Corso di laurea specialistica in Fisica Ambientale e Biomedica

ANALISI DEI DATI DI UN TEST SU FASCIO DI RIVELATORI AL SILICIO 3D FBK-irst DOUBLE-SIDE DOUBLE TYPE COLUMN

Relatore: Prof.sa A.M. SolanoCorrelatori: Dott. A. La Rosa Prof. G.-F. Dalla Betta

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Candidato: M. Borri

Contenuti

• Introduzione ai rivelatori 3D.• Descrizione del test su fascio.• Analisi dei dati:– Time-over-Threshold;– Charge sharing;– Risoluzione spaziale;– Efficienza.

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I rivelatori a giunzione al silicio

Gap energetico a 300K eV 1.12

Energia di ionizzazione eV 3.6

Densità g/cm3 2.33

Perdita di energia media di una mip

MeV cm2/g 1.664

Valori del silicio

3

Substrato debolmente drogato n (area sensibile).

Elettrodo di giunzione drogato fortemente p (catodo).

Elettrodo ohmico drogato fortemente n (anodo).

Particella ionizzante: la carica prodotta per ionizzazione viene raccolta dagli elettrodi.

Polarizzazione inversa

Per un rivelatore di spessore di 250 um: 20 ke-

PLANARE n-in-n

L’architettura 3DCONFRONTO SENSORE 3D E PLANARE

Nei sensori 3D si ha un disaccoppiamento tra la profondità del sensore e la distanza di raccolta di carica.

VANTAGGI:• Distanza tra gli elettrodi corta.• Voltaggio di svuotamento basso.• Tempo di raccolta breve.• Resistenza alla radiazione.• Bordo attivo.

SVANTAGGI:• Risposta non uniforme dovuta alla presenza degli elettrodi.• Capacità del sensore alta. • Processi di fabbricazione complessi.

3D PLANARE

Distanza di raccolta 50 um 300 um

Tensione di svuotamento

<10 V 70 V

Tempo di raccolta 1-2 ns 10-20 ns

Zona morta di bordo < 5 um >500 um

BORDO ATTIVO

4

S. Parker NIM A 395 (1997) 328

Elettrodi e caratteristiche dei sensori

C.D

aVià

, NIM

A 6

04 (2

009)

505

C.D

aVià

, NIM

A 6

04 (2

009)

505

C.D

aVià

, NIM

A 6

04 (2

009)

505

Sensori a pixel 3D a colonne passanti con geometria di ATLAS per una possibile applicazione nell’upgrade.

I sensori 3D-DDTC

I sensori 3D Double-side Double Type Column (DDTC) hanno colonne di entrambi i tipi droganti, penetranti parzialmente il substrato da entrambe le facce.

Prestazioni comparabili a quelli a colonna passante se la distanza per cui differiscono dallo spessore del substrato è piccola.

FBK-irst – INFN e Università di Trento

d0

d

Elettrodi di giunzione (n+)

Spes

sore

sub

stra

to

(dro

gato

deb

olm

ente

p)

Elettrodi ohmici (p+)A.

Zabo

li, IE

EE T

rans

.Nuc

l.Sci

. N

S-55

(5) (

2008

) 227

5

3D-DTC-2 3D-DTC-2B

Spessore del substrato um 200 200

Spessore colonna di giunzione (n+) um 100-110 140-170

Spessore della colonna ohmica (p+) um 180-190 180-190

Sovrapposizione delle colonne um 90-100 110-150

Concentrazione del drogaggio del substrato

cm-3 1 X 1012 7 X 1011

Caratteristiche costruttive delle due tipologie di sensori DDTC.

Il test su fascio

B Angolo

OFF 0

OFF /12

ON 0

ON /12

Dal 25 maggio al 2 giugno 2009.Linea di fascio H8 del SPS (CERN) .Fascio di +- con energia 180 GeV.

DUT Tipologia Bias (V)

PLANAR Planare n-in-n -150

STA-3E 3D colonna passante -35

FBK-3E7 3D-DTC-2B -8

FBK-3EM5 3D-DTC-2 -35Prima volta con campo magnetico

B=(1.360.10)T

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Telescopio (Bonn ATLAS Telescope - BAT):- rivelatori a strip di area (3.2X3.2)cm2 e passo 50 um;- risoluzione spaziale di 5.5 um.

