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Danni da radiazione su prototipi al silicio di tipo innovativo
Tesi di dottorato in Fisica
Universitagrave degli studi di BariFacoltagrave di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali
Dipartimento di Fisica
Dottorando
Norman Manna
Relatori
Prof Mauro DePalma
Prof Donato Creanza
Aumento della luminositagrave 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
MOTIVAZIONI
[1] Atlas Radiation Background Task Force ATL-GEN-2005-001 Jan 2005[2] F Giannotti et al hep-ph0204087 April 2002[3] R Horisberger CMS Workshop on SLHC CERN Feb 2004
0 20 40 60 80 100 120
1014
1015
1016
pixels long stripsshort strips
fast
ha
dro
n f
lue
nce
2
50
0fb
-1[c
m-2]
R [cm]
ATLAS RTF [1] Giannotti et al [2] Best Fit of RTF Data
f = 1014 x 1150 R-16 [3]
Il limite maggiore egrave rappresentato dalla non resistenza a questi flussi dei silici che costituiscono i tracciatori dei diversi esperimenti
~5 anni
aumento corrente di superficie Vbreak a tensioni piugrave basse
+++++ +++++ ++++++++++- - - - -- - - - - - - - - - - - - - -
Irraggiamento 1-a aumento della carica positiva 1-b rottura dei legami reticolari allrsquointerfaccia
1-a
aumento Cii
aumento della tensione operativaRiduzione dellrsquoisolamento
fra le strisce
1-b Incremento delle trappole presenti
allrsquointerfaccia Si-SiO2
(1) Danno di superficie
PARTICELLA
SI V+I V
I
Ec
Ef
Ev
V
VO neutronon dannoso
V20 contribuisce al segno di Neff
VO V20
cluster
(2) Danno del substrato
VΦTtα=ΔI a aYCaAaEFFDEP TtNNTtNTtNV
Oxygen concentration in Oxygen concentration in FZFZ CZCZ and and EPIEPI
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Depth [m]
51016
51017
51018
5
O-c
once
ntra
tion
[1c
m3 ]
SIMS 25 m SIMS 25 m
25 m
u25
mu
SIMS 50 mSIMS 50 m
50 m
u50
mu
SIMS 75 mSIMS 75 m
75 m
u75
mu
simulation 25 msimulation 25 msimulation 50 msimulation 50 msimulation 75msimulation 75m
Cz and DOFZ siliconEpitaxial silicon
bull EPI Ossigeno diffonde dal substrato Cz
bull EPI La concentrazione dellrsquoossigeno e la sua uniformitagrave diminuiscono con lo spessore
bull CZ alta e omogenea concentrzione di ossigeno
0 50 100 150 200 250depth [m]
51016
51017
51018
5
O-c
once
ntra
tion
[cm
-3]
51016
51017
51018
5
Cz as grown
DOFZ 72h1150oCDOFZ 48h1150oCDOFZ 24h1150oC [GLindstroem et al]
[GLindstroumlm et al10th European Symposium on Semiconductor Detectors 12-16 June 2005]
bull DOFZ concentrazione di ossigeno aumenta col tempo di ossigenazione
bull DOFZ distribuzione non omogenea dellrsquoossigeno
EPIlayer CZ substrate
Microstrip detectors
Inter strip Capacitance test
Test2
Test1
Pad detector
Edge structures
Square MG-diodes
Round MG-diodes
50 um pitch
100 um pitch
RUN I p-on-n
22 wafers
Fz MCz Epi
RUN II n-on-p
24 wafers Fz
MCz two p-spray
doses 3E12 amp
5E12 cm-2
substrati studiati in RD50Wafer Layout disegnato dalla collaborazione SMART Maschere processate dallrsquoITC-IRST (Trento)
SMARTSMART Wafer layout 4rdquoWafer layout 4rdquo1st p-type MCz microstrip detectors
Neutroni da reattore a Ljubljana
12 fluenze 50x1013 85x1015 1-MeV ncm2
27 mini-sensori 11 strutturedi test (capts)100 diodi
Protoni da 26 MeV Ciclotrone di Karlsruhe
10 fluenze 12x1014 - 6x1015 1-MeV ncm2
20 mini-sensori 8 strutture di test(capts) 100 diodi
April 2005
June 2005
Set up CERN
Set up JSI(Ljubljana)
IrraggiamentiIrraggiamenti
Set up FZK
Protoni da 24 GeV al CERN
3 fluenze 06x101427x1014 34x1015)1-MeV ncm2
9 diodi
April 2006
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento DiodiDiodi
Mappa di VFD dei diodi in un wafer p-type MCz
I-V diodi alte Vbd e buonvalore di densitagrave di corrente
Disuniformitagrave probabilmente legata alla variazione della concentrazione di ossigeno nei substrati MCzC Piemonte 5th RD50 workshop Oct 2004
SMART2 - n+p - MCz 300m Inversione
SMART1 - p+n - MCz 300m
C-V diodi Uniformitagrave di lungo il wafer
C-V processo uniforme del wafer
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(Fz n inversione di tipo)(Fz n inversione di tipo)
T=200C
Irraggiamento con protoni da 26MeV
Tipico andamento del substrato standard
FZ_n
MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc
1013 5 1014 524 GeVc protons [ cm-2 ]
50
100
150
200
250
300
Vfd
[V
]
1
2
3
4
| Nef
f | [
1012
cm
-3 ]
MCZ (n320) - Vfd from IVMCZ (n320) - Vfd from CV
[MMoll AGBates to be published in NIMA]
M Moll A Bates NIM A
CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=27times1014 ncm2
Alla fluenza F=13times1015 ncm2 la giunzione dominante egrave ancora sul front (lato p+)
F=06times1014 ncm2
F=27times1014 ncm2
NO-INVERSIONE
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)
T=200C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time ns
Curre
nt m
kA
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
