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Danni da radiazione su prototipi al silicio di tipo innovativo Tesi di dottorato in Fisica Università degli studi di Bari Facoltà di Scienze Matematiche,

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1 Danni da radiazione su prototipi al silicio di tipo innovativo Tesi di dottorato in Fisica Università degli studi di Bari Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali, Dipartimento di Fisica. Dottorando: Norman Manna Relatori: Prof. Mauro DePalma Prof. Donato Creanza

2 Aumento della luminosità di LHC ( )cm -2 s -1 (se ne discute dal 2002). Data di partenza ~ Per aumentare il numero degli eventi ed avere una statistica migliore MOTIVAZIONI [1] Atlas Radiation Background Task Force, ATL-GEN , Jan [2] F. Giannotti et al., hep-ph/ , April [3] R. Horisberger, CMS Workshop on SLHC, CERN, Feb Il limite maggiore è rappresentato dalla non resistenza a questi flussi dei silici che costituiscono i tracciatori dei diversi esperimenti. ~5 anni

3 aumento corrente di superficie V break a tensioni più basse Irraggiamento 1-a aumento della carica positiva 1-b rottura dei legami reticolari allinterfaccia 1-a aumento C ii aumento della tensione operativa Riduzione dellisolamento fra le strisce 1-b Incremento delle trappole presenti allinterfaccia Si-SiO 2 (1) Danno di superficie

4 PARTICELLA SI V+I V I Ec Ef Ev V VO neutro:non dannoso V 2 0 contribuisce al segno di N eff VO V20V20 cluster (2) Danno del substrato

5 Oxygen concentration in FZ, CZ and EPI Cz and DOFZ silicon Epitaxial silicon EPI: Ossigeno diffonde dal substrato Cz EPI: La concentrazione dellossigeno e la sua uniformità diminuiscono con lo spessore CZ: alta e omogenea concentrzione di ossigeno [G.Lindström et al.,10 th European Symposium on Semiconductor Detectors, June 2005] DOFZ: concentrazione di ossigeno aumenta col tempo di ossigenazione DOFZ: distribuzione non omogenea dellossigeno EPI layer CZ substrate

6 Microstrip detectors Inter strip Capacitance test Test2 Test1 Pad detector Edge structures Square MG-diodes Round MG-diodes 50 um pitch 100 um pitch RUN I p-on-n 22 wafers Fz, MCz, Epi RUN II n-on-p 24 wafers Fz, MCz two p-spray doses: 3E12 & 5E12 cm -2 substrati studiati in RD50 Wafer Layout disegnato dalla collaborazione SMART Maschere processate dallITC-IRST (Trento) SMART: Wafer layout, 4 1 st p-type MCz microstrip detectors

7 Neutroni da reattore a Ljubljana 12 fluenze: 5.0x x MeV n/cm 2 27 mini-sensori, 11 strutturedi test (capts),100 diodi Protoni da 26 MeV Ciclotrone di Karlsruhe 10 fluenze: 1.2x x MeV n/cm 2 20 mini-sensori, 8 strutture di test(capts), 100 diodi April 2005 June 2005 Set CERN Set JSI(Ljubljana) Irraggiamenti Set Protoni da 24 GeV al CERN 3 fluenze: 0.6x10 14, 2.7x10 14, 3.4x10 15 ) 1-MeV n/cm 2 9 diodi April 2006

8 Caratterizzazione pre-irraggiamento : Diodi Mappa di V FD dei diodi in un wafer p-type MCz I-V diodi: alte V bd e buon valore di densità di corrente Disuniformità probabilmente legata alla variazione della concentrazione di ossigeno nei substrati MCz C. Piemonte, 5th RD50 workshop Oct 2004 SMART2 - n + /p - MCz 300 m Inversione! SMART1 - p + /n - MCz 300 m C-V diodi: Uniformità di lungo il wafer C-V : processo uniforme del wafer

9 Tensione di svuotamento dopo irr. (Fz n inversione di tipo) T=20 0 C Irraggiamento con protoni da 26MeV Tipico andamento del substrato standard FZ_n

10 MCz: irraggiamento con protoni da 24 GeV/c M. Moll. A. Bates NIM A CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=2.7×10 14 n/cm 2 Alla fluenza F=1.3×10 15 n/cm 2 la giunzione dominante è ancora sul front (lato p+) F=0.6×10 14 n/cm 2 F=2.7×10 14 n/cm 2 NO-INVERSIONE:

11 Tensione di svuotamento dopo irr. (MCz n irraggiamento protoni 26 MeV) T=20 0 C

12 Φ (10 14 n*cm -2 ) n = 5·10 14 cm -2 Irraggiamento con neutroni: CV and TCT V dep vs Fluence Annealing study INVERSIONE 1min80 0 C 1giorno20 0 C

13 Annealing inverso Type non-inverted: depletion voltage has a maximum Type inverted: depletion voltage has a minimum Miglior comportamento degli MCz. NEUTRON IRRADIATION PROTON IRRADIATION Limite strumentale