SCINT#1,2 VETO

I rivelatori 3D studiati nel test sono a pixel 3E.

ATLAS pixel readout chip (FE-I3)• Standard 0.25um CMOS.• Resistenti alla radiazione fino ad una dose di 50 Mrad. • Matrice di 160 X 18 canali ciascuno di (400 X 50) um2.

Il chip misura la carica generata dalla particella ionizzante nel sensore in termini di Time-over-Threshold (ToT).

Il ToT dipende da:• Carica prodotta;• Soglia del discriminatore;• Corrente di feedback.

Il ToT è in unità di 25 ns.

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Calibrazione: 20ke- = 60 ToT.

La presa dati e l’analisi10000 eventi per run.15 minuti per un singolo run.700 run acquisiti in totale.

Ricostruzione delle tracce:- Le tracce sono ricostruite per gli eventi acquisiti che hanno registrato un hit in tutti i piani del telescopio.- Un file .root per ogni run contenete le informazioni di tutte le tracce.

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Data Quality Monitor :- Controllo sincronizzazione tra i piani del telescopio e i rivelatori.

Analisi off-line:- Analisi sui file .root .- Misure preliminari presentate in questa tesi:

- Time-over-Threshold; - Charge sharing;- Risoluzione spaziale; - Efficienza.

I run

3D-DTC-2 3D-DTC-2B

B A Run range Accettanza Tracce Accettanza Tracce

OFF 0 600802 19.3% 4.30X105 19.4% 3.25X105

OFF /12 12411306 38.5% 1.99X105 31.3% 1.82X105

ON 0 803997 33.2% 3.28X105 35.2% 3.48X105

ON /12 10001203 39.8% 5.41X105 41.0% 5.57X105

TOTALI

DUT

tracce

tracce=Accettanza

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L’area analizzata è compresa tra le righe 8-152 e le colonna 2-16.

(per eliminare i pixel di dimensioni diverse da (400 X 50) um2)

Time-over-ThresholdIl Time-over-Threshold (ToT) è la misura della carica prodotta nel sensore dalla particella ed è in unità di 25 ns.

Configurazione 3D-DTC-2 3D-DTC-2B

B A MPV MPV

OFF 0 46.7 4.6 35.5 3.8

ON 0 48.1 4.8 35.4 3.8

OFF /12 45.1 5.3 33.7 3.9

ON /12 46.6 5.1 33.9 3.9

Alle distribuzioni è sovrapposto, sul 90% dell’area partendo da destra, un fit a una distribuzione di Landau.

60250EXPToT

=d

3D-DTC-2 3D-DTC-2B

Spessore - d um 200 200

Valore atteso ToT 48 48

3D-DTC-2 -35 V; 3D-DTC-2B -8 V

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3D-DTC-2 - B=OFF; A=0

MPV= Most Probable Value

L’attivazione del campo magnetico aumenta l’MPV mentre la rotazione del sensore ne diminuisce il valore. Il loro effetto si compensa nella configurazione B=ON A=/12.

Charge sharing (1/2)

sumToT

hitToTsumToT=Qshare

Suddivisione della carica prodotta dalla particella tra i pixel:

Angolo di Lorentz prodotto dal campo magnetico sulla carica

ionizzata.

Ionizzazione della carica su più pixel

PLANARE - B=OFF; A=0 PLANARE - B=ON; A=0

12Nel sensore planare il campo magnetico incrementa il charge sharing.

Charge sharing (2/2)B= OFF B= ON

A=0

A=/12

3D-DTC-2

Analoghi risultati nel sensore 3D-DTC-2B 13

Il campo magnetico non incrementa la suddivisione di carica tra i pixel.La rotazione del sensore incrementa il charge sharing nella direzione corta del pixel.

Risoluzione spazialeTracciaMaxToTy yy=residuo

14

A=0

A=/12

B= OFF B= ON

Analoghi risultati nel sensore 3D-DTC-2B

Y(micron)

Y(micron)Y(micron)

Y(micron)

3D-DTC-2

Il campo magnetico non modifica la distribuzione dei residui.La rotazione del sensore accentua il profilo gaussiano della distribuzione a causa maggiore charge sharing.