0 0005 001 0015 002 0025 003 0035
xcm
EV
cm
Φ (1014ncm-2)
0
10
20
30
40
50
60
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Time ns
Cu
rren
t m
kA
experiment
fit
00E+0050E+0310E+0415E+0420E+04
25E+0430E+0435E+0440E+04
0 001 002 003x (cm)
E (
Vc
m)
V = 203 V
version 2n = 51014 cm-2
Irraggiamento con neutroni CV and TCT Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence Annealing study
INVERSIONE
1min800C1giorno200C
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Aumento della luminositagrave 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
MOTIVAZIONI
[1] Atlas Radiation Background Task Force ATL-GEN-2005-001 Jan 2005[2] F Giannotti et al hep-ph0204087 April 2002[3] R Horisberger CMS Workshop on SLHC CERN Feb 2004
0 20 40 60 80 100 120
1014
1015
1016
pixels long stripsshort strips
fast
ha
dro
n f
lue
nce
2
50
0fb
-1[c
m-2]
R [cm]
ATLAS RTF [1] Giannotti et al [2] Best Fit of RTF Data
f = 1014 x 1150 R-16 [3]
Il limite maggiore egrave rappresentato dalla non resistenza a questi flussi dei silici che costituiscono i tracciatori dei diversi esperimenti
~5 anni
aumento corrente di superficie Vbreak a tensioni piugrave basse
+++++ +++++ ++++++++++- - - - -- - - - - - - - - - - - - - -
Irraggiamento 1-a aumento della carica positiva 1-b rottura dei legami reticolari allrsquointerfaccia
1-a
aumento Cii
aumento della tensione operativaRiduzione dellrsquoisolamento
fra le strisce
1-b Incremento delle trappole presenti
allrsquointerfaccia Si-SiO2
(1) Danno di superficie
PARTICELLA
SI V+I V
I
Ec
Ef
Ev
V
VO neutronon dannoso
V20 contribuisce al segno di Neff
VO V20
cluster
(2) Danno del substrato
VΦTtα=ΔI a aYCaAaEFFDEP TtNNTtNTtNV
Oxygen concentration in Oxygen concentration in FZFZ CZCZ and and EPIEPI
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Depth [m]
51016
51017
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5
O-c
once
ntra
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[1c
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SIMS 25 m SIMS 25 m
25 m
u25
mu
SIMS 50 mSIMS 50 m
50 m
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SIMS 75 mSIMS 75 m
75 m
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mu
simulation 25 msimulation 25 msimulation 50 msimulation 50 msimulation 75msimulation 75m
Cz and DOFZ siliconEpitaxial silicon
bull EPI Ossigeno diffonde dal substrato Cz
bull EPI La concentrazione dellrsquoossigeno e la sua uniformitagrave diminuiscono con lo spessore
bull CZ alta e omogenea concentrzione di ossigeno
0 50 100 150 200 250depth [m]
51016
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-3]
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5
Cz as grown
DOFZ 72h1150oCDOFZ 48h1150oCDOFZ 24h1150oC [GLindstroem et al]
[GLindstroumlm et al10th European Symposium on Semiconductor Detectors 12-16 June 2005]
bull DOFZ concentrazione di ossigeno aumenta col tempo di ossigenazione
bull DOFZ distribuzione non omogenea dellrsquoossigeno
EPIlayer CZ substrate
Microstrip detectors
Inter strip Capacitance test
Test2
Test1
Pad detector
Edge structures
Square MG-diodes
Round MG-diodes
50 um pitch
100 um pitch
RUN I p-on-n
22 wafers
Fz MCz Epi
RUN II n-on-p
24 wafers Fz
MCz two p-spray
doses 3E12 amp
5E12 cm-2
substrati studiati in RD50Wafer Layout disegnato dalla collaborazione SMART Maschere processate dallrsquoITC-IRST (Trento)
SMARTSMART Wafer layout 4rdquoWafer layout 4rdquo1st p-type MCz microstrip detectors
Neutroni da reattore a Ljubljana
12 fluenze 50x1013 85x1015 1-MeV ncm2
27 mini-sensori 11 strutturedi test (capts)100 diodi
Protoni da 26 MeV Ciclotrone di Karlsruhe
10 fluenze 12x1014 - 6x1015 1-MeV ncm2
20 mini-sensori 8 strutture di test(capts) 100 diodi
April 2005
June 2005
Set up CERN
Set up JSI(Ljubljana)
IrraggiamentiIrraggiamenti
Set up FZK
Protoni da 24 GeV al CERN
3 fluenze 06x101427x1014 34x1015)1-MeV ncm2
9 diodi
April 2006
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento DiodiDiodi
Mappa di VFD dei diodi in un wafer p-type MCz
I-V diodi alte Vbd e buonvalore di densitagrave di corrente
Disuniformitagrave probabilmente legata alla variazione della concentrazione di ossigeno nei substrati MCzC Piemonte 5th RD50 workshop Oct 2004
SMART2 - n+p - MCz 300m Inversione
SMART1 - p+n - MCz 300m
C-V diodi Uniformitagrave di lungo il wafer
C-V processo uniforme del wafer
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(Fz n inversione di tipo)(Fz n inversione di tipo)
T=200C
Irraggiamento con protoni da 26MeV
Tipico andamento del substrato standard
FZ_n
MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc
1013 5 1014 524 GeVc protons [ cm-2 ]
50
100
150
200
250
300
Vfd
[V
]
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f | [
1012
cm
-3 ]
MCZ (n320) - Vfd from IVMCZ (n320) - Vfd from CV
