La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Sviluppo di rivelatori a semiconduttore per lesperimento ATLAS Mario Paolo Giordani Università degli Studi di Udine, ICTP & INFN Sincrotrone Trieste.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Sviluppo di rivelatori a semiconduttore per lesperimento ATLAS Mario Paolo Giordani Università degli Studi di Udine, ICTP & INFN Sincrotrone Trieste."— Transcript della presentazione:

1 Sviluppo di rivelatori a semiconduttore per lesperimento ATLAS Mario Paolo Giordani Università degli Studi di Udine, ICTP & INFN Sincrotrone Trieste

2 Mario Paolo Giordani 2 Sommario Introduzione Origine del progetto: LHC e ATLAS Motivazioni Aggiornamento tracciatore interno ATLAS La tecnologia 3D Attività del gruppo di Udine RisorseSimulazioni Misure e test su fascio IrraggiamentiConclusioni

3 Mario Paolo Giordani 3 Il collisore LHC Collisore protone-protone Circonferenza 27km E cm =14TeV E cm =2.36TeV raggiunta E cm =7TeV prossimi 2 anni 2808 pacchetti/fascio protoni/pacchetto 25ns bunch-crossing Luminosità cm –2 s –1 2010: cm –2 s – dipoli superconduttori unica linea criogenica elio superfluido (T=1.9K)

4 Mario Paolo Giordani 4 Dettaglio: dipolo di LHC lunghezza: 14,3m per E bean =7TeV: B=8.4T (I=11700A) UHV (beam pipe) P= Torr p p linee di campo

5 Mario Paolo Giordani 5 Il rivelatore ATLAS L=45m, =20m

6 Mario Paolo Giordani 6 Sistema di tracking 72.3m

7 Mario Paolo Giordani 7 Rivelatore a pixel m 4kg r min =50.5mm

8 Mario Paolo Giordani 8 Modulo a pixel 1744 moduli identici 16 FE chip/modulo 160x18 pixel/modulo 80 milioni di canali 80 milioni di canali dimensioni singolo pixel 50x400µm 2

9 Mario Paolo Giordani 9 Principio di funzionamento Perdita di energia per ionizzazione al passaggio della radiazione, creazione di coppie e-h Rapida ricombinazione a meno che non si crei una regione svuotata di portatori di carica silicio intrinseco non idoneo Giunzione p–n nel substrato del sensore induce svuotamento della regione a cavallo della giunzione effetto amplificabile per mezzo della polarizzazione inversa deriva delle coppie e-h rivelazione determinazione posizione segmentazione elettrodi

10 Mario Paolo Giordani 10 Danno da radiazione Effetto non legato alla ionizzazione interazioni di alta energia con atomi del reticolo danneggiamenti del reticolo modifica delle caratteristiche elettriche del silicio in generale non reversibili Alterazione della concentrazione di drogaggio di substrato impatto negativo sulla tensione di svuotamento introduce difetti equivalenti a impurità ti tipo accettore Riduzione della vita media dei portatori risultato dellinsorgere di trappole Di fatto riduce la vita operativa del dispositivo primo componente affetto dal degrado delle performance layer più interno del rivelatore a pixel (limite a circa 300fb –1 ) Tempi maturi per iniziare attività di R&D

11 Mario Paolo Giordani 11 Inserted B Layer (IBL) Procedura di aggiornamento del tracciatore a pixel ATLAS inserimento di un ulteriore layer allinterno del tracciatore scelta della tecnologia per i sensori ancora aperta resistenza alla radiazione fino a 2E16n eq (1MeV)cm –2 pixel di 50x250µm 2 per far fronte a maggiore occupanza r=31mm beam-pipe

12 Mario Paolo Giordani 12 I dispositivi 3D Si basano su una disposizione alternativa degli elettrodi disaccoppia distanza fra elettrodi e spessore del substrato Vantaggi: bassa tensione di svuotamento limitata potenza dissipata limitata distanza di deriva elevata velocità di risposta minore probabilità di trapping resistente alla radiazione resistente alla radiazioneSvantaggi: risposta non uniforme campo debole o nullo fra colonne dello stesso tipo elevata capacità tecnologia complicata e costosa DRIE (Deep Reactive Ion Etching) per realizzare colonne

13 Mario Paolo Giordani 13 Attività a Udine Nasce nel 2008 come joint venture Dipartimento di Fisica esperienza con il rivelatore a pixel di ATLAS –monitoring on-line, DCS –controlli di qualità estensivi sui sensori attualmente installati disponibilità di camera pulita attività di ricerca nella fisica del quark top Dipartimento di Ingegneria Elettrica Gestionale Meccanica esperienza con tecniche TCAD modelli di drift-diffusion, impact ionization In stretta collaborazione partner tecnologico Fondazione Bruno Kessler (Trento) INFN Inserita ufficialmente in collaborazione internazionale ATLAS 3D Collaboration

14 Mario Paolo Giordani 14 Risorse – Camera pulita N 2 supply measurementinstrumentation PC probe station microscopes semiconductor lab cleanroom

