16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 1 Untersuchung von strahlenharten Multigeometrie-Pixelsensoren für den zukünftigen CMS Spurdetektor im Rahmen der HPK-Kampagne

16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 2 Kurzeinleitung Für den CMS-Spurdetektor „HPK*-Kampagne“ Untersuchung verschiedener Substrate (Float Zone, Magnetic Czochralski und Epitaktisches Silizium); verschiedener Dicken (320, 200, 120, 100, 50  m) und verschiedener Prozess- und Isolationstechnologien (p-in-n (N), n-in-p pstop (P), n-in-p pspray (Y)) produziert von einem Hersteller!!! –Im Folgenden werden aus dieser Kampagne Messergebnisse für Multigeometry-Pixel (MPIX)-Sensoren vorgestellt –Namensschema: Material + Dicke + Technologie *Hamamatsu Photonics KK

16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen Pixel 32…1 8 Line 1 N S E W

16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 4 Multipixel -2 Bias Ring Guard Ring Pixel P oly s ilizium Widerstand P unch t hrough Transistor Isolation

16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 5 Besonderheiten Teststrukturen für Sensoren des innersten Bereich des zukünftigen Spurdetektors –Hohe Granularität Einzige Teststruktur innerhalb der Kampagne mit Punch-through-Transistor –Besonderes Augenmerk bei der Auswertung auf den Vergleich der beiden Bias-Methoden „P T -Modul“  =1  =2

16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 6 Messungen C/V und I/V Kurve des Biasrings Pixelstrom und -kapazität Zwischenpixelkapazität und -widerstand Biaswiderstand Gemessen wurden bisher 19 FZ, 8 Mcz und 8 Epi Sensoren von allen verfügbaren Dicken und Technologien Gute Kenntnis der Eigenschaften der unbestrahlten Sensoren! Diese ist nötig um sie später mit den Ergebnissen von Messungen an bestrahlten Sensoren zu vergleichen zu können. -> Strahlungshärte

C/V Kurve des Biasrings 16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 7 Verarmungsspannung = Minimale Betriebsspannung

C/V Kurve des Biasrings

I/V Kurve des Biasrings - Durchbruchsspannung Typische Werte: FZ320 > 1000V FZ200, M200 > 700V FZ120 > 500V E100 > 500V E50 > 350V 16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 9 Durchbruchsspannung = Maximale Betriebsspannung

Zwischenpixelkapazität Rauschen C PT > C PS C 120  m < C 100  m < C 80  m C lang ~ 2*C kurz 16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 10 Keine Abhängigkeit von der Technologie !!!

Zwischenpixelwiderstand M  Epi 16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 11 Pixelisolation R int (PT) > R int (PS) >1T  für Epi >1G  für M

Pixelkapazität 16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 12 Rauschen / Elektronik C PT > C PS Abstand: C 120  m >C 100  m >C 80  m Dicke : C 320  m <C 200  m <C 120  m

Pixel Strom 16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 13 Leckstrom – “Blindleistung” I PT > I PS I 120  m > I 100  m > I 80  m Technologien zeigen gleiches Verhalten

R bias 16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 14

16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 15 Zusammenfassung Alle untersuchten Mpix-Sensoren liegen im Rahmen der Spezifikationen Deutliche Unterschiede der elektrischen Eigenschaften für die verschiedenen Bias- Methoden Der Einfluss der Produktionstechnologie konnte z.B. für die Pixelkapazität untersucht werden

Ausblick Mpix Sensoren werden derzeitig mit Protonen und Neutronen bestrahlt und werden anschließend erneut gemessen Parallel zu den elektrischen Messungen sind Teststrahlmessungen vorgenommen worden und werden derzeitig ausgewertet 16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 16

16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 17 Anhang

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24/10/11Matthias Bergholz DESY Zeuthen HPK # Campaign (1) The goal is to find the best material and geometry choice for the upgrade of the CMS (silicon) tracker To achieve this goal one wafer layout was designed and produced with different substrates, thicknesses and different production technologies but with same production process from one manufacturer! (Hamamatsu) * Physical thickness is 320  m, active thickness is reduced by a “Deep Diffusion” process # technology / materialFZ- 320  m FZ- 200  m FZ- 200  m* FZ- 120  m FZ- 120  m* MCz- 200  m Epi- 100  m Epi- 50  m P-in-N N-in-P pstop N-in-P pspray 'nd metal P-in-N 6 2'nd metal N-in-P pstop 6 2'nd metal N-in-P pspray 6 FZ – Floating Zone silicon MCz – Magnetic Czochralski silicon Epi – EPItaxial silicon In total 158 wafers have to be qualified, irradiated and re-qualified.

1. HPK Campaign (3) 24/10/11Matthias Bergholz DESY Zeuthen 20 N-irradiation (Ljubljana) P-irradiation (KIT) N-irradiation (Ljubljana) Radius [cm] Protons [10 14 n eq /cm 2 ] Neutons [10 14 n eq /cm 2 ] Sum [10 14 n eq /cm 2 ] Ratio P/N Corresponding to simulated fluences Single and mixed particle irradiation for 5 radii Electrical measurements after each irradiation Several beam tests Annealing studies after irradiation Expected fluences at 3000fb -1 for CMS

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Biasing and isolation technics 22