[MMoll AGBates to be published in NIMA]
M Moll A Bates NIM A
CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=27times1014 ncm2
Alla fluenza F=13times1015 ncm2 la giunzione dominante egrave ancora sul front (lato p+)
F=06times1014 ncm2
F=27times1014 ncm2
NO-INVERSIONE
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)
T=200C
0
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30
35
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Time ns
Curre
nt m
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1E+4
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2E+4
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EV
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25E+0430E+0435E+0440E+04
0 001 002 003x (cm)
E (
Vc
m)
V = 203 V
version 2n = 51014 cm-2
Irraggiamento con neutroni CV and TCT Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence Annealing study
INVERSIONE
1min800C1giorno200C
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
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EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
aumento corrente di superficie Vbreak a tensioni piugrave basse
+++++ +++++ ++++++++++- - - - -- - - - - - - - - - - - - - -
Irraggiamento 1-a aumento della carica positiva 1-b rottura dei legami reticolari allrsquointerfaccia
1-a
aumento Cii
aumento della tensione operativaRiduzione dellrsquoisolamento
fra le strisce
1-b Incremento delle trappole presenti
allrsquointerfaccia Si-SiO2
(1) Danno di superficie
PARTICELLA
SI V+I V
I
Ec
Ef
Ev
V
VO neutronon dannoso
V20 contribuisce al segno di Neff
VO V20
cluster
(2) Danno del substrato
VΦTtα=ΔI a aYCaAaEFFDEP TtNNTtNTtNV
Oxygen concentration in Oxygen concentration in FZFZ CZCZ and and EPIEPI
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Depth [m]
51016
51017
51018
5
O-c
once
ntra
tion
[1c
m3 ]
SIMS 25 m SIMS 25 m
25 m
u25
mu
SIMS 50 mSIMS 50 m
50 m
u50
mu
SIMS 75 mSIMS 75 m
75 m
u75
mu
simulation 25 msimulation 25 msimulation 50 msimulation 50 msimulation 75msimulation 75m
Cz and DOFZ siliconEpitaxial silicon
bull EPI Ossigeno diffonde dal substrato Cz
bull EPI La concentrazione dellrsquoossigeno e la sua uniformitagrave diminuiscono con lo spessore
bull CZ alta e omogenea concentrzione di ossigeno
0 50 100 150 200 250depth [m]
51016
51017
51018
5
O-c
once
ntra
tion
[cm
-3]
51016
51017
51018
5
Cz as grown
DOFZ 72h1150oCDOFZ 48h1150oCDOFZ 24h1150oC [GLindstroem et al]
[GLindstroumlm et al10th European Symposium on Semiconductor Detectors 12-16 June 2005]
bull DOFZ concentrazione di ossigeno aumenta col tempo di ossigenazione
bull DOFZ distribuzione non omogenea dellrsquoossigeno
EPIlayer CZ substrate
Microstrip detectors
Inter strip Capacitance test
Test2
Test1
Pad detector
Edge structures
Square MG-diodes
Round MG-diodes
50 um pitch
100 um pitch
RUN I p-on-n
22 wafers
Fz MCz Epi
RUN II n-on-p
24 wafers Fz
MCz two p-spray
doses 3E12 amp
5E12 cm-2
substrati studiati in RD50Wafer Layout disegnato dalla collaborazione SMART Maschere processate dallrsquoITC-IRST (Trento)
SMARTSMART Wafer layout 4rdquoWafer layout 4rdquo1st p-type MCz microstrip detectors
Neutroni da reattore a Ljubljana
12 fluenze 50x1013 85x1015 1-MeV ncm2
27 mini-sensori 11 strutturedi test (capts)100 diodi
Protoni da 26 MeV Ciclotrone di Karlsruhe
10 fluenze 12x1014 - 6x1015 1-MeV ncm2
20 mini-sensori 8 strutture di test(capts) 100 diodi
April 2005
June 2005
Set up CERN
Set up JSI(Ljubljana)
IrraggiamentiIrraggiamenti
Set up FZK
Protoni da 24 GeV al CERN
3 fluenze 06x101427x1014 34x1015)1-MeV ncm2
9 diodi
April 2006
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento DiodiDiodi
Mappa di VFD dei diodi in un wafer p-type MCz
I-V diodi alte Vbd e buonvalore di densitagrave di corrente
Disuniformitagrave probabilmente legata alla variazione della concentrazione di ossigeno nei substrati MCzC Piemonte 5th RD50 workshop Oct 2004
SMART2 - n+p - MCz 300m Inversione
SMART1 - p+n - MCz 300m
C-V diodi Uniformitagrave di lungo il wafer
C-V processo uniforme del wafer
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(Fz n inversione di tipo)(Fz n inversione di tipo)
T=200C
Irraggiamento con protoni da 26MeV
Tipico andamento del substrato standard
FZ_n
MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc
1013 5 1014 524 GeVc protons [ cm-2 ]
50
100
150
200
250
300
Vfd
[V
]
1
2
3
4
| Nef
f | [
1012
cm
-3 ]
MCZ (n320) - Vfd from IVMCZ (n320) - Vfd from CV
[MMoll AGBates to be published in NIMA]
M Moll A Bates NIM A
CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=27times1014 ncm2
Alla fluenza F=13times1015 ncm2 la giunzione dominante egrave ancora sul front (lato p+)
F=06times1014 ncm2
F=27times1014 ncm2
NO-INVERSIONE
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)
