R&D zu Siliziumsensoren an zukünftigen Beschleunigeranlagen

Präsentation zum Thema: "R&D zu Siliziumsensoren an zukünftigen Beschleunigeranlagen"—  Präsentation transkript:

1 R&D zu Siliziumsensoren an zukünftigen Beschleunigeranlagen
Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

2 Schwerpunkt: Sensor R&D für ILC und SLHC
Daten der geplanten Beschleunigeranlagen: International Linear Collider (ILC): Elektron-Positron Beschleuniger Schwerpunktsenergie bis zu 1 TeV Luminosität >1034/(cm2*s) Bunch timing: 5 Trains pro Sekunde, 2820 bunches pro Train Zeit zwischen Trains: 307 ns Super Large Hadron Collider (SLHC): Proton-Proton Beschleuniger (LHC Upgrade) Schwerpunktsenergie: 14 TeV Luminosität bis zu 1035/(cm2 *s) Bunch-Crossing: 12.5 ns (75 ns) geplant Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

3 Sensor / Funktionsprinzip
Dioden in Sperrrichtung Strahlung erzeugt Elektronen-Loch-Paare, Ladungen fließen ab CMS: p in n, kapazitive Auslese Produktionsmethoden wie bei ICs Ausleseelektronik Pitchadapter Trägerstruktur mit Anschlüssen Sensor CMS Spurdetektor Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

4 Anforderungen an Si-Sensoren am ILC
große Sensorfläche zur Materialeinsparung  größere Wafer Materialeinsparung bei mechanischen Trägerstrukturen, Elektronik, Bonds, Pitchadaptern, etc. um Wechselwirkungen zu verhindern dünne Sensoren zur Materialeinsparung Einsparung des Hybriden (Elektronik) durch Integration auf dem Sensor geringer Leistungsverbrauch zur Einsparung von Kühlungsmaterial geringere Strahlenhärte notwendig als bei LHC und SLHC  Auswirkungen auf Design der benötigten Auslesechips Unterschiedliche Anforderungen an Sensoren und Ausleseelektronik beim International Linear Collider und dem Super Large Hadron Collider. Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

5 Methoden zur Materialeinsparung
Größere Sensorfläche erreichbar durch: Größere Wafer. Kontakte zur Industrie zur Herstellung eines Sensor- Prototypen aus einem 8“ Wafer. (CMS: 6“) - Bau langer Sensormodule aus Streifensensoren Sensorleiter aus 10 HPK GLAST-Sensoren. Gebaut in Karlsruhe. Versehen mit neu entwickelter Ausleseelektronik (UMC 180 nm bzw. UMC 130 nm Chip) und Referenzauslesechips (VA1) Beamtests zum Test der Elektronik und für Signal / Rauschen Studien Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

6 Methoden zur Materialeinsparung
Pitchadapter Einsparung des Hybriden: Auslesechip wird direkt durch Bump Bonding auf dem Sensor angebracht. Auslese der Signale auf den Streifen durch Aufbringen einer 2. Metallschicht („Routing“). Sensor Ausleseelektronik Zugehöriges Maskendesign zur Sensorproduktion mit der professionellen Software IC Station von Mentor Graphics. SID Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

7 Methoden zum Erzielen geringerer Leistungsaufnahme
Geringe Leistungsaufnahme  geringe Wärmeproduktion  Einsparung von Kühlmaterial  weniger Streuung Vdepl : Depletionsspannung d:Dicke Nd : effektive Dotierkonzentration - Dünne Sensoren, denn und I ~ d.  Leistung ~ d3 Minimum: 320µm (CMS). Bei der Industrie in Planung: 200µm bzw. 100µm und weniger. - Kleinere Auslesechips  180 nm-, 130 nm-Technik, möglicherweise 90 nm Layout 130 nm Auslesechip (verantwortlich: LPNHE, Paris) Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

8 Anforderungen an Si-Sensoren für SLHC/SCMS
Sehr hohe Strahlenhärte, Belastung ~ 6x höher als bei CMS Hohe „Occupancy“, Auslesekanäle können einzelne aufeinander folgende Events nicht mehr auflösen schnelle Sensorauslese notwendig hohe Eventrate und Strahlenschäden führen zu höherer Leistungsaufnahme Materialeinsparung Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

9 Martin Frey, IEKP, Karlsruhe
Problem „Occupancy“ CMS: 512 bzw. 768 Streifen, Sensorlänge ~10 cm bzw. ~20 cm, pitch 80 – 200 µm occupancy ~ 2%. Einzelne Ereignisse lassen sich gut auflösen. SCMS: occupancy rund sechs mal größer, Zeit- und Ortsauflösung einzelner Ereignisse nur noch durch neues Sensordesign möglich. Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