14 26 MeV protons Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg: le misure confermano linversione Le misuire di annealing suggeriscono linversione dopo 50 minuti a 80 o C tranne la fluenza più bassa 1.38x10 14 n cm x10 14 n cm x10 14 n cm -2, I sample 7.13x10 14 n cm -2, II sample DIODI EPITASSIALI

15 waferSub.Drog.Irrag.α( Acm -1 ) 1253FZnP-26Mev4.2± FZnNeutroni4.4±0.3 64FZpP-26Mev4± MCznP-26Mev4.4± MCznNeutroni4.1±0.2 09MCznP-26Mev3.9± MCzpNeutroni3.9±0.3 12EpinP-26Mev3.5±0.2 T ANNEALING =8 min 80 0 C waferSub.Drog.Irrag.β(10 -2 cm -1 ) 1253FZnP-26Mev1.07± FZnNeutroni1.18± FZpP-26Mev1.17± MCznP-26Mev1± MCzpNeutroni1.31±0.8 12Epinneutroni0.41±0.5 12EpinP-26Mev1.55±0.9 α indipendente dal substrato tranne lepitassiale β(CMS)=1.49

16 Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensori Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown Resistività non uniforme come per i diodi Basse tensioni di breakdown Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lalta dose di p-spray MCz n-type I leak /V (nA/cm -2 ) -V bias (Volt) MCz p-type Low p-Spray I leak /V (nA/cm -2 ) 250 MCz p-type High p-Spray -V bias (Volt) I leak /V (nA/cm -2 ) 70 Resistività uniforme lungo il wafer SMART1 - p + /n - MCz 300 m SMART2 - n + /p - MCz 300 m

17 Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 MeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellannealing (misure a 0 o C): (1) Il livello di corrente fra MCz e Fz è lo stesso ad una data fluenza. Alte tensioni di breakdown La corrente inversa è proporzionale alla fluenza. MCz High p spray MCz Low p spray n-type p-type MCz High p spray Bias Voltage (V) Leakage Current (A) FZ & MCz sensors andamenti IV dei minisensori p- type per tutte le fluenze prima dellannealing (misure a 0 o C): (1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type. I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze > neq/cm 2.

18 p-type n-type MCz High p spray Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lirraggiamento con neutroni: poco danno di superfice (contaminazione ) Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutroni

19 Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancà interstrip dipende, come atteso, dalla geometria dei sensori: larghezza della striscia, passo, metal overhang…) MCz p-type Low p Spray -V bias (Volt) C int /l (pF/cm) MCz p-type High p Spray C int /l (pF/cm) -V bias (Volt) FZ p-type High p Spray C int /l (pF/cm) -V bias (Volt) 50µm 100µm C int /l (pF/cm) V bias (Volt) MCz n-type 50µm 100µm Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacità Interstrip) Andamento diverso per i sensori p-type : la capacitancà interstrip diminuisce con V bias raggiungendo la saturazione ad una tensione maggiore dello svuotamento (~100V), effetto legato al non svuotamento della carica mobile del p-spray. La saturazione è più veloce nellalto p-spray e nel passo largo. Non cè differenza fra Fz and MCz. MO

20 Capacità interstrip: proton irr. MCz n Fz n MCz p High p spray MCz Low p spray OK Tipico del Si Stesso problema del non irraggiato.La situazione migliora dopo lirraggiamento. Raggiunge il valore del non irraggiato C int C back C tot = C back + 2(C int 1 st + C in 2 nd +…) Capacità totale Vista dal preamplificatore Le simulazioni confermano gli andamenti; per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria n-type p-type

21 F2=0.4E14 n cm -2 F7=4.0E14 n cm -2 F3 CERN=3.6E15 n cm -2 C (pF/cm) Il valore di Cint a =3.6E15 raggiunge il suo valore geometrico anche nel caso di sensori con alto p-spray Le misure di resistenza interstriscia confermano che le strisce sono isolate Vbias

22 Conclusioni La variazione di corrente inversa è indipendente dal tipo di substrato, eccezion fatta per il substrato Epi, ed è funzione solo della dose ricevuta. In termini di tensione di svuotamento, a differenza dei dispositivi FZ-n, che subiscono inversione di tipo indipendentemente dal tipo di irraggiamento, i dispositivi MCz ed EPI mostrano una forte dipendenza dal tipo di particella e dalla sua energia. La maggiore resistenza alle radiazioni nei dispositivi di tipo MCz ed EPI la si osserva in termini di annealing inverso Per i minisensori tipo MCz n non ci sono particolari problemi in termini di capacità interstrip e tesioni di breakdown. Per i minisensori tipo MCz p i risultati sembrano indicare come migliore, fra quelle esaminate, la bassa dose di p-spray.

23 Conclusioni Tutte le informazioni, provenienti dallintera comunità RD50, sembrano indicare che i dispositivi MCz siano promettenti per le regioni a medio raggio in SLHC specialmente quelli di tipo p; mentre nella zona più vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione: 1.materiali EPI spessi 100 µm; 2.macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 µm; 3.pixel dello stesso disegno dellattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS; 4.Minisensori con passo 80 µm e strip lunghe 3 cm; 5.nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lisolamento fra le strisce.

24 MOS structure: V FB evolution with - Vgate (V) Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz


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