Spektroskopische Performance bestrahlter DEPFET Sensoren MPI für Physik – MPI Halbleiterlabor DPG Frühjahrstagung Stefan Rummel für die DEPFET COLLABORATION DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

Überblick DEPFET Prinzip DEPFET als Vertexdetektor für ILC Spektroskopische Untersuchungen bestrahlter DEPFET Sensoren DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

DEPFET Prinzip Verbindung von hochohmigen Basismaterial mit p-MOSFET Verstärker “APS” Potential Minimum unter dem Kanal mittels Seitwärtsdepletion und n-Dotierung Elektronen im “internen Gate” modulieren den Transistorstrom Ladung wird mittels Clear Kontakt entfernt Großes sensitives Volumen durch voll depletiertes Substrat Geringes Rauschen durch kleine Kapazität des Internen Gates Transistor kann mit dem externen Gate ausgeschaltet werden – Ladungssammlung weiterhin aktiv DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

DEPFET als Vertexdetektor für ILC Θ) Auflösung: σd ≤ √ (5 μm)² + (10 μm/(p·sin3/2))² Framerate ~ 20kHz Materialbudget von 0.1 %X0 je Layer DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

Übersicht Spektroskopie Bestrahlungen durchgeführt von Devis Contarado, Marco Battaglia und Piero Giubilato (LBNL) Doppelpixelstrukturen mit 6µm Gatelänge Strombasierte Auslese Untersuchung mit Hinblick auf: Elektrische Charakteristik Leckstrom Spektroskopische Performance D1 D2 S G1 G2 Cl Art Protonen @ 30MeV Neutronen @ 1-20MeV Gammas - Co60 Dosis 1.2 * 1012 n/cm² 1.6 * 1011 n/cm² 913kRad 1MeV n äquivalent 3*1012 2.4*1011 ILC – Erwartung [LDC DOD] 1MeV n äquivalent: 8.5 * 1010/cm²/year ILC Betriebsjahre 35 Jahre 3 Jahre DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

Einfluss der Strahlung NIEL (Non Ionizing Energy Loss) Hauptsächlich Schäden im Bulk Ionizing Energy Loss ( gelandene Teilchen) Interface und Bulk werden geschädigt Makroskopische Effekte: Verschiebung der Einsatzspannung (Thresholdvoltage) Anstieg von Leckstrom – generiert in Bulk und Interface Anstieg in 1/f Rauschen Änderung der effektiven Dotierung Weitere Untersuchungen zur Strahlenhärte des MOS-Interface im Talk von Qingyu Wei! DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

P – Bestrahlung - Elektrische Charakteristik Vt: 0.4  -5.6 V slope: 102  326 mV/dec 283 krad(Si) 3e12 neq/cm2 High Res. Ausgangscharakteristik gm Anstieg des Subthresholdslopes deutet auf Erhöhung des 1/f Rauschens hin Gm ist merklich um15% reduziert DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

P Best. – Leckstrom Temperaturabhängigkeit Erwarteter Anstieg um Faktor 2 je 7°C I  2^(T/6. 4°C) I  2^(T/8.1°C) Abhängigkeit von Betriebsparameter deutet auf Oberflächengenerierten Leckstrom hin Dicker (350µm) Detektor - Bulk Leckstrom verringert sich mit Dicke Bei 0°C um 10e/µs -> Integrationszeit 250µs -> 50e Beitrag zum ENC Bestrahlung ist äquivalent zu 35y ILC Betrieb DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

τ Spektroskopie Setup MCA Silena ADC RC-CR Shaper First stage: Drain DEPFET Silena ADC First stage: TIA AD8015 10kΏ Second stage: AD8129 A=10 RC-CR Shaper R bias 39kΩ τ Clear DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

p Bestrahlt – Spektroskopische Performance D1 G1 S Cl G2 D2 Therm. Rauschen 1/f IL DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

p Bestrahlt - Fe55 Spektrum nach 35y ILC τ=1µs T=-18°C ENCnoi = 13.5e- Getrennter Ka Kb Peak! DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

n Bestrahlt - Elektrische Charakteristik HE implant Vt: -1.2 V slope: 96  98 mV/dec 2..3e11 neq/cm2 Keine Verschiebung der Einsatzspannung Kein merklicher Anstieg des Subthresholdslops DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

n Bestrahlt – Spektroskopische Performance Leckstrom rund 8.9e/µs @ 23°C Bei niedrigen Temperaturen kaum Verschlechterung im vergl. zu unbestrahlten DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

n Bestrahlt – Fe55 Spektrum nach 3y ILC τ=6µs T=6°C ENCnoi =3.1e- DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

Zusammenfassung - Spektroskopie n Bestrahlter Detektor verhält sich bei niederen Temperaturen wie unbestrahlter kein merklicher Anstieg in 1/f und thermischen Rauschen nur Bulk Schaden beobachtet p Bestrahlter Detektor zeigt auch bei niederen Temperaturen erhöhtes Rauschen 1/f erhöht wie vom Subthresholdslope erwartet verringertes gm erhöht das thermische Rauschen Aber: Alle bestrahlten Detektoren zeigen gute Spektroskopische Leistung Eine direkte Messung der spektralen Rauschdichte wird gerade durchgeführt DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik

Zusammenfassung Die Bestrahlten Zellen verhalten sich wie erwartet mit Hinblick auf Thresholdvoltageshift und Leckstrom Spektroskopische Performance der n- und p- bestrahlten Detektoren ist trotz bis zu 35 Jahren ILC äquivalenter Bestrahlung gut Die DEPFET- Doppelpixelstruktur kann im Zusammenhang mit ILC als Strahlenhart angesehen werden Bestrahlungen von Matrizen werden das Bild vervollständigen! DPG Frühjahrstagung, Heidelberg 05-09.03.2007 Stefan Rummel; MPI für Physik