T=200C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time ns
Curre
nt m
kA
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
0 0005 001 0015 002 0025 003 0035
xcm
EV
cm
Φ (1014ncm-2)
0
10
20
30
40
50
60
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Time ns
Cu
rren
t m
kA
experiment
fit
00E+0050E+0310E+0415E+0420E+04
25E+0430E+0435E+0440E+04
0 001 002 003x (cm)
E (
Vc
m)
V = 203 V
version 2n = 51014 cm-2
Irraggiamento con neutroni CV and TCT Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence Annealing study
INVERSIONE
1min800C1giorno200C
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
PARTICELLA
SI V+I V
I
Ec
Ef
Ev
V
VO neutronon dannoso
V20 contribuisce al segno di Neff
VO V20
cluster
(2) Danno del substrato
VΦTtα=ΔI a aYCaAaEFFDEP TtNNTtNTtNV
Oxygen concentration in Oxygen concentration in FZFZ CZCZ and and EPIEPI
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Depth [m]
51016
51017
51018
5
O-c
once
ntra
tion
[1c
m3 ]
SIMS 25 m SIMS 25 m
25 m
u25
mu
SIMS 50 mSIMS 50 m
50 m
u50
mu
SIMS 75 mSIMS 75 m
75 m
u75
mu
simulation 25 msimulation 25 msimulation 50 msimulation 50 msimulation 75msimulation 75m
Cz and DOFZ siliconEpitaxial silicon
bull EPI Ossigeno diffonde dal substrato Cz
bull EPI La concentrazione dellrsquoossigeno e la sua uniformitagrave diminuiscono con lo spessore
bull CZ alta e omogenea concentrzione di ossigeno
0 50 100 150 200 250depth [m]
51016
51017
51018
5
O-c
once
ntra
tion
[cm
-3]
51016
51017
51018
5
Cz as grown
DOFZ 72h1150oCDOFZ 48h1150oCDOFZ 24h1150oC [GLindstroem et al]
[GLindstroumlm et al10th European Symposium on Semiconductor Detectors 12-16 June 2005]
bull DOFZ concentrazione di ossigeno aumenta col tempo di ossigenazione
bull DOFZ distribuzione non omogenea dellrsquoossigeno
EPIlayer CZ substrate
Microstrip detectors
Inter strip Capacitance test
Test2
Test1
Pad detector
Edge structures
Square MG-diodes
Round MG-diodes
50 um pitch
100 um pitch
RUN I p-on-n
22 wafers
Fz MCz Epi
RUN II n-on-p
24 wafers Fz
MCz two p-spray
doses 3E12 amp
5E12 cm-2
substrati studiati in RD50Wafer Layout disegnato dalla collaborazione SMART Maschere processate dallrsquoITC-IRST (Trento)
SMARTSMART Wafer layout 4rdquoWafer layout 4rdquo1st p-type MCz microstrip detectors
Neutroni da reattore a Ljubljana
12 fluenze 50x1013 85x1015 1-MeV ncm2
27 mini-sensori 11 strutturedi test (capts)100 diodi
Protoni da 26 MeV Ciclotrone di Karlsruhe
10 fluenze 12x1014 - 6x1015 1-MeV ncm2
20 mini-sensori 8 strutture di test(capts) 100 diodi
April 2005
June 2005
Set up CERN
Set up JSI(Ljubljana)
IrraggiamentiIrraggiamenti
Set up FZK
Protoni da 24 GeV al CERN
3 fluenze 06x101427x1014 34x1015)1-MeV ncm2
9 diodi
April 2006
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento DiodiDiodi
Mappa di VFD dei diodi in un wafer p-type MCz
I-V diodi alte Vbd e buonvalore di densitagrave di corrente
Disuniformitagrave probabilmente legata alla variazione della concentrazione di ossigeno nei substrati MCzC Piemonte 5th RD50 workshop Oct 2004
SMART2 - n+p - MCz 300m Inversione
SMART1 - p+n - MCz 300m
C-V diodi Uniformitagrave di lungo il wafer
C-V processo uniforme del wafer
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(Fz n inversione di tipo)(Fz n inversione di tipo)
T=200C
Irraggiamento con protoni da 26MeV
Tipico andamento del substrato standard
FZ_n
MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc
1013 5 1014 524 GeVc protons [ cm-2 ]
50
100
150
200
250
300
Vfd
[V
]
1
2
3
4
| Nef
f | [
1012
cm
-3 ]
MCZ (n320) - Vfd from IVMCZ (n320) - Vfd from CV
[MMoll AGBates to be published in NIMA]
M Moll A Bates NIM A
CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=27times1014 ncm2
Alla fluenza F=13times1015 ncm2 la giunzione dominante egrave ancora sul front (lato p+)
F=06times1014 ncm2
F=27times1014 ncm2
NO-INVERSIONE
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)
T=200C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time ns
Curre
nt m
kA
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
0 0005 001 0015 002 0025 003 0035
xcm
EV
cm
Φ (1014ncm-2)
0
10
20
30
40
50
60
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Time ns
Cu
rren
t m
kA
experiment
fit
00E+0050E+0310E+0415E+0420E+04
25E+0430E+0435E+0440E+04
0 001 002 003x (cm)
E (
Vc
m)
V = 203 V
version 2n = 51014 cm-2
Irraggiamento con neutroni CV and TCT Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence Annealing study
INVERSIONE
1min800C1giorno200C
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Oxygen concentration in Oxygen concentration in FZFZ CZCZ and and EPIEPI
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Depth [m]
51016
51017
51018
5
O-c
once
ntra
tion
[1c
m3 ]
SIMS 25 m SIMS 25 m
25 m
u25
mu
SIMS 50 mSIMS 50 m
50 m
u50
mu
