Pセンサーのストリップ間分離
結晶損傷によりトラップされた酸化膜中のプラス電荷が電子を引き寄せ電子
層が出来る。この電子層によりストリップが電気的に繋がってしまう。
ストリップを分離するためにP-stop/Field Plateをストリップ間に入れる。
Field Plate (Al)
SiO2
N+
P-stop
N+
P-bulk
P-stop (Common, Indiv.)
N+
Field Plate (Al)
N+
P-bulk
AC Field Plate
P-stop エッジの電場強度？ 分離のためにPlate電圧は
何V必要？
N+
P-stop
N+
P-bulk
P-stop + DC Field Plate
P-stop onlyよりエッジの電場
強度は弱められる？
電場強度,ストリップ分離をＴＣＡＤシミュレーションで評価
１．P-stopによる分離
― 2E12 /cm2
N+
P-stop
― 1E13 /cm2
Breakdown 強度 300 kV/cm (Si)
電子濃度分布
N+
電場強度（Ｖ/cm）
電場強度分布
P-stop
Back side 電圧（Ｖ）
Back side Voltage = -30 V
(バイアス電圧)
２. AC Field plateによる分離
電場強度分布
Plate
N+
Log 電子濃度 (/cm3)
― 500 V
― 200 V
電子濃度分布
Plate
N+
バルク濃度 ~1E8 /cm3
Back side Voltage = -200 V
Plate Voltage = -20 V
Plate 電圧 (V)
３．P-stop ＋ ＤＣ Field plate
電場強度分布
plate
N+
point 1
P-stop
point 2
電場強度（Ｖ/cm）
― point 1
― point 2
300 kV/cm
電子濃度分布
plate
N+
P-stop
Back side Voltage = 0 V
Back side 電圧（Ｖ）
(バイアス電圧)
実際のテストサンプルデータ（照射前）
MCＺ I-V
ＦＺ I-V
FZ-18 T=0degC
1.E-06
Leakage (A)
Leakage (A)
1.E-06
1.E-07
1.E-08
1.E-07
1.E-08
1.E-09
1.E-09
0
200
400
600
800
0
1000
200
Bias (V)
ＦＺ C-V
IP S T P D F
C_P-stop_DF
C P STP D F
AF
AF
5.0E -11
0.0E +00
0
200
400
600
B ias (V )
800
1000
Capacitance
L eakage (A ) (F)
IP S T P
I_P-stop_DF
C P STP
1.0E -10
600
Bias (V)
800
1000
I_P-stop
M C Z -18 T =0degC
C_P-stop
2.0E -10
C_P-stop
1.5E -10
400
MCＺ C-V
I_P-stop
F Z -18
T =0degC
2.0E -10
Capacitance
L eakage (A ) (F)
MCZ-18 T=-20degC
I_P-stop_DF
1.5E -10
C_P-stop_DF
1.0E -10
AF
5.0E -11
0.0E +00
0
200
400
600
B ias (V )
800
1000
まとめ・今後の課題

N-on-Pセンサーの電場強度とストリップ分離のシミュレー
ションをした。
1. P-stop onlyではP-stopによりバイアス電圧～３０ Ｖをか
ける事でストリップ分離をした。 ～1.9 ｋＶで
breakdown。
2. Field plateではplateに~－20 Vをかける事でストリップ
分離をした。電場強度は問題ない。
3. P-stop + Field plateにする事でP-stopエッジ部での電
場強度はP-stop onlyに比べ低下したが、Field plate下
で強い電場が発生した。これにより～850 Ｖで
breakdown。DC Field plateによるストリップ分離を確
認。

実際にテストサンプルを用いて１０１５(protons/cm2)以上の
放射線照射実験を行う予定。
Back up
電場強度（Ｖ/cm）
電場強度（Ｖ/cm）
AC Field Plate 使用時の電場強度
Back side 電圧（Ｖ）
Back side 電圧（Ｖ）
Wafer 製造法
P-stop
Common
Individual
P-stop
N+ストリップ