10 Lösungsmöglichkeit für das „Occupancy“-Problems
Pixelsensoren im inneren Detektorbereich, gefolgt von „Strixelsensoren“ in weiter vom Wechselwirkungspunkt weg gelegenen Bereichen. Anschließend Streifensensoren. Strixel als Stufe zwischen Streifen und Pixel erhöhen Ortsauflösung und vermindern Belegung der einzelnen Kanäle. In zweiter Metallschicht werden Signale von den Strixel zum Chip geführt. Karlsruhe plant einen Entwurf eines Designs für einen Strixelsensor in Kooperation mit HEPHY Wien mittels ICStation von Mentor Graphics. Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

11 Problem Strahlenschäden / Strahlenhärte
Teilchen Si L Z Frenkel Paar EK > 25 eV Punktdefekte Gitterlücke (L) + Zwischengitterplatz (Z) EK > 5 keV Cluster Einfluss der Defekte auf die Materialeigenschaften geladene Defekte  Zunahme von Neff , Vdep Trapping (e und h)  Abnahme der Ladungssammlungseffizienz Generationsstrom  Zunahme des Leckstroms z.B. Donatoren im oberen und Akzeptoren im unteren Bereich der Bandlücke Oberflächendefekte liefern keinen Beitrag bei Zimmertemperatur aufgrund schnellen “detrappings”. Hierzu tragen vor allem Niveaus in der Mitte der Bandlücke bei. Biasspannung erhöhen Kühlung Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

12 strahlenhartes Material: M-Cz Silizium
Produktionsprozess führt zu hohem Sauerstoffanteil. Homogene Verteilung. Material  (cm) [Oi] (cm-3) FZ 1–710 3 < 51016 DOFZ ~ 1–21017 Cz ~ 110 3 ~ 8-91017 MCz ~ 4-91017 Verlauf Neff und Depletionsspannung mit der Fluenz Strahlung erzeugt Schäden die sich wie Akzeptoren verhalten. O wirkt Akzeptorbildung entgegen  effektive Dotierkonzentration nimmt nicht so stark zu Depletionsspannung ist proportional zu der effektiven Dotierkonzentration.  Depletionsspannung nimmt weniger stark zu  Sensor lässt sich auch nach hoher Strahlendosis noch depletieren ohne einen Spannungsdurchbruch zu erzeugen. Tiefenprofil O-Konzentration verschiedener Wafer-Materialien Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

13 Siliziumproduktion: Czochralski Silizium (Cz)
Entwicklungen in der Industrie führten in neuerer Zeit zu Czochralski Material mit einer für den Sensorbau ausreichenden Reinheit. Ein Silizium Einkristall wird als Impfkristall langsam unter Drehungen aus einer Siliziumschmelze gezogen. Kostengünstiges Produktionsverfahren Gängig in der IC Industrie Intrinsisch höhere O Konzentration Magnetic Czochralski: Ingot befindet sich in starkem Magnetfeld. Magnetfeld dämpft durch Lorentzkräfte Schwingungen in der Schmelze. Konzentration und Verteilung von Sauerstoff können so besser kontrolliert werden als im Standardverfahren. Magnetfeld kein Magnetfeld Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

14 Testprogramm für M-Cz Sensoren
Bau von Detektormodulen mit APV Auslesehybriden. Bestrahlung bei verschiedenen Fluenzen. Neutronenbestrahlung / Protonenbestrahlung. Testbeam mit Myonen: Vergleich der bestrahlten und unbestrahlten Module bezüglich Signal / Rauschen, Clustering, Ladungssammlungseffizienz, Depletionsspannung, Leckstrom Test auf Typinversion u. A.. an einem Transient Current Technique (TCT) Setup. Module: 1 x Referenzmodul 1 x Fluenz 1*10^14/cm^2 Protonen (neq.) 1 x Fluenz 5*10^14/cm^2 Protonen (neq.) 1 x Fluenz 10^15/cm^2 Protonen (neq.) 1 x Fluenz 5*10^14/cm^2 Neutronen (neq.) 1 x Fluenz 10^15/cm^2 Neutronen (neq.) Beamteleskop (8 Referenzsensoren in Kältebox) Martin Frey, IEKP, Karlsruhe

15 Martin Frey, IEKP, Karlsruhe
Ausblick Für SILC (Silicon for Linear Collider) wird gerade ein Beamtest vorbereitet. Test von 180nm- und 130nm-Chip-Prototypen. Test verschiedener Module. Beamtest zur Untersuchung von M-Cz Silizium ging vor zwei Wochen zu Ende. Daten müssen ausgewertet werden. Erste Einblicke deuten auf ein sehr gutes Verhalten des Materials hin. Auswertung von gemischt bestrahlten (n+p) Minisensoren. Neue Sensoren in Produktion am Helsinki Institut für Physik. Weitere Tests geplant. Martin Frey, IEKP, Karlsruhe