SIMS 75 mSIMS 75 m
75 m
u75
mu
simulation 25 msimulation 25 msimulation 50 msimulation 50 msimulation 75msimulation 75m
Cz and DOFZ siliconEpitaxial silicon
bull EPI Ossigeno diffonde dal substrato Cz
bull EPI La concentrazione dellrsquoossigeno e la sua uniformitagrave diminuiscono con lo spessore
bull CZ alta e omogenea concentrzione di ossigeno
0 50 100 150 200 250depth [m]
51016
51017
51018
5
O-c
once
ntra
tion
[cm
-3]
51016
51017
51018
5
Cz as grown
DOFZ 72h1150oCDOFZ 48h1150oCDOFZ 24h1150oC [GLindstroem et al]
[GLindstroumlm et al10th European Symposium on Semiconductor Detectors 12-16 June 2005]
bull DOFZ concentrazione di ossigeno aumenta col tempo di ossigenazione
bull DOFZ distribuzione non omogenea dellrsquoossigeno
EPIlayer CZ substrate
Microstrip detectors
Inter strip Capacitance test
Test2
Test1
Pad detector
Edge structures
Square MG-diodes
Round MG-diodes
50 um pitch
100 um pitch
RUN I p-on-n
22 wafers
Fz MCz Epi
RUN II n-on-p
24 wafers Fz
MCz two p-spray
doses 3E12 amp
5E12 cm-2
substrati studiati in RD50Wafer Layout disegnato dalla collaborazione SMART Maschere processate dallrsquoITC-IRST (Trento)
SMARTSMART Wafer layout 4rdquoWafer layout 4rdquo1st p-type MCz microstrip detectors
Neutroni da reattore a Ljubljana
12 fluenze 50x1013 85x1015 1-MeV ncm2
27 mini-sensori 11 strutturedi test (capts)100 diodi
Protoni da 26 MeV Ciclotrone di Karlsruhe
10 fluenze 12x1014 - 6x1015 1-MeV ncm2
20 mini-sensori 8 strutture di test(capts) 100 diodi
April 2005
June 2005
Set up CERN
Set up JSI(Ljubljana)
IrraggiamentiIrraggiamenti
Set up FZK
Protoni da 24 GeV al CERN
3 fluenze 06x101427x1014 34x1015)1-MeV ncm2
9 diodi
April 2006
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento DiodiDiodi
Mappa di VFD dei diodi in un wafer p-type MCz
I-V diodi alte Vbd e buonvalore di densitagrave di corrente
Disuniformitagrave probabilmente legata alla variazione della concentrazione di ossigeno nei substrati MCzC Piemonte 5th RD50 workshop Oct 2004
SMART2 - n+p - MCz 300m Inversione
SMART1 - p+n - MCz 300m
C-V diodi Uniformitagrave di lungo il wafer
C-V processo uniforme del wafer
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(Fz n inversione di tipo)(Fz n inversione di tipo)
T=200C
Irraggiamento con protoni da 26MeV
Tipico andamento del substrato standard
FZ_n
MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc
1013 5 1014 524 GeVc protons [ cm-2 ]
50
100
150
200
250
300
Vfd
[V
]
1
2
3
4
| Nef
f | [
1012
cm
-3 ]
MCZ (n320) - Vfd from IVMCZ (n320) - Vfd from CV
[MMoll AGBates to be published in NIMA]
M Moll A Bates NIM A
CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=27times1014 ncm2
Alla fluenza F=13times1015 ncm2 la giunzione dominante egrave ancora sul front (lato p+)
F=06times1014 ncm2
F=27times1014 ncm2
NO-INVERSIONE
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)
T=200C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time ns
Curre
nt m
kA
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
0 0005 001 0015 002 0025 003 0035
xcm
EV
cm
Φ (1014ncm-2)
0
10
20
30
40
50
60
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Time ns
Cu
rren
t m
kA
experiment
fit
00E+0050E+0310E+0415E+0420E+04
25E+0430E+0435E+0440E+04
0 001 002 003x (cm)
E (
Vc
m)
V = 203 V
version 2n = 51014 cm-2
Irraggiamento con neutroni CV and TCT Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence Annealing study
INVERSIONE
1min800C1giorno200C
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Microstrip detectors
Inter strip Capacitance test
Test2
Test1
Pad detector
Edge structures
Square MG-diodes
Round MG-diodes
50 um pitch
100 um pitch
RUN I p-on-n
22 wafers
Fz MCz Epi
RUN II n-on-p
24 wafers Fz
MCz two p-spray
doses 3E12 amp
5E12 cm-2
substrati studiati in RD50Wafer Layout disegnato dalla collaborazione SMART Maschere processate dallrsquoITC-IRST (Trento)
SMARTSMART Wafer layout 4rdquoWafer layout 4rdquo1st p-type MCz microstrip detectors
Neutroni da reattore a Ljubljana
12 fluenze 50x1013 85x1015 1-MeV ncm2
27 mini-sensori 11 strutturedi test (capts)100 diodi
Protoni da 26 MeV Ciclotrone di Karlsruhe
10 fluenze 12x1014 - 6x1015 1-MeV ncm2
20 mini-sensori 8 strutture di test(capts) 100 diodi
April 2005
June 2005
Set up CERN
Set up JSI(Ljubljana)
IrraggiamentiIrraggiamenti
Set up FZK
Protoni da 24 GeV al CERN
3 fluenze 06x101427x1014 34x1015)1-MeV ncm2
9 diodi
April 2006
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento DiodiDiodi
Mappa di VFD dei diodi in un wafer p-type MCz
I-V diodi alte Vbd e buonvalore di densitagrave di corrente
Disuniformitagrave probabilmente legata alla variazione della concentrazione di ossigeno nei substrati MCzC Piemonte 5th RD50 workshop Oct 2004
SMART2 - n+p - MCz 300m Inversione
SMART1 - p+n - MCz 300m
