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

Sommario Introduzione Motivazioni La tecnologia 3D Origine del progetto: LHC e ATLAS Motivazioni Aggiornamento tracciatore interno ATLAS La tecnologia 3D Attività del gruppo di Udine Risorse Simulazioni Misure e test su fascio Irraggiamenti Conclusioni 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Il collisore LHC Collisore protone-protone Circonferenza 27km Ecm=14TeV Ecm=2.36TeV raggiunta Ecm=7TeV prossimi 2 anni 2808 pacchetti/fascio 1011 protoni/pacchetto 25ns bunch-crossing Luminosità 1034cm–2s–1 2010: 1032cm–2s–1 1232 dipoli superconduttori unica linea criogenica elio superfluido (T=1.9K) 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Dettaglio: dipolo di LHC linee di campo lunghezza: 14,3m per Ebean=7TeV: B=8.4T (I=11700A) UHV (beam pipe) P=10-10Torr 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Il rivelatore ATLAS L=45m, =20m 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Sistema di tracking 72.3m 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Rivelatore a pixel rmin=50.5mm 1.30.35m 4kg 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Modulo a pixel 1744 moduli identici 16 FE chip/modulo 160x18 pixel/modulo 80 milioni di canali dimensioni singolo pixel 50x400µm2 26.02.10 Mario Paolo Giordani

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 26.02.10 Mario Paolo Giordani

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 dell’insorgere 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 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Inserted B Layer (IBL) Procedura di aggiornamento del tracciatore a pixel ATLAS r=31mm beam-pipe inserimento di un ulteriore layer all’interno del tracciatore scelta della tecnologia per i sensori ancora aperta resistenza alla radiazione fino a 2E16neq(1MeV)cm–2 pixel di 50x250µm2 per far fronte a maggiore occupanza 26.02.10 Mario Paolo Giordani

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 Svantaggi: 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 26.02.10 Mario Paolo Giordani

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 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Risorse – Camera pulita N2 supply probe station measurement instrumentation PC clean room microscopes semiconductor lab 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Risorse – Probe Station 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Prime simulazioni Principalmente simulazioni in 2D (Synopsys Dessis) sensori FBK 3D a colonne passanti substrato di tipo p (Na=2E12) e spessore 250µm colonne di tipo p e n (Na,Nd=5E19) con passo 50µm isolamento elettrodi con p-spray uniforme (Na=2E16) osservato breakdown in prossimità della superficie distanza critica fra colonne p and impiantazione n (15µm) 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Isolamento degli elettrodi Effetti indotti da danni superficiali da radiazione accumulo di carica nell’ossido (QOX) Ruolo della concentrazione di doping del p-spray previsione a elevata QOX non consistente con osservazioni possibile effetto di fluenza su parametri di impact ionization effetti su Neff e vite medie dei portatori incluse nelle simulazioni strutture di test invlate a IJS Lubiana per irraggiamenti (neutroni) 26.02.10 Mario Paolo Giordani 17

Concentrazione di p-spray Proposta: concentrazioni di p-spray diverse su facce opposte primo approccio: p-spray su un’unica faccia del dipositivo evidente miglioramento delle performance rimangono (per ora) i dubbi a elevati valori di QOX (fluenza) verifica una volta terminati gli studi su altre strutture 26.02.10 Mario Paolo Giordani 18

Capacità Studio basato su simulazioni 3D molto pesanti in termini di CPU/RAM confrontato con estrapolazioni basate su geometrie semplificate buon accordo riscontrato 26.02.10 Mario Paolo Giordani 19

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) 26.02.10 Mario Paolo Giordani

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÷1E15neq(1MeV)cm–2 cautela necessaria per non compromettere le poche strutture disponibili primo dispositivo irraggiato con 1E14neq(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 nell’ossido senza compromettere il substrato 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Test-beam al CERN Intensa attività di test su fascio compatibilità con campo magnetico verifica dell’efficienza/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 π 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Angolo di Lorentz Sensori planari B=0 B≠0 Sensori 3D E e B ortogonali cariche di deriva focalizzate o defocalizzate minima dimensione cluster incidenza=angolo di Lorentz B=0 B≠0 Sensori 3D E e B coplanari cariche di deriva nessun effetto nel volume possibile effetti superficiali 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Dimensione dei cluster Incidenza a 15o = traccia radiale che intercetta IBL defocalizzazione nessun effetto di rilievo 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Dimensione dei cluster In funzione dell’angolo di incidenza indipendente dal segno dell’angolo per dispositivi 3D comportamento asimmetrico per sensori planari tilt angle (deg) cluster size defocalizzazione focalizzazione 3D Preliminary 26.02.10 Mario Paolo Giordani

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 26.02.10 Mario Paolo Giordani

Conclusioni Nuova interessante realtà locale Molto lavoro in corso gruppo giovane, ma attività ben avviata buon feedback a livello internazionale supportato dall’INFN-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 all’ottimizzazione dei dispositivi concentrazione e profilo del p-spray concentrazione e profilo di drogaggio superficiale effetti da danno di radiazione 26.02.10 Mario Paolo Giordani