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SLHC 用 P 型シリコン飛跡検出器の 放射線によるバルク部損傷の評価
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SLHC 用 P 型シリコン飛跡検出器の放射線によるバルク部損傷の評価
筑波大学 三井真吾
金信弘 , 原和彦 , 山田美帆 , 濱崎菜都美 ( 筑波大 )池上陽一 , 海野義信 , 高力孝 , 寺田進 (KEK)高嶋隆一 ( 京都教育大 ), 花垣和則 ( 阪大 )中野逸夫 ( 岡山大 )他アトラス SCT グループ
P 型シリコン飛跡検出器の放射線損傷
放射線により、バルク部のシリコン結晶内に格子欠陥が形成され、センサーの性能が劣化する。 ・暗電流の増加 ・全空乏化電圧の上昇 ・収集電荷量の減少
SLHC では、 SCT 領域で最大 (8-11) x 1014 1MeV neq/cm2 の放射線が見込まれ、陽子と中性子の寄与は Z=0 では 1 : 1 (前方では中性子の寄与が大きい)
東北大の CYRIC において、 70MeV の陽子を照射 (0.1 ~ 100 x 1013 n/cm2) スロベニアの Ljubljana 原子炉において、中性子を照射 (20 ~ 100 x 1013 n/cm2)
SLHC 用に高放射線耐性を持つ、 P 型シリコン飛跡検出器を開発する。本研究では、放射線によるバルク部の損傷の評価を行う。
1cm 角サンプルに、陽子または中性子を照射し、バルク部の特性変化を評価した。
サンプル・測定項目
測定項目① I-V 測定・・・暗電流の増加量の評価②C-V 測定・・・全空乏化電圧の変化の評価③β 線による収集電荷量測定・・・電荷収集効率・全空乏化電圧の変化の評価
サンプルは、 FZ 法による P 型ウェハーを用いた浜松ホトニクス社製。サンプルは PCB に接着し、ワイヤーボンドにより測定に必要な配線を施す。サイズ 1cm x 1cm 厚み 320μmストリップ数 108 本
p-stop や p-spray の濃度の異なるサンプルについて測定を行った。⇒ バルク部の損傷は、表面の構造によらないと考えられる。
Read out
Bias ・ IV ・CV
sample
I-V ・ C-V 測定 測定方法① I-V 測定 ・・・ バルク部に流れる、電流を測定。②C-V 測定 ・・・ バルク部の静電容量を測定。
今回は、 60℃ 、 80 分のアニ-ル後の測定結果
f=1kHz
Bias ring
Vbias = 0 ~- 1000V
温度- 20℃
暗電流 @ - 20℃
100 x 1013 n/cm2
60 x 1013
20 x 1013
1 x 1013
0.1 x 1013
proton neutron100 x 1013 n/cm2
50 x 1013
20 x 1013
表面状態の変化による暗電流の増加が 1012 n/cm2 辺りで見られた。
照射量とともに、暗電流が増加している。
non irrad
暗電流 @ - 20℃
4x10-17 A/cm x 1015 n/cm2 x 0.03 cm3 x 0.018 = 22A( 損傷係数 ) ( 照射量 ) ( センサーサイズ ) ( - 20℃ への換算係数 )
n 型バルクの損傷係数から予想される値よりやや低いが、線形性が見られる。陽子と中性子で損傷係数は同程度である。
予想値
C-V 測定
全空乏化電圧の評価
(NA= アクセプタ密度 ND= ドナー密度 ε= シリコン誘電率 V= バイアス電圧 e= 素電荷 d=空乏層の厚さ )
1/C2 はバイアス電圧に比例し、全空乏化後は一定になる。
収集電荷量は空乏層の厚さ d に比例。d2 V∝ Bias から、収集電荷量の 2 乗はVBias に比例し全空乏化後は一定になる。
β 測定
Full Depletion Voltage
(Cbulk=εS/d)
1/C2 - V 曲線proton neutron
陽子、中性子で FDV に明らかな差がある( ~1015 n/cm2 の照射量では 700V vs >1000V)
FDV は 2 直線の交点から評価: 低電圧部のスロープの違いは不確かさとして評価
700V1000V
読み出しは 6本。両端 2本をまとめ、 4ch の電荷量を ADC で測定した。1fC≒185ADC counts
β線による収集電荷量測定β線 (2.3MeV) は、最小電離粒子 (MIP)相当であり、 320μm のシリコンセンサーでは 3.2fC 程度の信号となる。
センサー
Sr90Sr90
シンチ
0.5mm0.5mm
アブソーバー
ch1
この領域に入った信号を解析に用いた。
ch2
ch3
ch4
ch1 または ch4 の信号が 1.2fC以上になるような信号を棄却した。( ch2+ch3 )の分布
シグナル
アルミ 1mm
5x5mm
- 500V 1e12 n/cm2
ch2+ch3
CC-V 曲線proton neutron
Non irrad2050100 x 1013 n/cm2
Non irrad0.1102050100 x 1013 n/cm2
Non irrad2050100 x 1013 n/cm2
実線: p点線: n
proton & neutron
陽子と中性子で、電荷収集量に差がある。⇒ 低電圧では、陽子の方が電荷収集量は多いが、高電圧では中性子の方が多い。
Vbias= - 500V と- 800V における電荷収集効率を次ページに示す。
700V 1000V
(CC)2 は Vbias に比例し、全空乏化後に一定になる。その交点から全空乏化電圧を評価する。
300V 600V200V 800V500V
電荷収集効率
電荷収集効率 = 照射後収集電荷量/未照射収集電荷量 ( 全空乏化 )Proton(1x1015 n/cm2) : Vbias= - 500V で 0.55 程度、- 800V で 0.65 程度まで減少する。Neutron(1x1015 n/cm2) : Vbias= - 500V で 0.45 程度、- 800V で 0.65 程度まで減少する。
エレクトロニクスのノイズは 0.1fC(ENC= 600e - ) 程度なので、 S/N>10 には、CCE>0.3
- 500V
S/N>10 S/N>10
- 800V
全空乏化電圧の評価
(NA= アクセプタ密度 ND= ドナー密度 ε= シリコン誘電率 V= バイアス電圧 e= 素電荷 d=空乏層の厚さ )
1/C2 はバイアス電圧に比例し、全空乏化後は一定になる。
収集電荷量は空乏層の厚さ d に比例。d2 V∝ Bias から、収集電荷量の 2 乗はVBias に比例し全空乏化後は一定になる。
β 測定
Full Depletion Voltage
(Cbulk=εS/d)
C-V 測定
全空乏化電圧
Proton(1x1015 n/cm2) : - 700V 程度まで上昇している。Neutron(1x1015 n/cm2) : - 1000V 程度まで上昇している。CV 測定は、 β線測定の結果とよく一致している。