C-V diodi Uniformitagrave di lungo il wafer
C-V processo uniforme del wafer
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(Fz n inversione di tipo)(Fz n inversione di tipo)
T=200C
Irraggiamento con protoni da 26MeV
Tipico andamento del substrato standard
FZ_n
MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc
1013 5 1014 524 GeVc protons [ cm-2 ]
50
100
150
200
250
300
Vfd
[V
]
1
2
3
4
| Nef
f | [
1012
cm
-3 ]
MCZ (n320) - Vfd from IVMCZ (n320) - Vfd from CV
[MMoll AGBates to be published in NIMA]
M Moll A Bates NIM A
CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=27times1014 ncm2
Alla fluenza F=13times1015 ncm2 la giunzione dominante egrave ancora sul front (lato p+)
F=06times1014 ncm2
F=27times1014 ncm2
NO-INVERSIONE
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)
T=200C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time ns
Curre
nt m
kA
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
0 0005 001 0015 002 0025 003 0035
xcm
EV
cm
Φ (1014ncm-2)
0
10
20
30
40
50
60
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Time ns
Cu
rren
t m
kA
experiment
fit
00E+0050E+0310E+0415E+0420E+04
25E+0430E+0435E+0440E+04
0 001 002 003x (cm)
E (
Vc
m)
V = 203 V
version 2n = 51014 cm-2
Irraggiamento con neutroni CV and TCT Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence Annealing study
INVERSIONE
1min800C1giorno200C
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Neutroni da reattore a Ljubljana
12 fluenze 50x1013 85x1015 1-MeV ncm2
27 mini-sensori 11 strutturedi test (capts)100 diodi
Protoni da 26 MeV Ciclotrone di Karlsruhe
10 fluenze 12x1014 - 6x1015 1-MeV ncm2
20 mini-sensori 8 strutture di test(capts) 100 diodi
April 2005
June 2005
Set up CERN
Set up JSI(Ljubljana)
IrraggiamentiIrraggiamenti
Set up FZK
Protoni da 24 GeV al CERN
3 fluenze 06x101427x1014 34x1015)1-MeV ncm2
9 diodi
April 2006
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento DiodiDiodi
Mappa di VFD dei diodi in un wafer p-type MCz
I-V diodi alte Vbd e buonvalore di densitagrave di corrente
Disuniformitagrave probabilmente legata alla variazione della concentrazione di ossigeno nei substrati MCzC Piemonte 5th RD50 workshop Oct 2004
SMART2 - n+p - MCz 300m Inversione
SMART1 - p+n - MCz 300m
C-V diodi Uniformitagrave di lungo il wafer
C-V processo uniforme del wafer
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(Fz n inversione di tipo)(Fz n inversione di tipo)
T=200C
Irraggiamento con protoni da 26MeV
Tipico andamento del substrato standard
FZ_n
MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc
1013 5 1014 524 GeVc protons [ cm-2 ]
50
100
150
200
250
300
Vfd
[V
]
1
2
3
4
| Nef
f | [
1012
cm
-3 ]
MCZ (n320) - Vfd from IVMCZ (n320) - Vfd from CV
[MMoll AGBates to be published in NIMA]
M Moll A Bates NIM A
CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=27times1014 ncm2
Alla fluenza F=13times1015 ncm2 la giunzione dominante egrave ancora sul front (lato p+)
F=06times1014 ncm2
F=27times1014 ncm2
NO-INVERSIONE
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)
T=200C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time ns
Curre
nt m
kA
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
0 0005 001 0015 002 0025 003 0035
xcm
EV
cm
Φ (1014ncm-2)
0
10
20
30
40
50
60
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Time ns
Cu
rren
t m
kA
experiment
fit
00E+0050E+0310E+0415E+0420E+04
25E+0430E+0435E+0440E+04
0 001 002 003x (cm)
E (
Vc
m)
V = 203 V
version 2n = 51014 cm-2
Irraggiamento con neutroni CV and TCT Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence Annealing study
INVERSIONE
1min800C1giorno200C
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento DiodiDiodi
Mappa di VFD dei diodi in un wafer p-type MCz
I-V diodi alte Vbd e buonvalore di densitagrave di corrente
Disuniformitagrave probabilmente legata alla variazione della concentrazione di ossigeno nei substrati MCzC Piemonte 5th RD50 workshop Oct 2004
SMART2 - n+p - MCz 300m Inversione
SMART1 - p+n - MCz 300m
C-V diodi Uniformitagrave di lungo il wafer
C-V processo uniforme del wafer
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(Fz n inversione di tipo)(Fz n inversione di tipo)
T=200C
Irraggiamento con protoni da 26MeV
Tipico andamento del substrato standard
FZ_n
MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc
1013 5 1014 524 GeVc protons [ cm-2 ]
50
100
150
200
250
300
Vfd
[V
]
1
2
3
4
| Nef
f | [
1012
cm
-3 ]
MCZ (n320) - Vfd from IVMCZ (n320) - Vfd from CV
[MMoll AGBates to be published in NIMA]
M Moll A Bates NIM A
CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=27times1014 ncm2
Alla fluenza F=13times1015 ncm2 la giunzione dominante egrave ancora sul front (lato p+)
F=06times1014 ncm2
F=27times1014 ncm2
NO-INVERSIONE
