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Danni da radiazione su prototipi al silicio di tipo innovativo

Danni da radiazione su prototipi al silicio di tipo innovativo. Tesi di dottorato in Fisica. Università degli studi di Bari Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali, Dipartimento di Fisica. Relatori: Prof. Mauro DePalma Prof. Donato Creanza. Dottorando: Norman Manna.

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Danni da radiazione su prototipi al silicio di tipo innovativo

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  1. Danni da radiazione su prototipi al silicio di tipo innovativo Tesi di dottorato in Fisica Università degli studi di Bari Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali, Dipartimento di Fisica. Relatori: Prof. Mauro DePalma Prof. Donato Creanza Dottorando: Norman Manna

  2. MOTIVAZIONI ~5 anni Aumento della luminosità di LHC (1034 1035)cm-2s-1 (se ne discute dal 2002). Data di partenza ~ 2015. Per aumentare il numero degli eventi ed avere una statistica migliore Il limite maggiore è rappresentato dalla non resistenza a questi flussi dei silici che costituiscono i tracciatori dei diversi esperimenti. [1] Atlas Radiation Background Task Force, ATL-GEN-2005-001, Jan. 2005. [2] F. Giannotti et al., hep-ph/0204087, April 2002. [3] R. Horisberger , CMS Workshop on SLHC, CERN, Feb. 2004.

  3. (1) Danno di superficie +++++ +++++ +++++ +++++ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Irraggiamento 1-aaumento della carica positiva 1-brottura dei legami reticolari all’interfaccia 1-a Riduzione dell’isolamento fra le strisce aumento Cii  aumentodella tensione operativa 1-b Incremento delle trappole presenti all’interfaccia Si-SiO2  aumento corrente di superficie Vbreaka tensioni più basse.

  4. (2) Danno del substrato V I VO neutro:non dannoso PARTICELLA SI V+I V V20 contribuisce al segno di Neff Ec VO cluster V20 Ef Ev

  5. Oxygen concentration in FZ, CZ and EPI • Epitaxial silicon • Cz and DOFZ silicon EPIlayer • CZ: alta e omogenea concentrzione di ossigeno CZ substrate [G.Lindström et al.,10th European Symposium on Semiconductor Detectors, 12-16 June 2005] • EPI: Ossigeno diffonde dal substrato Cz • EPI: La concentrazione dell’ossigeno e la sua uniformità diminuiscono con lo spessore • DOFZ: concentrazione di ossigeno aumenta col tempo di ossigenazione • DOFZ: distribuzione non omogenea dell’ossigeno

  6. SMART:Wafer layout, 4” Pad detector Test2 Edge structures Test1 Square MG-diodes Microstrip detectors 100 um pitch 50 um pitch Inter strip Capacitance test Round MG-diodes 1stp-type MCz microstrip detectors RUN I p-on-n 22 wafers Fz, MCz, Epi RUN II n-on-p 24 wafersFz, MCz two p-spray doses:3E12 & 5E12 cm-2 substrati studiati in RD50 Wafer Layout disegnato dalla collaborazione SMART • Maschere processate dall’ITC-IRST (Trento)

  7. Irraggiamenti Set up @ CERN Set up @FZK April 2005 Protoni da 24 GeV al CERN 3 fluenze: 0.6x1014,2.7x1014, 3.4x1015)1-MeV n/cm2 9 diodi June 2005 Protoni da 26 MeV Ciclotrone di Karlsruhe 10 fluenze: 1.2x1014 - 6x1015 1-MeV n/cm2 20 mini-sensori, 8 strutture di test(capts), 100 diodi Set up @ JSI(Ljubljana) April 2006 Neutroni da reattore a Ljubljana 12 fluenze: 5.0x1013 8.5x1015 1-MeV n/cm2 27 mini-sensori, 11 strutturedi test (capts),100 diodi

  8. Caratterizzazione pre-irraggiamento : Diodi Inversione! SMART1 - p+/n - MCz 300mm C-V : processo uniforme del wafer I-V diodi: alte Vbd e buon valore di densità di corrente C-V diodi: Uniformità di r lungo il wafer SMART2 - n+/p - MCz 300mm Mappa di VFD dei diodi in un wafer p-type MCz Disuniformità probabilmente legata alla variazione della concentrazione di ossigeno nei substrati MCz C. Piemonte, 5th RD50 workshop Oct 2004

  9. Tensione di svuotamento dopo irr.(Fz n inversione di tipo) Irraggiamento con protoni da 26MeV Tipico andamento del substrato standard FZ_n T=200C

  10. MCz: irraggiamento con protoni da 24 GeV/c M. Moll. A. Bates NIM A F=2.7×1014 n/cm2 F=0.6×1014 n/cm2 NO-INVERSIONE: CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=2.7×1014 n/cm2 Alla fluenza F=1.3×1015 n/cm2 la giunzione dominante è ancora sul front (lato p+)

