Jörn Lange, Eckhart Fretwurst, Gunnar Lindström

Präsentation zum Thema: "Jörn Lange, Eckhart Fretwurst, Gunnar Lindström"—  Präsentation transkript:

1 Untersuchung der Strahlenschädigung von Protonen-bestrahlten epitaktischen Siliziumdetektoren
Jörn Lange, Eckhart Fretwurst, Gunnar Lindström Institut für Experimentalphysik, Detektorlabor Universität Hamburg DPG Frühjahrstagung März 2008, Freiburg

2 Jörn Lange – Strahlenschäden von epitaktischen Si-Detektoren 2
Motivation Upgrade: LHC  S-LHC Luminosität 1034cm-2s  1035cm-2s-1 Fluenz F(r=4cm) 3x 1015cm  1.6x 1016cm-2  extreme Strahlenhärte erforderlich! Lösungsansatz: Dünne Detektoren (z.B. Epi) geringere Verarmungsspannung (Udep~d2) geringerer Leckstrom (Irev~d)  weniger Rauschen und Leistungsaufnahme größere Ladungssammlungseffizienz (CCE) (tC~d  weniger Trapping) Nachteile: schwächeres Signal für MIPs (Signal~d) größere Kapazität (Cdet~1/d)  größeres elektron. Rauschen  Finde optimale Dicke , DPG Freiburg Jörn Lange – Strahlenschäden von epitaktischen Si-Detektoren 2

3 Material und Untersuchungsmethoden
Epitaktische n-Si Pad-Detektoren auf Cz-Substrat in 3 verschiedenen Dicken: - 75µm Neff,0=2.5x1013cm-3 - 100µm Neff,0=1.5x1013cm-3 - 150µm Neff,0=0.8x1013cm-3 Jeweils Standard (ST) und sauerstoffangereichertes (DO) Material 23GeV-Protonen-Bestrahlung (CERN PS) bis Feq=1016cm-2 Ausheilung bis Hier: Untersuchung makroskopischer Parameter - IV  Irev - CV  Udep - TCT  CCE, ttrap , DPG Freiburg Jörn Lange – Strahlenschäden von epitaktischen Si-Detektoren 3

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Verarmungsspannung a) Ausheilkurve bei 80°C b) Fluenzabhängigkeit Udep(F,t) = UC(F) ± UA(F,t) ± UY(F,t) 1) Udep-Anstieg (short term annealing) 2) Maximum bei ca. 8min (stable damage) 3) Udep-Abfall (long term annealing)  nicht-invertierte Dioden Moderater Anstieg bei hohen Fluenzen für 75µm und 100µm Relativ steiler Anstieg bei hohen Fluenzen für 150µm Udep(ST) < Udep (DO) Udep(ST) fast immer < Udep(DO)!!!! , DPG Freiburg Jörn Lange – Strahlenschäden von epitaktischen Si-Detektoren 4

5 Transient Current Technique (TCT)
p+ Laser / a - + Front (-) Rear (+) n+ a) 244Cm-a: 5.8MeV - l=23µm  Strom auch durch Löcher - konstante Ladungsdeposition  CCE durch Normierung auf unbestr. Det. b) 670nm Laser: - l=3µm  nur Elektronen-Beitrag - Intensitätsschwankungen  Normierung nicht möglich , DPG Freiburg Jörn Lange – Strahlenschäden von epitaktischen Si-Detektoren 5

6 a: Ladungssammlungseffizienz als Funktion der Detektor-Spannung
350V Beispiel: - Ist 350V ein realistischer Betriebswert? - Was ist der Fehler für jeden Messpunkt? - CCE steigt mit steigender Spannung U wegen sich verringerndem tC bis zur Sättigung - CCE sinkt mit steigender Fluenz - CCE sinkt mit steigender Dicke - , DPG Freiburg Jörn Lange – Strahlenschäden von epitaktischen Si-Detektoren 6

7 a-TCT: Ladungssammlungseffizienz als Funktion der Fluenz
CCE sinkt mit steigender Fluenz (geringeres ttrap ) CCE sinkt mit steigender Dicke (größeres tC) Lineare Extrapolation (Vorsicht!) bis 1016cm-2: - CCE( 75µm)  CCE(100µm)  CCE(150µm)  0 Kein signifikanter Unterschied zwischen ST und DO  Trapping materialunabhängig? Bem.: CCE(4x1015cm-2) nur untere Grenze für wirklichen Wert und daher nicht beim Fit berücksichtigt 4e15 nicht beim Fit berücksichtigt da CCE(4e15) nur untersten Grenzwert darstellt , DPG Freiburg Jörn Lange – Strahlenschäden von epitaktischen Si-Detektoren 7

8 Laser-TCT: Bestimmung von ttrap?
ttrap= 9 ns (Fit) vgl. ttrap = 6.5 ns (FZ) Bisherige Methoden: ttrap nur für dicke Detektoren (FZ, Cz) und bis 2x1014cm-2 messbar da zeitaufgelöstes Signal Voraussetzung Idee hier: Fitte Q(U) mit wobei Aber: Fit stark abhängig von Fit-Intervall, Modellannahmen (vdr-Modell, E-Feld etc.) Starke Schwankungen bei fester Fluenz  noch große Unsicherheiten, weitere Untersuchungen notwendig Fluenz 3x1014cm-2 1x1015cm-2 ttrap [ns] FZ (extrapol.) 6.5 ± 0.3 1.8 ± 0.1 Fit 3 - 11 , DPG Freiburg Jörn Lange – Strahlenschäden von epitaktischen Si-Detektoren 8

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Zusammenfassung Udep-Ausheilkurve: Maximum  keine Inversion des Raumladungstyps bis 4x1015cm-2 Einfluss der Dicke: - Udep größer für 150µm als für 75µm/100µm - CCE sehr gut für 75µm, verschlechtert sich stark mit steigender Dicke Einfluss der Sauerstoffkonzentration: - Udep(ST) < Udep (DO) - CCE unabhängig von Sauerstoffkonzentration Erste Bestimmung von ttrap durch Q(U)-Fit, aber noch große Unsicherheiten Alternative zu direkter ttrap–Bestimmung: Simulation von CCE(F) mit ttrap(FZ) Messung von höher bestrahlten Detektoren bei Kühlung Weitere Ausheilung Korrelation mit Defektanalyse Ausblick , DPG Freiburg Jörn Lange – Strahlenschäden von epitaktischen Si-Detektoren 9