Sviluppo di rivelatori a semiconduttore per lesperimento ATLAS Mario Paolo Giordani Università...

Sviluppo di rivelatori aSviluppo di rivelatori asemiconduttore per semiconduttore per

l’esperimentol’esperimentoATLASATLAS

Mario Paolo GiordaniMario Paolo GiordaniUniversità degli Studi di Udine, ICTP & Università degli Studi di Udine, ICTP &

INFNINFNSincrotrone TriesteSincrotrone Trieste

26.02.1026.02.10 Mario Paolo GiordaniMario Paolo Giordani 22

SommarioSommario

IntroduzioneIntroduzioneOrigine del progetto: LHC e ATLASOrigine del progetto: LHC e ATLAS

MotivazioniMotivazioniAggiornamento tracciatore interno ATLASAggiornamento tracciatore interno ATLAS

La tecnologia 3DLa tecnologia 3D

Attività del gruppo di UdineAttività del gruppo di UdineRisorseRisorse

SimulazioniSimulazioni

Misure e test su fascioMisure e test su fascio

IrraggiamentiIrraggiamenti

ConclusioniConclusioni


Il collisore LHCIl collisore LHC

Collisore protone-protoneCollisore protone-protone

Circonferenza 27kmCirconferenza 27km

EEcmcm==14TeV14TeV

EEcmcm==2.36TeV raggiunta2.36TeV raggiunta

EEcmcm==7TeV prossimi 2 anni7TeV prossimi 2 anni

2808 pacchetti/fascio2808 pacchetti/fascio10101111 protoni/pacchetto protoni/pacchetto

25ns 25ns bunch-crossingbunch-crossing

Luminosità 10Luminosità 103434cmcm–2–2ss–1–1

2010: 102010: 103232cmcm–2–2ss–1–1

1232 dipoli 1232 dipoli superconduttorisuperconduttori

unica linea criogenicaunica linea criogenicaelio superfluido (elio superfluido (T=T=1.9K)1.9K)


Dettaglio: dipolo di LHCDettaglio: dipolo di LHC

lunghezza: 14,3mlunghezza: 14,3m

per per EEbeanbean==7TeV: 7TeV: B=B=8.4T (8.4T (I=I=11700A)11700A)

UHV (UHV (beam pipebeam pipe) ) P=P=1010-10-10TorrTorr

pp

pp

linee di campolinee di campo


Il rivelatore ATLASIl rivelatore ATLAS

L=L=45m, 45m, =20m=20m


Sistema di Sistema di trackingtracking

772.3m2.3m


Rivelatore a pixelRivelatore a pixel

1.31.30.35m 4kg0.35m 4kg

rrminmin==50.5mm50.5mm


Modulo a pixelModulo a pixel

1744 moduli identici1744 moduli identici16 FE chip/modulo16 FE chip/modulo160x18 pixel/modulo160x18 pixel/modulo

80 milioni di canali80 milioni di canali

dimensioni singolo dimensioni singolo pixelpixel

50x400µm50x400µm22


Principio di Principio di funzionamentofunzionamento

Perdita di energia per ionizzazionePerdita di energia per ionizzazioneal passaggio della radiazione, creazione di coppie e-hal passaggio della radiazione, creazione di coppie e-h

Rapida ricombinazione a meno cheRapida ricombinazione a meno chenon si crei una regione svuotata di portatori di caricanon si crei una regione svuotata di portatori di carica

silicio intrinseco non idoneosilicio intrinseco non idoneo

Giunzione Giunzione p–np–n nel substrato del sensore nel substrato del sensoreinduce svuotamento della regione a cavallo della induce svuotamento della regione a cavallo della giunzionegiunzione

effetto amplificabile per mezzo della polarizzazione effetto amplificabile per mezzo della polarizzazione inversainversa

deriva delle coppie e-hderiva delle coppie e-h

rivelazionerivelazione

determinazione posizionedeterminazione posizionesegmentazione elettrodisegmentazione elettrodi


Danno da radiazioneDanno da radiazione

Effetto non legato alla ionizzazioneEffetto non legato alla ionizzazioneinterazioni di alta energia con atomi del reticolointerazioni di alta energia con atomi del reticolo

danneggiamenti del reticolodanneggiamenti del reticolo

modifica delle caratteristiche elettriche del siliciomodifica delle caratteristiche elettriche del silicio

in generale non reversibiliin generale non reversibili

Alterazione della concentrazione di drogaggio di Alterazione della concentrazione di drogaggio di substratosubstrato

impatto negativo sulla tensione di svuotamentoimpatto negativo sulla tensione di svuotamento

introduce difetti equivalenti a impurità ti tipo accettoreintroduce difetti equivalenti a impurità ti tipo accettore