  11. Tensione di svuotamento dopo irr.(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV) T=200C

  12. Φ (1014n*cm-2) Fn = 5·1014 cm-2 Irraggiamento con neutroni: CV and TCT Vdep vs Fluence Annealing study 1min800C1giorno200C INVERSIONE

  13. Annealing inverso NEUTRON IRRADIATION PROTON IRRADIATION Limite strumentale Miglior comportamento degli MCz. Type non-inverted:depletion voltage has a maximum Type inverted:depletion voltage has a minimum

  14. DIODI EPITASSIALI 1.38x1014 n cm-2 4.09x1014 n cm-2 7.13x1014 n cm-2 , I sample 7.13x1014 n cm-2 , II sample Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg: le misure confermano l’inversione 26 MeV protons • Le misuire di annealing suggeriscono l’inversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza più bassa

  15. TANNEALING=8 min 800C αindipendente dal substrato tranne l’epitassiale β(CMS)=1.49

  16. Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensori Ileak/V (nA/cm-2) MCz p-type High p-Spray MCz n-type MCz p-type Low p-Spray Ileak/V (nA/cm-2) Ileak/V (nA/cm-2) 70 250 -Vbias (Volt) -Vbias (Volt) SMART1 - p+/n - MCz 300mm Resistività uniforme lungo il wafer Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown SMART2 - n+/p - MCz 300mm Resistività non uniforme come per i diodi Basse tensioni di breakdown Per i sensori di passo 100 mm Specialmente per l’alta dose di p-spray

  17. Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 MeV Leakage Current (A) Bias Voltage (V) • andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dell’annealing (misure a 0oC): • (1) Il livello di corrente fra MCz e Fz è lo stesso ad una data fluenza. • Alte tensioni di breakdown • La corrente inversa è proporzionale alla fluenza. FZ & MCz sensors n-type • andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dell’annealing (misure a 0oC): • (1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type. • I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze > 4.0 1014neq/cm2. p-type MCz Low p spray MCz High p spray MCz High p spray

  18. Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutroni p-type n-type MCz High p spray Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo l’irraggiamento con neutroni: poco danno di superfice (contaminazione g )

  19. Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacità Interstrip) MCz n-type 50µm Cint /l(pF/cm) 100µm Vbias (Volt) FZ p-type High p Spray MCz p-type High p Spray Cint /l(pF/cm) Cint /l(pF/cm) -Vbias (Volt) -Vbias (Volt) • Buon andamento dei minisensorin-type (la capacitancà interstrip dipende, come atteso, dalla geometria dei sensori: larghezza della striscia, passo, metal overhang…) • Andamento diverso per i sensori p-type : la capacitancà interstrip diminuisce con Vbias raggiungendo la saturazione ad una tensione maggiore dello svuotamento (~100V), effetto legato al non svuotamento della carica mobile del p-spray. La saturazione è più veloce nell’alto p-spray e nel passo largo. Non c’è differenza fra Fz and MCz. MCz p-type Low p Spray MO 50µm Cint /l(pF/cm) 100µm -Vbias (Volt)

  20. Capacità interstrip: proton irr. Cint Cback MCz n <100> Fz n <111> MCz Low p spray MCz p High p spray Capacità totale Vista dal preamplificatore Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +…) Tipico del Si <111> OK n-type Raggiunge il valore del non irraggiato Stesso problema del non irraggiato.La situazione migliora dopo l’irraggiamento. p-type Le simulazioni confermano gli andamenti; per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria

  21. F2=0.4E14 n cm-2 F7=4.0E14 n cm-2 F3 CERN=3.6E15 n cm-2 C (pF/cm) Il valore di Cint a F=3.6E15 raggiunge il suo valore geometrico anche nel caso di sensori con alto p-spray Le misure di resistenza interstriscia confermano che le strisce sono isolate Vbias

  22. Conclusioni • La variazione di corrente inversa è indipendente dal tipo di substrato, eccezion fatta per il substrato Epi, ed è funzione solo della dose ricevuta. • In termini di tensione di svuotamento, a differenza dei dispositivi FZ-n, che subiscono inversione di tipo indipendentemente dal tipo di irraggiamento, i dispositivi MCz ed EPI mostrano una forte dipendenza dal tipo di particella e dalla sua energia. • La maggiore resistenza alle radiazioni nei dispositivi di tipo MCz ed EPI la si osserva in termini di annealing inverso • Per i minisensori tipo MCz n non ci sono particolari problemi in termini di capacità interstrip e tesioni di breakdown. • Per i minisensori tipo MCz p i risultati sembrano indicare come migliore, fra quelle esaminate, la bassa dose di p-spray.

  23. Conclusioni Tutte le informazioni, provenienti dall’intera comunità RD50, sembrano indicare che i dispositivi MCz siano promettenti per le regioni a medio raggio in SLHC specialmente quelli di tipo p; mentre nella zona più vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione: materiali EPI spessi 100 µm; macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 µm; pixel dello stesso disegno dell’attuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS; Minisensori con passo 80 µm e strip lunghe 3 cm; nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per l’isolamento fra le strisce.

  24. MOS structure: VFB evolution with F Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz - Vgate (V)

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