Super ＬＨＣための高放射線耐性ＳＣＴセンサーの開発

SuperＬＨＣための高放射線耐性ＳＣＴセンサーの開発SuperＬＨＣための高放射線耐性ＳＣＴセンサーの開発秦野博光原和彦,目黒立真,三井真吾,望月亜衣　(筑波大) 池上陽一,海野義信,高力孝,寺田進　(KEK) 他アトラスＳＣＴグループ 2008 第63回　日本物理学会

LHC（Large Hadron Collider）実験 • 　陽子-陽子衝突型加速器 • 2008年・8月の実験開始に向け、現在急ピッチで調整中 • 　重心系エネルギー 14TeV • 　ルミノシティ 1034 cm-2s-1 実験の目的 Higgs粒子の探索や新しい物理の発見 • 2016年頃を目処に、ルミノシティをさらに10倍にするSuperLHC計画が検討されている • ATLASの内部飛跡検出器をすべてシリコン検出器にする • 現行のSCTシリコン検出器は、放射線耐性を上げたものと交換 2008 第63回　日本物理学会

SiO2 現SCT（バルク型変換後） P+ 現SCT（バルク型変換前） SiO2 N+-on-Pセンサー SiO2 P-bulk N+ 空乏層空乏層空乏層 P+ N+ N-bulk P-bulk N+ P+ シリコン検出器の放射線損傷現SCT (p+-on-n)放射線耐性　 ~ 2 x 1014 (1MeV-neq/cm2) ＬＨＣの１０年分で、システム耐圧に達する。高放射線耐性p型ウェハーセンサーの開発型反転せず、常にストリップ面から空乏化する。耐圧を超えたら、部分空乏状態で作動させる放射線を受けると sLHC P-bulk 型変換後は、全空乏化する必要がある。現行　N-bulk 2008 第63回　日本物理学会

Ｐ型シリコン検出器の開発 前述の理由により、N型センサーは使えない P型センサーの問題点：　（１）電子層がシリコン表面に蓄積しやすく電極分離劣化 (電極分離構造P-STOPやP-SPRAYが必要？) 　（２）高純度、少欠陥のP型シリコンが入手できなかった　→Magnetic Czochralskiによる高純度ウェハー（ＭＣＺ）　　高純度6”Float Zoneウェハー（ＦＺｐ）酸化膜SiO2にプラスの電荷がたまり、Ｐバルク部表面に電子が引き寄せられ、ストリップ間が電気的に繋がってしまうのを防ぐ。 2008 第63回　日本物理学会

Ｐ型シリコン検出器テストサンプル 高放射線耐性p型ウェハーセンサーの開発のために、以下のようなテストサンプル（１ｃｍ２）を用意し、東北大学のCYRICで陽子線（照射量１、２、５、１０、２０ｘ10１４１MeV neq/cm2）を照射し実験を行った一昨年作られたサンプル（シリコンウェハーサイズ４インチでつくられたもの）４“ＦＺ、４”ＭＣＺ去年作られたサンプル（６インチでつくられた）６“ＦＺｐ、６”ＦＺ、６“ＭＣＺがある。 2008 第63回　日本物理学会

センサー特性の測定 I-V測定：マイクロ放電の発生（評価済み） Isolation：ストリップ間が電気的に分離しているか評価（評価済み） C-V測定：全空乏化電圧の評価（評価済み←要複数項目チェック） CCE測定：全空乏化電圧、収集電荷量の評価マイクロ放電電場が局所的に強くなると発生する現象。高電場によって電子雪崩が発生し急激に電流が増大する。 P-STOPのような構造が加わると発生しやすい。 2008 第63回　日本物理学会

