Corso di laurea specialistica in Fisica Ambientale e Biomedica ANALISI DEI DATI DI UN TEST SU FASCIO DI RIVELATORI AL SILICIO 3D FBK-irst DOUBLE-SIDE DOUBLE TYPE COLUMN Relatore: Prof.sa A.M. Solano Correlatori: Dott. A. La Rosa Prof. G.-F. Dalla Betta Candidato: M. Borri

Contenuti Introduzione ai rivelatori 3D. Descrizione del test su fascio. Analisi dei dati: Time-over-Threshold; Charge sharing; Risoluzione spaziale; Efficienza.

I rivelatori a giunzione al silicio PLANARE n-in-n Substrato debolmente drogato n (area sensibile). Elettrodo di giunzione drogato fortemente p (catodo). Elettrodo ohmico drogato fortemente n (anodo). Particella ionizzante: la carica prodotta per ionizzazione viene raccolta dagli elettrodi. Polarizzazione inversa Valori del silicio Gap energetico a 300K eV 1.12 Energia di ionizzazione 3.6 Densità g/cm3 2.33 Perdita di energia media di una mip MeV cm2/g 1.664 Per un rivelatore di spessore di 250 um: 20 ke-

L’architettura 3D CONFRONTO SENSORE 3D E PLANARE S. Parker NIM A 395 (1997) 328 VANTAGGI: Distanza tra gli elettrodi corta. Voltaggio di svuotamento basso. Tempo di raccolta breve. Resistenza alla radiazione. Bordo attivo. Nei sensori 3D si ha un disaccoppiamento tra la profondità del sensore e la distanza di raccolta di carica. SVANTAGGI: Risposta non uniforme dovuta alla presenza degli elettrodi. Capacità del sensore alta. Processi di fabbricazione complessi. BORDO ATTIVO 3D PLANARE Distanza di raccolta 50 um 300 um Tensione di svuotamento <10 V 70 V Tempo di raccolta 1-2 ns 10-20 ns Zona morta di bordo < 5 um >500 um

Elettrodi e caratteristiche dei sensori Sensori a pixel 3D a colonne passanti con geometria di ATLAS per una possibile applicazione nell’upgrade. C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505 C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505 C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505

Caratteristiche costruttive delle due tipologie di sensori DDTC. I sensori 3D-DDTC FBK-irst – INFN e Università di Trento d0 d Elettrodi di giunzione (n+) (drogato debolmente p) Spessore substrato Elettrodi ohmici (p+) I sensori 3D Double-side Double Type Column (DDTC) hanno colonne di entrambi i tipi droganti, penetranti parzialmente il substrato da entrambe le facce. Prestazioni comparabili a quelli a colonna passante se la distanza per cui differiscono dallo spessore del substrato è piccola. Caratteristiche costruttive delle due tipologie di sensori DDTC. 3D-DTC-2 3D-DTC-2B Spessore del substrato um 200 Spessore colonna di giunzione (n+) 100-110 140-170 Spessore della colonna ohmica (p+) 180-190 Sovrapposizione delle colonne 90-100 110-150 Concentrazione del drogaggio del substrato cm-3 1 X 1012 7 X 1011 A.Zaboli, IEEE Trans.Nucl.Sci. NS-55(5) (2008) 2275

Prima volta con campo magnetico Il test su fascio Dal 25 maggio al 2 giugno 2009. Linea di fascio H8 del SPS (CERN) . Fascio di +- con energia 180 GeV. DUT Tipologia Bias (V) PLANAR Planare n-in-n -150 STA-3E 3D colonna passante -35 FBK-3E7 3D-DTC-2B -8 FBK-3EM5 3D-DTC-2 Prima volta con campo magnetico B=(1.360.10)T I rivelatori 3D studiati nel test sono a pixel 3E. SCINT#1,2 VETO B Angolo OFF /12 ON Telescopio (Bonn ATLAS Telescope - BAT): - rivelatori a strip di area (3.2X3.2)cm2 e passo 50 um; - risoluzione spaziale di 5.5 um.

ATLAS pixel readout chip (FE-I3) Standard 0.25um CMOS. Resistenti alla radiazione fino ad una dose di 50 Mrad. Matrice di 160 X 18 canali ciascuno di (400 X 50) um2. Il chip misura la carica generata dalla particella ionizzante nel sensore in termini di Time-over-Threshold (ToT). Il ToT dipende da: Carica prodotta; Soglia del discriminatore; Corrente di feedback. Il ToT è in unità di 25 ns. Calibrazione: 20ke- = 60 ToT.

La presa dati e l’analisi 10000 eventi per run. 15 minuti per un singolo run. 700 run acquisiti in totale. Data Quality Monitor : Controllo sincronizzazione tra i piani del telescopio e i rivelatori. Ricostruzione delle tracce: Le tracce sono ricostruite per gli eventi acquisiti che hanno registrato un hit in tutti i piani del telescopio. Un file .root per ogni run contenete le informazioni di tutte le tracce. Analisi off-line: Analisi sui file .root . Misure preliminari presentate in questa tesi: Time-over-Threshold; Charge sharing; Risoluzione spaziale; Efficienza.