15 Mario Paolo Giordani 15 Risorse – Probe Station

16 Mario Paolo Giordani 16 Prime simulazioni Principalmente simulazioni in 2D (Synopsys Dessis) sensori FBK 3D a colonne passanti substrato di tipo p (N a =2E12) e spessore 250µm colonne di tipo p e n (N a,N d =5E19) con passo 50µm isolamento elettrodi con p-spray uniforme (N a =2E16) osservato breakdown in prossimità della superficie distanza critica fra colonne p and impiantazione n (15µm)

17 Mario Paolo Giordani 17 Effetti indotti da danni superficiali da radiazione accumulo di carica nellossido (Q OX ) Ruolo della concentrazione di doping del p-spray Isolamento degli elettrodi 17 previsione a elevata Q OX non consistente con osservazioni possibile effetto di fluenza su parametri di impact ionization effetti su N eff e vite medie dei portatori incluse nelle simulazioni strutture di test invlate a IJS Lubiana per irraggiamenti (neutroni)

18 Mario Paolo Giordani 18 Proposta: concentrazioni di p-spray diverse su facce opposte primo approccio: p-spray su ununica faccia del dipositivo Concentrazione di p-spray 18 evidente miglioramento delle performance rimangono (per ora) i dubbi a elevati valori di Q OX (fluenza) verifica una volta terminati gli studi su altre strutture

19 Mario Paolo Giordani 19 Studio basato su simulazioni 3D molto pesanti in termini di CPU/RAM confrontato con estrapolazioni basate su geometrie semplificate buon accordo riscontrato Capacità 19

20 Mario Paolo Giordani 20 Ulteriori accertamenti Confronto fra simulazioni e dati sperimentali pre- e post-irraggiamento per spiegare anomalia simulazioni misure su FBK full 3D non ancora disponibili misure esistenti per sensori con geometria semplificata colonne non passanti disegno n-on-p –colonne n + di giunzione –colonne p + in contatto ohmico performance simili a full 3D se colonne sufficientemente profonde –160÷190µm su substrato di spessore 250µm ancora disaccordo fra simulazioni e feedback sperimentale indagini in corso con FBK (controllo parametri di drogaggio)

21 Mario Paolo Giordani 21 Strutture di test Studio dei coefficienti di impact ionization vs. fluenza effettuato su strutture di test (transistor bipolari) irraggiamento con neutroni collaborazione in atto con IJS Lubiana estrazione empirica dei coefficienti per diversi valori di fluenza range di fluenza: 1E14÷1E15n eq (1MeV)cm –2 –cautela necessaria per non compromettere le poche strutture disponibili primo dispositivo irraggiato con 1E14n eq (1MeV)cm –2 qualche problema di attivazione –spedizioni come materiale radioattivo costose probabilmente prime misure in loco la prossima settimana risultati sperabilmente entro inizio primavera Studio del danno superficiale da radiazione irraggiamenti di strutture di test (diodi) con raggi X molli induzione di carica nellossido senza compromettere il substrato

22 Mario Paolo Giordani 22 Intensa attività di test su fascio compatibilità con campo magnetico verifica dellefficienza/risoluzione Fascio di π a 180GeV (SPS-NA) Campo magnetico B=1.56T ( ) generato da dipolo superconduttore Apparato 4 dispositivi testati (DUT) telescopio ricostruzione tracce due piani a valle dei DUT, uno a monte trigger due scintillatori in coincidenza a monte + un veto a valle Test-beam al CERN π

23 Mario Paolo Giordani 23 Angolo di Lorentz Sensori planari E e B ortogonali cariche di deriva focalizzate o defocalizzate minima dimensione cluster incidenza=angolo di Lorentz Sensori 3D E e B coplanari cariche di deriva nessun effetto nel volume possibile effetti superficiali B=0B=0 B0

24 Mario Paolo Giordani 24 Dimensione dei cluster Incidenza a 15 o = traccia radiale che intercetta IBL defocalizzazione nessun effetto di rilievo

25 Mario Paolo Giordani 25 Dimensione dei cluster In funzione dellangolo di incidenza indipendente dal segno dellangolo per dispositivi 3D comportamento asimmetrico per sensori planari tilt angle (deg) cluster size defocalizzazione focalizzazione 3D

26 Mario Paolo Giordani 26 Efficienza di singola hit Traiettorie delle particelle del fascio ricostruite da telescopio posizione estrapolata su ciascun sensore (qui FBK 3D) calo di efficienza in prossimità degli elettrodi atteso, in quanto elettrodi sono colonne cave benefici di filling in polisilicio (STA) non evidenti a questo punto no problem per tracce inclinate

27 Mario Paolo Giordani 27 Conclusioni Nuova interessante realtà locale gruppo giovane, ma attività ben avviata buon feedback a livello internazionale supportato dallINFN-GrI (ATLAS) Molto lavoro in corso analisi dei risultati dei test-beam attesa per confronto fra simulazione e dati empirici in particolare misure da strutture di test irraggiate Contributi allottimizzazione dei dispositivi concentrazione e profilo del p-spray concentrazione e profilo di drogaggio superficiale effetti da danno di radiazione


Scaricare ppt "Sviluppo di rivelatori a semiconduttore per lesperimento ATLAS Mario Paolo Giordani Università degli Studi di Udine, ICTP & INFN Sincrotrone Trieste."

Presentazioni simili


Annunci Google