Riduzione della vita media dei portatoriRiduzione della vita media dei portatoririsultato dell’insorgere di trappolerisultato dell’insorgere di trappole

Di fatto riduce la vita operativa del dispositivoDi fatto riduce la vita operativa del dispositivoprimo componente affetto dal degrado delle performanceprimo componente affetto dal degrado delle performance

layer più interno del rivelatore a pixel (limite a circa 300fblayer più interno del rivelatore a pixel (limite a circa 300fb––

11))

Tempi maturi per iniziare attività di R&DTempi maturi per iniziare attività di R&D


Inserted B LayerInserted B Layer (IBL) (IBL)

Procedura di aggiornamento del tracciatore a pixel ATLASProcedura di aggiornamento del tracciatore a pixel ATLAS

inserimento di un ulteriore inserimento di un ulteriore layerlayer all’interno del tracciatore all’interno del tracciatore

scelta della tecnologia per i sensori ancora apertascelta della tecnologia per i sensori ancora aperta

resistenza alla radiazione fino a 2E16nresistenza alla radiazione fino a 2E16neqeq(1MeV)cm(1MeV)cm–2–2

pixel di 50x250µmpixel di 50x250µm22 per far fronte a maggiore occupanza per far fronte a maggiore occupanza

r=r=31mm31mm

beam-pipebeam-pipe


I dispositivi 3DI dispositivi 3D

Si basano su una disposizione alternativa degli elettrodiSi basano su una disposizione alternativa degli elettrodidisaccoppia distanza fra elettrodi e spessore del substratodisaccoppia distanza fra elettrodi e spessore del substrato

Vantaggi: Vantaggi: bassa tensione di svuotamentobassa tensione di svuotamento

limitata potenza dissipatalimitata potenza dissipata

limitata distanza di derivalimitata distanza di derivaelevata velocità di rispostaelevata velocità di risposta

minore probabilità di minore probabilità di trappingtrapping

resistente alla radiazioneresistente alla radiazione

Svantaggi:Svantaggi:

risposta non uniformerisposta non uniformecampo debole o nullo fra colonne dello stesso tipocampo debole o nullo fra colonne dello stesso tipo

elevata capacitàelevata capacità

tecnologia complicata e costosatecnologia complicata e costosaDRIE (DRIE (Deep Reactive Ion EtchingDeep Reactive Ion Etching) per realizzare colonne) per realizzare colonne


Attività a UdineAttività a Udine

Nasce nel 2008 come Nasce nel 2008 come joint venturejoint ventureDipartimento di FisicaDipartimento di Fisica

esperienza con il rivelatore a pixel di ATLASesperienza con il rivelatore a pixel di ATLAS– monitoring on-line, DCSmonitoring on-line, DCS– controlli di qualità estensivi sui sensori attualmente installaticontrolli di qualità estensivi sui sensori attualmente installati

disponibilità di camera pulitadisponibilità di camera pulita

attività di ricerca nella fisica del quark topattività di ricerca nella fisica del quark top

Dipartimento di Ingegneria Elettrica Gestionale MeccanicaDipartimento di Ingegneria Elettrica Gestionale Meccanicaesperienza con tecniche TCADesperienza con tecniche TCAD

modelli di modelli di drift-diffusion, impact ionizationdrift-diffusion, impact ionization

In stretta collaborazioneIn stretta collaborazionepartner tecnologico Fondazione Bruno Kessler (Trento)partner tecnologico Fondazione Bruno Kessler (Trento)

INFNINFN

Inserita ufficialmente in collaborazione Inserita ufficialmente in collaborazione internazionaleinternazionale

ATLAS 3D CollaborationATLAS 3D Collaboration


Risorse – Camera pulitaRisorse – Camera pulita

NN22 supplysupply

measurementmeasurementinstrumentationinstrumentation

PCPC

probe stationprobe station

microscopesmicroscopes

semiconductor labsemiconductor lab

cleancleanroomroom


Risorse – Risorse – Probe StationProbe Station


Prime simulazioniPrime simulazioni

Principalmente simulazioni in 2D (Synopsys Dessis)Principalmente simulazioni in 2D (Synopsys Dessis)sensori FBK 3D a colonne passantisensori FBK 3D a colonne passanti

substrato di tipo substrato di tipo pp ( (NNaa=2E12) e spessore 250µm=2E12) e spessore 250µm

colonne di tipo colonne di tipo pp e e nn ( (NNaa,,NNdd=5E19) con passo 50µm=5E19) con passo 50µm

isolamento elettrodi con p-spray uniforme (isolamento elettrodi con p-spray uniforme (NNaa=2E16)=2E16)

osservato osservato breakdownbreakdown in prossimità della superficie in prossimità della superficiedistanza critica fra colonne distanza critica fra colonne pp and impiantazione and impiantazione nn (15µm)(15µm)