今までの放射線試験で分かったこと • ｓLHCでの放射線量２ｘ1015/cm2に対し以下の要求がある • 　マイクロ放電の発生電圧は500Vを下回らないこと • 1cm2のサンプルでは達成 • Isolation達成電圧は500V（運転電圧）よりも低いこと • すべてのサンプルで100V以下を達成 • 　全空乏化電圧は500Ｖを大きく越えないこと • C-V測定により、6” FZ では~500Ｖとなったが、6” MCZは~1kV • CCE測定による追試 • アニーリング効果 • ＬＨＣ、nバルクでは分かっている • pバルクでの測定が必要今回の発表では・レーザーを用いたＣＣＥ測定（全空乏化電圧の評価）・アニーリング効果（ｎバルクセンサーとの違いはあるか） 2008 第63回　日本物理学会

レーザーによる収集電荷の測定（ＣＣＥ測定）レーザーによる収集電荷の測定（ＣＣＥ測定） laser head collimators focusing lens amps Gamp=5mV/fC XY-stage パルスNd:YAG(1064nm)はSiの内部まで侵入するので、通過する粒子に対する応答に近い信号を得られる。図は1～10ｘ1015照射後の応答（Vb=1kV) 2008 第63回　日本物理学会

最小値 中心値最大値 CCE測定、全空乏化電圧 CCE測定(レーザーによる収集電荷) 収集電荷は空乏層の厚さに比例。収集電荷の2乗はバイアス電圧に比例し、全空乏化後は一定になる。 (NA=アクセプタ密度　ND=ドナー密度　ε=シリコン誘電率　V=逆バイアス電圧　e=素電荷　d=空乏層の厚さ)

全空乏化電圧の線量依存性 CCE測定による評価 6”FZサンプルは、CCE測定でも～500Vで全空乏化を達成 6”MCZサンプルは、C-V測定の結果と違うため追調査する 2008 第63回　日本物理学会

アニーリングによる全空乏化電圧、不純物密度の変化アニーリングによる全空乏化電圧、不純物密度の変化 2×1014 1-MeV neq/cm2を照射した6” FZp、FZ、MCZサンプルを60℃に温めて20000分までの全空乏化電圧の変化をCCE、C-V測定で評価した。 • FZ･MCZ共に約100分以降、逆アニーリング効果が見られた • n型ウエハーに似たアニーリング・逆アニーリング効果を示す • MCZ測定でC-V測定とCCE測定に大きな違いがみられるが、 nバルクで知られている結果と比較すると、絶対値こそ違うが、C-V測定の方が信頼できるデータのように見える→β線で追調査 CCE測定 C-V測定 2008 第63回　日本物理学会

まとめ ｓLHCに使用できる高耐放射線性p型センサーを開発している • 6”ＦＺの全空乏化電圧は500Vを超えない。 • 電極分離も、～100Vで達成できる。　これらの結果、ｓLHC用センサー設計の目処がついたが、実機サイズのセンサーに対するマイクロ放電発生が　　　最適な電極分離構造やウェハーの決定に重要。 • MCZのレーザーとLCRメータでの全空乏化電圧の違いは、電子ビームやβ線による評価を計画している。 • p型ウエハーもn型ウエハーに似たアニーリング・逆アニーリング効果を示す事が分かった。

ＢＡＣＫ　ＵＰ 2008 第63回　日本物理学会

基本情報 2008 第63回　日本物理学会

電荷収集曲線 2008 第63回　日本物理学会

マイクロストリップ型シリコン検出器 6ｃｍ 768ｃｈ SCT=SemiConductor Tracker • 微細に加工した電極により、荷電粒子の位置を精密に測定する • O(10mm)の分解能が得られる • 　　高速(数ns)応答性 • 　　コンパクト 2008 第63回　日本物理学会

ＣＹＲＩＣでの陽子照射 サンプルサンプルボックスアルミ板でProfile ３２コースでのBEAM Profile サンプルボックスをスキャン 2008 第63回　日本物理学会

最小値 中心値最小値最大値中心値最大値 C-V測定・CCE測定 CCE測定(レーザーによる収集電荷) C-V測定(バルク電気容量－バイアス) 収集電荷は空乏層の厚さに比例。収集電荷の2乗はバイアス電圧に比例し、全空乏化後は一定になる。 1/C2はバイアス電圧に比例し、全空乏化後は一定になる。 (NA=アクセプタ密度　ND=ドナー密度　ε=シリコン誘電率　V=逆バイアス電圧　e=素電荷　d=空乏層の厚さ)