I run L’area analizzata è compresa tra le righe 8-152 e le colonna 2-16. (per eliminare i pixel di dimensioni diverse da (400 X 50) um2) 3D-DTC-2 3D-DTC-2B B A Run range Accettanza Tracce OFF 600802 19.3% 4.30X105 19.4% 3.25X105 /12 12411306 38.5% 1.99X105 31.3% 1.82X105 ON 803997 33.2% 3.28X105 35.2% 3.48X105 10001203 39.8% 5.41X105 41.0% 5.57X105

Time-over-Threshold Il Time-over-Threshold (ToT) è la misura della carica prodotta nel sensore dalla particella ed è in unità di 25 ns. Alle distribuzioni è sovrapposto, sul 90% dell’area partendo da destra, un fit a una distribuzione di Landau. 3D-DTC-2 3D-DTC-2B Spessore - d um 200 Valore atteso ToT 48 3D-DTC-2 - B=OFF; A=0 Configurazione 3D-DTC-2 3D-DTC-2B B A MPV  OFF 46.7 4.6 35.5 3.8 ON 48.1 4.8 35.4 /12 45.1 5.3 33.7 3.9 46.6 5.1 33.9 MPV= Most Probable Value 3D-DTC-2 -35 V; 3D-DTC-2B -8 V L’attivazione del campo magnetico aumenta l’MPV mentre la rotazione del sensore ne diminuisce il valore. Il loro effetto si compensa nella configurazione B=ON A=/12.

Charge sharing (1/2) Suddivisione della carica prodotta dalla particella tra i pixel: Ionizzazione della carica su più pixel Angolo di Lorentz prodotto dal campo magnetico sulla carica ionizzata. PLANARE - B=OFF; A=0 PLANARE - B=ON; A=0 Nel sensore planare il campo magnetico incrementa il charge sharing.

Charge sharing (2/2) 3D-DTC-2 B= ON B= OFF A=0 A=/12 Il campo magnetico non incrementa la suddivisione di carica tra i pixel. La rotazione del sensore incrementa il charge sharing nella direzione corta del pixel. Analoghi risultati nel sensore 3D-DTC-2B

Risoluzione spaziale 3D-DTC-2 B= OFF B= ON A=0 A=/12 Y(micron) A=0 A=/12 Il campo magnetico non modifica la distribuzione dei residui. La rotazione del sensore accentua il profilo gaussiano della distribuzione a causa maggiore charge sharing. Analoghi risultati nel sensore 3D-DTC-2B

Efficienza Efficienze calcolate con: 3D-DTC-2B - B=OFF; A=0 Efficienze calcolate con: ampiezza cluster dal centro del pixel x =400 um; y = 50 um. tracce con 2<20. 3D-DTC-2B - B=OFF; A= /12 Configurazioni 3D-DTC-2 3D-DTC-2B PLANARE B A  (0.001) OFF 0.975 0.982 0.989 ON 0.977 0.984 0.991 /12 0.976 0.979 0.990 0.993 0.992 3D-DTC-2B - B=ON; A= /12 La non uniformità dei sensori 3D dovuta alle colonne è superata ruotando il sensore. I valori di efficienza sono massimi nella configurazione B=ON A=/12.

Conclusioni Sono stati presentati i sensori a pixel 3D-DDTC. L’analisi preliminare svolta in questa tesi sui dati acquisiti nel test su fascio mostra che: Il ToT segue la distribuzione di Landau attesa; Il charge sharing e la risoluzione spaziale sono dipendenti dalla rotazione del sensore ma non dal campo magnetico; Le efficienze raggiungono valori superiori al 99% nella configurazione B=ON A= /12. I risultati ottenuti in questa tesi sono preliminari e un’analisi più approfondita è in corso da parte del gruppo di lavoro ATLAS 3D Sensor. Sono previste nuove misure sui sensori e il loro irraggiamento.

BACK-UP

ToT (1/2)

ToT (2/2)

Charge Sharing

Residui (1/2)

Residui (2/2)

Efficienza

Noise vs HV Oct. 2, 2009 Alessandro La Rosa ‐ CERN

B vs E B=OFF B=ON

SILICON SENSORS FOR PARTICLE DETECTION The idea is to get information about a particle crossing the sensor, reading the signal produced by ionization. N-type and P-type silicons are put in touch to crate a junction. A depletion zone arises near the interface. To increase the depleted zone: Put in touch high-doped part with low-doped part. Apply a reversal bias. Particle passing through the depletion region of the silicon ionizes and generate a current. N-type P-type + -

A. La Rosa, “Preliminary results of 3D-DDTC pixel detectors for the ATLAS upgrade” given talk at RD09. Proceeding

RADIATION HARDNESS Signal efficiency: L = inner electrode distance. C.DaVià, NIM A 604 (2009) 505 Main radiation effects: Increase of the leakage current. Decrease of the signal. Change of the space charge in the depleted region → need to increase the bias voltage. The 3D charge collection allows to minimize the effect of the radiation damage during the charge drift. Radiation hardness is one of the most important 3D features for high energy physics. Signal efficiency: L = inner electrode distance. K = damage constant. D = electron saturated drift velocity.  = particle fluence.

Dispositivo sperimentale

FE-I3 Pixel Unit Cell (PUC) 60 ToT @ 20 ke- Segnale MIP 20 ke- I. Peric, NIM A 565 (2006) 178 Pixel Unit Cell (PUC) 60 ToT @ 20 ke- Segnale MIP 20 ke- Noise 200 e- Threshold 3200 e-

3D-DDTC 3D-DTC-2 3D-DTC-2B Spessore del substrato um 200 Spessore colonna di giunzione (n+) 100-110 140-170 Spessore della colonna ohmica (p+) 180-190 Sovrapposizione delle colonne 90-100 110-150 Concentrazione del drogaggio del substrato cm-3 1 X 1012 7 X 1011 Tensione di svuotamento laterale V 3 1-2 Tensione di svuotamento totale 12 3-4 Corrente di leakage pA/colonna <1 Capacità vs backplane fF/colonna 35 45-50 Tensione di break-down >70 G.-F. Dalla Betta, “Development of 3D-DDTC pixel detectors for the ATLAS upgrade”, presentato al 7° International “Hiroshima” Symposium on Development and Application of Semiconductor Tracking Devices, Hiroshima (Japan), Aug.27-Sep.1 (2009).

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