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)
T=200C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time ns
Curre
nt m
kA
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
0 0005 001 0015 002 0025 003 0035
xcm
EV
cm
Φ (1014ncm-2)
0
10
20
30
40
50
60
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Time ns
Cu
rren
t m
kA
experiment
fit
00E+0050E+0310E+0415E+0420E+04
25E+0430E+0435E+0440E+04
0 001 002 003x (cm)
E (
Vc
m)
V = 203 V
version 2n = 51014 cm-2
Irraggiamento con neutroni CV and TCT Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence Annealing study
INVERSIONE
1min800C1giorno200C
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(Fz n inversione di tipo)(Fz n inversione di tipo)
T=200C
Irraggiamento con protoni da 26MeV
Tipico andamento del substrato standard
FZ_n
MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc
1013 5 1014 524 GeVc protons [ cm-2 ]
50
100
150
200
250
300
Vfd
[V
]
1
2
3
4
| Nef
f | [
1012
cm
-3 ]
MCZ (n320) - Vfd from IVMCZ (n320) - Vfd from CV
[MMoll AGBates to be published in NIMA]
M Moll A Bates NIM A
CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=27times1014 ncm2
Alla fluenza F=13times1015 ncm2 la giunzione dominante egrave ancora sul front (lato p+)
F=06times1014 ncm2
F=27times1014 ncm2
NO-INVERSIONE
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)
T=200C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time ns
Curre
nt m
kA
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
0 0005 001 0015 002 0025 003 0035
xcm
EV
cm
Φ (1014ncm-2)
0
10
20
30
40
50
60
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Time ns
Cu
rren
t m
kA
experiment
fit
00E+0050E+0310E+0415E+0420E+04
25E+0430E+0435E+0440E+04
0 001 002 003x (cm)
E (
Vc
m)
V = 203 V
version 2n = 51014 cm-2
Irraggiamento con neutroni CV and TCT Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence Annealing study
INVERSIONE
1min800C1giorno200C
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc MCz irraggiamento con protoni da 24 GeVc
1013 5 1014 524 GeVc protons [ cm-2 ]
50
100
150
200
250
300
Vfd
[V
]
1
2
3
4
| Nef
f | [
1012
cm
-3 ]
MCZ (n320) - Vfd from IVMCZ (n320) - Vfd from CV
[MMoll AGBates to be published in NIMA]
M Moll A Bates NIM A
CAMPIONI SMART Doppia giunzione a partire da F=27times1014 ncm2
Alla fluenza F=13times1015 ncm2 la giunzione dominante egrave ancora sul front (lato p+)
F=06times1014 ncm2
F=27times1014 ncm2
NO-INVERSIONE
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)
T=200C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time ns
Curre
nt m
kA
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
0 0005 001 0015 002 0025 003 0035
xcm
EV
cm
Φ (1014ncm-2)
0
10
20
30
40
50
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-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Time ns
Cu
rren
t m
kA
experiment
fit
00E+0050E+0310E+0415E+0420E+04
25E+0430E+0435E+0440E+04
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E (
Vc
m)
V = 203 V
version 2n = 51014 cm-2
Irraggiamento con neutroni CV and TCT Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence Annealing study
INVERSIONE
1min800C1giorno200C
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Tensione di svuotamento dopo irrTensione di svuotamento dopo irr(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)(MCz n irraggiamento protoni 26 MeV)
T=200C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time ns
Curre
nt m
kA
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
0 0005 001 0015 002 0025 003 0035
xcm
EV
cm
Φ (1014ncm-2)
0
10
20
30
40
50
60
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Time ns
Cu
rren
t m
kA
experiment
fit
00E+0050E+0310E+0415E+0420E+04
25E+0430E+0435E+0440E+04
0 001 002 003x (cm)
E (
Vc
m)
V = 203 V
version 2n = 51014 cm-2
Irraggiamento con neutroni CV and TCT Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence Annealing study
INVERSIONE
1min800C1giorno200C
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Φ (1014ncm-2)
0
10
20
30
40
50
60
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Time ns
Cu
rren
t m
kA
experiment
fit
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E (
Vc
m)
V = 203 V
version 2n = 51014 cm-2
Irraggiamento con neutroni CV and TCT Irraggiamento con neutroni CV and TCT
Vdep vs Fluence Annealing study
INVERSIONE
1min800C1giorno200C
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
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127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
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Cin
t l
(p
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m)
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Cin
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m)
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FZ p-type High p Spray