電荷収集効率 300<Vb<500 放射線照射前と照射後の収集電荷量の比をBias300V～500Vの間で平均した。 • FZ_pureは照射直後に収集電荷量が増えたが、一時的に格子欠陥が増えレーザーの透過割合が減少したためと考えられる。 2008 第63回　日本物理学会

全空乏化電圧の線量依存性 CCE測定による評価Ｃ-Ｖ測定による評価 CV測定による評価目盛や文字を大きくグラフの背景色は白線で結ぶことはCCEの同様の扱い FZ1/2はFZp/FZに統一して • 6”のMCZ以外はCCEとC-Vは似た傾向を示す（違いについては現在調査中） FZサンプルは、CCE測定でも500V以下で全空乏化を達成 2008 第63回　日本物理学会

ウェハー製造法 ウェハー製造法：２タイプ Magnetic Czochralski (MCZ) 単結晶成長法 Floating Zone (FZ) 単結晶成長法 • 比抵抗 ~1 k W・cm • 酸素濃度豊富 • (放射線耐性を向上させる効果がある) • 比抵抗 4－8 k W・cm • 低不純物濃度テストしたウェハーの種類（FZｐは欠陥密度が少ない）：比抵抗（kWcm） 2008 第63回　日本物理学会

Ｐ型シリコン検出器の開発 前述の理由により、N型センサーは使えないテストしたウェハーの種類（FZｐは欠陥密度が少ない）：結晶方位と比抵抗（kWcm） P型センサーの問題点：　（１）電子層がシリコン表面に蓄積しやすく電極分離劣化 (電極分離構造P-STOPやP-SPRAYが必要？) 　（２）高純度、少欠陥のP型シリコンが入手できなかった　→Magnetic Czochralskiによる高純度ウェハー　　高純度6”Float Zoneウェハー P-STOPとP-SPRAYのイオン密度(/cm2). P-SPRAYのみのサンプルはZ1 2008 第63回　日本物理学会

アニーリング・逆アニーリング効果 開発中のp型センサー用ウエハーに対してアニーリング・逆アニーリング特性の変化を研究した。(特に逆アニ－リング特性は検出器の性能を劣化させないための温度条件に対する情報を与える。) サンプル：2×1014 1-MeV neq/cm2 FZp、FZ、MCZの3種類。測定：60℃に温めて20000分まで行った。　　　　レーザーによる収集電荷測定(CCE)(～0℃) アニーリング:放射線によって生じた格子欠陥が熱的な攪拌を受けて次第にある程度整列してくために有効不純物密度が減少する逆アニーリング:欠陥格子が電気的に中性になることで周囲の格子と相互作用して新たな電気的に有効な格子欠陥を形成していく 2008 第63回　日本物理学会 (By the RD48 collaboration)

アニーリングによる全空乏化電圧、不純物密度の変化アニーリングによる全空乏化電圧、不純物密度の変化 CCE測定 C-V測定 • FZ･MCZ共に約100分以降、逆アニーリング効果が見られた • n型ウエハーに似たアニーリング・逆アニーリング効果を示す全空乏化電圧は不純物密度に比例する。 (Vfd=全空乏化電圧　Neff=不純物密度　εsi=シリコン誘電率　e=素電荷　d=バルクの厚さ) 2008 第63回　日本物理学会

全空乏化電圧と不純物密度の変化 CCE測定 FZP FZ MCZ 2008 第63回　日本物理学会

全空乏化電圧の周波数依存性 －20℃FZp －20℃　ＭＣＺ各サンプルで、周波数を変えて測定を行ったが、レーザー測定の結果と一致することはなかった（通常は１kHzで測定）。暗電流の影響を考え、－30℃での測定をしたが、これについても同様だった。－30℃　ＭＣＺ 6”MCZには特有の問題がある 2008 第63回　日本物理学会

2008 第63回　日本物理学会

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