per l’esperimento ATLAS a LHC UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI UDINE Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica Caratterizzazione di sensori al silicio per il progetto IBL (Insertable B-Layer) per l’esperimento ATLAS a LHC Relatori prof. Luca Selmi prof.ssa Marina Cobal Primo anno 2009 N Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

ATLAS 3 Layers: B-Layer, 286 modules Layer-1, 494 modules 6 disks: 144 modules 25 m ATLAS detector Pixel detector 7000 t 46 m 35 cm Pixel detector module 1,3 m 3 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

Rivelatori al silicio: principi base Giunzione p-n: applicando una tensione inversa alla giunzione si crea una zona priva di cariche libere al passaggio di una particella si producono coppie e-, h+ il segnale viene raccolto agli elettrodi sotto forma di impulso di corrente Generazione di coppie elettrone-lacuna Pixel detector module 3 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

Introduzione – L’ upgrade dell’LHC (Fase 1 in 2014-2016) ed il progetto sLHC (Fase 2) richiederanno un nuovo rilevatore a pixel di Silicio. – Layer addizionale, resistente alla aumentata radiazione (Insertable B-Layer o IBL) posizionato nelle vicinanze del fascio di particelle. – Tale layer dovrà avere: - una ridotta tensione di svuotamento - un ridotto tempo di cattura delle cariche - un aumento della velocità - una minore regione a charge sharing – Sensori considerati: - Full-3D active edge (colonne passanti - 3D Stanford) - Double Sided 3D sensors – (FBK, Fondazione Bruno Kessler, Trento) - Sensori planari IBL 4 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

R&D: I sensori 3D, caratteristiche Vantaggi: superficie elettrodi maggiore rispetto al caso dei planari campo elettrico più elevato distanze brevi (~50 μm) basse tensioni di svuotamento tempi di raccolta ridotti resistenza alla radiazione (radiation hardness) bordo attivo (active edge): uniformità del campo elettrico nel bordo del sensore pochi micron dell’area morta del sensore Svantaggi: maggiore capacità non uniformità del sensore difficoltà di produzione 5 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

3D vs planari maggiore resistenza alla radiazione Depletion voltage <10 V 70V Edge sensitivity < 5 μm 500μm Charge 1MIP (300mm) 24000e- Capacitance 30-50fF 20fF Collection distance 50μm 300μm Speed 1-2 ns 10-20ns maggiore resistenza alla radiazione maggiore velocità di raccolta delle cariche Principali candidati per il prossimo rivelatore a pixel per sLHC. 6 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

R&D: 3D FBK 3D-STC (Single type Column): colonne di un solo drogante colonne su singola faccia penetranti parzialmente 3D-DDTC (Double Side Double type Column): colonne di entrambi i drogaggi colonne su entrambe le faccie penetranti parzialmente nel substrato Caratteristiche comuni: substrato di tipo p, diametro delle colonne 10 μm. Colonne n+ (c. di giunzione) isolate (p-spray) Colonne p+ (c. ohmiche) collegate tramite unica metalizzazione Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

Tecniche di caratterizzazione rilevanti per i sensori a pixel Misure elettriche (Cern - Trento): tensione di break down (I-V) capacità correnti di perdita rumore: legato al FE irraggiamento con sorgenti: luce rossa (laser), γ, β Test beam: grazie al telescopio si ottengono misure di efficenza e risoluzione spaziale Analisi: ToT, charge sharing, residui, efficienza (hit efficiency) Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

Attività di laboratorio: test beam Caratterizzazione dei sensori utilizzando pioni a 180GeV π+ dell’ SPS del Cern, in presenza di campo magnetico Apparato sperimentale: attrezzatura e DUT inseriti all’interno del dipolo magnetico (1.6T) 3 DUT disponibili: 1 planare, 1 a colonna passante, 1 FBK telescopio (Bonn Atlas Telescope - BAT) per la misura delle tracce costituito da tre piani di rivelatori a micro-strip sistema di trigger: 2 scintillatori in fronte al sistema di tracciatura e uno alla fine (Veto) Presa dati: TurboDAQ del Cern acquisiti circa 700 run con circa 30000 eventi per avere una buona statistica 6 Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

Analisi L’analisi sta riguardato: Time over Threshold (ToT) : studio della carica raccolta nel pixel charge sharing: suddivisione di carica tra i pixel residui: differenza fra i punti in cui è passata la traccia ricostruita e il centro del pixel in cui si è misurato il max ToT efficienza: rapporto fra il n° di particelle registrate e il n° di particelle entrate nel volume del rivelatore efficienza Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

Misure effettuate a Trento tensione di breeak down (misure I-V) capacità (misure C-V): legata al rumore correnti di perdita laser: informazione sulla tensione di completo svuotamento. quando la quantità di carica raccolta satura  completo svuotamento Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

Attività future Attività di laboratorio: caratterizzazioni di dispositivi: test beam e attività di laboratorio a Udine – Cern sensori planari – STA – FBK (3D DTC 90 e 150 μm) anche col nuovo FE (Front End disponibile a Luglio) Attività software collaborazione iniziata con Cern - Oslo e SLAC analisi dei dati collezionati durante i test beam Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

Backup Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

R&D: effetti della radiazione Effetti superficiali: ionizzazione nello strato di passivazione effetti sulle superfici di interfaccia silicio-ossido Effetti sul substrato: disallineamento degli atomi del cristallo. Effetti: incremento della corrente di leakeage diminuzione segnale charge Trapping* modifiche nelle regione di svuotamento e nella tensione di break-down introduzione di difetti con conseguente variazione della concentrazione effettiva del drogaggio substrato Aumenta il drogaggio -> aumenta la concentrazioen efficace del drogaggio! *Formazione di livelli energetici all’interno della banda proibita: fenomeno dell’ intrappolamento gen. & ricomb e- h+ Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

Charge sharing Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade

Prima collisione registrata nel rivelatore a Pixel di ATLAS - Dal 20 Nov LHC è in funzione - il 23 Nov prime collisioni - E = 900 GeV Dottorando Andrea Micelli University of Udine ATLAS Pixel Upgrade