Effetti indotti da danni superficiali da radiazioneEffetti indotti da danni superficiali da radiazioneaccumulo di carica nell’ossido (accumulo di carica nell’ossido (QQOXOX))

Ruolo della concentrazione di Ruolo della concentrazione di dopingdoping del p-spray del p-spray

Isolamento degli Isolamento degli elettrodielettrodi

1717

previsione a elevata previsione a elevata QQOXOX non consistente con osservazioni non consistente con osservazioni

possibile effetto di fluenza su parametri di possibile effetto di fluenza su parametri di impact ionizationimpact ionizationeffetti su effetti su NNeffeff e vite medie dei portatori incluse nelle simulazioni e vite medie dei portatori incluse nelle simulazioni

strutture di test invlate a IJS Lubiana per irraggiamenti strutture di test invlate a IJS Lubiana per irraggiamenti (neutroni)(neutroni)


Proposta: concentrazioni di p-spray diverse su facce opposteProposta: concentrazioni di p-spray diverse su facce opposteprimo approccio: p-spray su un’unica faccia del dipositivoprimo approccio: p-spray su un’unica faccia del dipositivo

Concentrazione di p-Concentrazione di p-sprayspray

1818

evidente miglioramento delle performanceevidente miglioramento delle performancerimangono (per ora) i dubbi a elevati valori di rimangono (per ora) i dubbi a elevati valori di QQOXOX (fluenza) (fluenza)

verifica una volta terminati gli studi su altre struttureverifica una volta terminati gli studi su altre strutture


Studio basato su simulazioni 3DStudio basato su simulazioni 3Dmolto pesanti in termini di CPU/RAMmolto pesanti in termini di CPU/RAM

confrontato con estrapolazioni basate su geometrie confrontato con estrapolazioni basate su geometrie semplificatesemplificate

buon accordo riscontratobuon accordo riscontrato

CapacitàCapacità

1919


Ulteriori accertamentiUlteriori accertamenti

Confronto fra simulazioni e dati sperimentaliConfronto fra simulazioni e dati sperimentalipre- e post-irraggiamento per spiegare anomalia pre- e post-irraggiamento per spiegare anomalia simulazionisimulazioni

misure su FBK full 3D non ancora disponibilimisure su FBK full 3D non ancora disponibili

misure esistenti per sensori con geometria semplificatamisure esistenti per sensori con geometria semplificatacolonne non passanticolonne non passanti

disegno disegno n-on-pn-on-p– colonne colonne nn++ di giunzione di giunzione– colonne colonne pp++ in contatto ohmico in contatto ohmico

performance simili a performance simili a fullfull 3D se colonne sufficientemente profonde 3D se colonne sufficientemente profonde– 160÷190µm su substrato di spessore 250µm160÷190µm su substrato di spessore 250µm

ancora disaccordo fra simulazioni e ancora disaccordo fra simulazioni e feedbackfeedback sperimentale sperimentaleindagini in corso con FBK (controllo parametri di drogaggio)indagini in corso con FBK (controllo parametri di drogaggio)


Strutture di testStrutture di test

Studio dei coefficienti di Studio dei coefficienti di impact ionization vs.impact ionization vs. fluenza fluenzaeffettuato su strutture di test (transistor bipolari)effettuato su strutture di test (transistor bipolari)

irraggiamento con neutroniirraggiamento con neutronicollaborazione in atto con IJS Lubianacollaborazione in atto con IJS Lubiana

estrazione empirica dei coefficienti per diversi valori di estrazione empirica dei coefficienti per diversi valori di fluenzafluenza

rangerange di fluenza: 1E14÷1E15n di fluenza: 1E14÷1E15neqeq(1MeV)cm(1MeV)cm–2–2

– cautela necessaria per non compromettere le poche strutture cautela necessaria per non compromettere le poche strutture disponibilidisponibili

primo dispositivo irraggiato con 1E14nprimo dispositivo irraggiato con 1E14neqeq(1MeV)cm(1MeV)cm–2–2

qualche problema di attivazionequalche problema di attivazione– spedizioni come materiale radioattivo costosespedizioni come materiale radioattivo costose

probabilmente prime misure in loco la prossima settimanaprobabilmente prime misure in loco la prossima settimana

risultati sperabilmente entro inizio primaverarisultati sperabilmente entro inizio primavera