Efficienza

Configurazioni 3D-DTC-2 3D-DTC-2B PLANARE

B A (0.001)

(0.001)

(0.001)

OFF 0 0.975 0.982 0.989

ON 0 0.977 0.984 0.991

OFF /12 0.976 0.979 0.977

ON /12 0.990 0.993 0.992

tracce

associatoclustercontracce=

Efficienze calcolate con:• ampiezza cluster dal centro del pixel x =400 um; y = 50 um.• tracce con 2<20.

3D-D

TC-2

B - B

=OFF

; A=0

3D-D

TC-2

B - B

=OFF

; A= /

12

15La non uniformità dei sensori 3D dovuta alle colonne è superata ruotando il sensore.I valori di efficienza sono massimi nella configurazione B=ON A=/12.

3D-D

TC-2

B - B

=ON

; A= /

12

Conclusioni• Sono stati presentati i sensori a pixel 3D-DDTC.• L’analisi preliminare svolta in questa tesi sui dati acquisiti nel

test su fascio mostra che:– Il ToT segue la distribuzione di Landau attesa;– Il charge sharing e la risoluzione spaziale sono dipendenti dalla

rotazione del sensore ma non dal campo magnetico;– Le efficienze raggiungono valori superiori al 99% nella

configurazione B=ON A= /12.• I risultati ottenuti in questa tesi sono preliminari e un’analisi

più approfondita è in corso da parte del gruppo di lavoro ATLAS 3D Sensor.

• Sono previste nuove misure sui sensori e il loro irraggiamento.16

BACK-UP

17

ToT (1/2)

18

19

ToT (2/2)

Charge Sharing

20

21

Residui (1/2)

Residui (2/2)

22

Efficienza

23

Noise vs HV

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Oct. 2, 2009 Alessandro La Rosa CERN‐

B vs E

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B=OFF B=ON

SILICON SENSORS FOR PARTICLE DETECTION

• The idea is to get information about a particle crossing the sensor, reading the signal produced by ionization.

• N-type and P-type silicons are put in touch to crate a junction. A depletion zone arises near the interface.

• To increase the depleted zone:– Put in touch high-doped part with low-doped part.– Apply a reversal bias.

• Particle passing through the depletion region of the silicon ionizes and generate a current.

N-type P-type

+ -

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A. La Rosa, “Preliminary results of 3D-DDTC pixel detectors for the ATLAS upgrade” given talk at RD09. Proceeding

RADIATION HARDNESS

• Main radiation effects:– Increase of the leakage current.– Decrease of the signal.– Change of the space charge in the depleted

region → need to increase the bias voltage.• The 3D charge collection allows to minimize the

effect of the radiation damage during the charge drift.

• Radiation hardness is one of the most important 3D features for high energy physics.

L = inner electrode distance.K = damage constant.D = electron saturated drift velocity. = particle fluence.

Dτ vφ

LK+

=SE

0.61

1

Signal efficiency:

C.D

aVià

, NIM

A 6

04 (2

009)

505

Dispositivo sperimentale

29

FE-I3

30

Pixel Unit Cell (PUC)

I. Peric, NIM A 565 (2006) 178

60 ToT @ 20 ke-

Segnale MIP 20 ke- Noise 200 e-

Threshold 3200 e-

3D-DDTC

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3D-DTC-2 3D-DTC-2B

Spessore del substrato um 200 200

Spessore colonna di giunzione (n+) um 100-110 140-170

Spessore della colonna ohmica (p+) um 180-190 180-190

Sovrapposizione delle colonne um 90-100 110-150

Concentrazione del drogaggio del substrato cm-3 1 X 1012 7 X 1011

Tensione di svuotamento laterale V 3 1-2

Tensione di svuotamento totale V 12 3-4

Corrente di leakage pA/colonna <1 <1

Capacità vs backplane fF/colonna 35 45-50

Tensione di break-down V >70 >70

G.-F. Dalla Betta, “Development of 3D-DDTC pixel detectors for the ATLAS upgrade”, presentato al 7° International “Hiroshima” Symposium on Development and Application of Semiconductor Tracking Devices, Hiroshima (Japan), Aug.27-Sep.1 (2009).

Root file

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