Studio del danno superficiale da radiazioneStudio del danno superficiale da radiazioneirraggiamenti di strutture di test (diodi) con raggi X irraggiamenti di strutture di test (diodi) con raggi X mollimolli

induzione di carica nell’ossido senza compromettere il substratoinduzione di carica nell’ossido senza compromettere il substrato


Intensa attività di test su fascioIntensa attività di test su fasciocompatibilità con campo magneticocompatibilità con campo magnetico

verifica dell’efficienza/risoluzioneverifica dell’efficienza/risoluzione

Fascio di π a 180GeV (SPS-NA)Fascio di π a 180GeV (SPS-NA)

Campo magnetico Campo magnetico B=B=1.56T (1.56T ())generato da dipolo superconduttoregenerato da dipolo superconduttore

ApparatoApparato4 dispositivi testati (DUT)4 dispositivi testati (DUT)

telescopiotelescopioricostruzione traccericostruzione tracce

due piani a valle dei DUT, uno a montedue piani a valle dei DUT, uno a monte

triggertriggerdue scintillatori in coincidenza a monte + un veto a due scintillatori in coincidenza a monte + un veto a vallevalle

Test-beamTest-beam al CERN al CERN

ππ


Angolo di LorentzAngolo di Lorentz

Sensori planariSensori planariEE e e BB ortogonali ortogonali

cariche di derivacariche di derivafocalizzate o defocalizzatefocalizzate o defocalizzate

minima dimensione minima dimensione clusterclusterincidenza=angolo di Lorentzincidenza=angolo di Lorentz

Sensori 3DSensori 3DEE e e BB coplanari coplanari

cariche di derivacariche di derivanessun effetto nel volumenessun effetto nel volume

possibile effetti possibile effetti superficialisuperficiali

B=0 B≠0


Dimensione dei Dimensione dei clustercluster

Incidenza a 15Incidenza a 15oo = traccia radiale che intercetta = traccia radiale che intercetta IBLIBL

defocalizzazionedefocalizzazione

nessun effettonessun effettodi rilievodi rilievo


Dimensione dei Dimensione dei clustercluster

In funzione dell’angolo di incidenzaIn funzione dell’angolo di incidenzaindipendente dal segno dell’angolo per dispositivi 3Dindipendente dal segno dell’angolo per dispositivi 3D

comportamento asimmetrico per sensori planaricomportamento asimmetrico per sensori planari

tilt angle (deg)

cluster size defocalizzazionedefocalizzazione

focalizzazionefocalizzazione

3D


Efficienza di singola Efficienza di singola hithit

Traiettorie delle particelle del fascio ricostruite da Traiettorie delle particelle del fascio ricostruite da telescopiotelescopio

posizione estrapolata su ciascun sensore (qui FBK 3D)posizione estrapolata su ciascun sensore (qui FBK 3D)

calo di efficienza in prossimità degli elettrodicalo di efficienza in prossimità degli elettrodiatteso, in quanto elettrodi sono colonne caveatteso, in quanto elettrodi sono colonne cave

benefici di benefici di fillingfilling in polisilicio (STA) non evidenti a questo in polisilicio (STA) non evidenti a questo puntopunto

no problem per tracce inclinateno problem per tracce inclinate


ConclusioniConclusioni

Nuova interessante realtà localeNuova interessante realtà localegruppo giovane, ma attività ben avviatagruppo giovane, ma attività ben avviata

buon buon feedbackfeedback a livello internazionale a livello internazionale

supportato dall’INFN-GrI (ATLAS)supportato dall’INFN-GrI (ATLAS)

Molto lavoro in corsoMolto lavoro in corsoanalisi dei risultati dei analisi dei risultati dei test-beamtest-beam

attesa per confronto fra simulazione e dati empiriciattesa per confronto fra simulazione e dati empiriciin particolare misure da strutture di test irraggiatein particolare misure da strutture di test irraggiate

Contributi all’ottimizzazione dei dispositiviContributi all’ottimizzazione dei dispositiviconcentrazione e profilo del p-sprayconcentrazione e profilo del p-spray

concentrazione e profilo di drogaggio superficialeconcentrazione e profilo di drogaggio superficiale

effetti da danno di radiazioneeffetti da danno di radiazione

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