Cin
t l
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m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
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Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
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0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Annealing inversoAnnealing inverso
Miglior comportamento degli MCz
NEUTRON IRRADIATIONPROTON IRRADIATION
Limite strumentale
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
26 MeV protons
Campioni esaminati con TCT allo Ioffe-St Petersburg le misure confermano lrsquoinversione
Le misuire di annealing suggeriscono lrsquoinversione dopo 50 minuti a 80oC tranne la fluenza piugrave bassa
138x1014 n cm-2 409x1014 n cm-2 713x1014 n cm-2 I sample 713x1014 n cm-2 II sample
DIODI EPITASSIALIDIODI EPITASSIALI
0E+0
5E+3
1E+4
2E+4
2E+4
3E+4
3E+4
4E+4
4E+4
5E+4
5E+4
0 0002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016
xcm
EV
cm
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
wafer Sub Drog Irrag α(10-17Acm-1)
1253 FZ n P-26Mev 42plusmn02
553 FZ n Neutroni 44plusmn03
64 FZ p P-26Mev 4plusmn03
127 MCz n P-26Mev 44plusmn03
179 MCz n Neutroni 41plusmn02
09 MCz n P-26Mev 39plusmn03
130 MCz p Neutroni 39plusmn03
12 Epi n P-26Mev 35plusmn02
TANNEALING=8 min 800C
VΦ
ΔITtα a
wafer Sub Drog Irrag β(10-2cm-1)
1253 FZ n P-26Mev 107plusmn007
553 FZ n Neutroni 118plusmn007
64 FZ p P-26Mev 117plusmn008
127 MCz n P-26Mev 1plusmn07
130 MCz p Neutroni 131plusmn08
12 Epi n neutroni 041plusmn05
12 Epi n P-26Mev 155plusmn09
1410
EFFN
α indipendente dal substrato
tranne lrsquoepitassiale
β(CMS)=149
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento minisensoriminisensori
Buone performance dei minisensori n-type in Termini di tensione di breakdown
Resistivitagrave non uniforme come per i diodi
Basse tensioni di breakdown
Per i sensori di passo 100 m Specialmente per lrsquoalta dose di p-spray
MCz n-type
I leakV
(n
Ac
m-2)
-Vbias (Volt)
MCz p-type Low p-Spray
I leakV
(n
Ac
m-2)
250
MCz p-type High p-Spray
-Vbias (Volt)I l
eakV
(n
Ac
m-2)
70
Resistivitagrave uniforme lungo il wafer
SMART1 - p+n - MCz 300m
SMART2 - n+p - MCz 300m
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con protoni da 26 dopo irraggiamento con protoni da 26
MeVMeV andamenti IV dei minisensori n-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) Il livello di corrente fra MCz e Fz egrave lo stesso ad una data fluenza
bull Alte tensioni di breakdown
bull La corrente inversa egrave proporzionale alla fluenza
MCz High p sprayMCz Low p spray
n-type
p-type
MCz High p spray
10E-06
10E-05
10E-04
10E-03
0 200 400 600 800 1000 1200
Bias Voltage (V)
L
eakag
e C
urr
en
t (
A)
FZ amp MCz sensors
andamenti IV dei minisensori p-type per tutte le fluenze prima dellrsquoannealing (misure a 0oC)
(1) I sensori con basso p-spray hanno tensioni di breakdown confrontabili con gli n-type
bull I sensori con alto p-spray migliorano solo ad alte fluenze gt 40 1014 neqcm2
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
p-typen-type
MCz High p spray
Le prestazioni dei minisensori tipo p migliorano poco dopo lrsquoirraggiamento con neutroni poco danno di superfice (contaminazione )
Corrente inversa totale dei minisensori Corrente inversa totale dei minisensori dopo irraggiamento con neutronidopo irraggiamento con neutroni
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Buon andamento dei minisensori n-type (la capacitancagrave interstrip dipende come atteso dalla geometria dei sensori larghezza della striscia passo metal overhanghellip)
MCz p-type Low p Spray
-Vbias (Volt)
Cin
t l
(p
Fc
m)
MCz p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
FZ p-type High p Spray
Cin
t l
(p
Fc
m)
-Vbias (Volt)
50microm
100microm
Cin
t l
(p
Fc
m)
Vbias (Volt)
MCz n-type
50microm
100microm
Caratterizzazione pre-irraggiamento Caratterizzazione pre-irraggiamento (Capacitagrave Interstrip) (Capacitagrave Interstrip)
Andamento diverso per i sensori p-type
la capacitancagrave 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 egrave piugrave veloce nellrsquoalto p-spray e nel passo largo Non crsquoegrave differenza fra Fz and MCz
MO
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
Capacitagrave interstrip proton Capacitagrave interstrip proton irrirr
MCz n lt100gt Fz n lt111gt
MCz p High p sprayMCz Low p spray
OK
Tipico del Si lt111gt
Stesso problema del non irraggiatoLa situazione migliora dopo lrsquoirraggiamento
Raggiunge il valore del non irraggiato
Cint
Cback
Ctot= Cback+ 2(Cint 1st + Cin 2nd +hellip) Capacitagrave totale Vista dal preamplificatore
Le simulazioni confermano gli andamenti per capire le differenze fra substrati e tecniche di isolamento bisogna svincolarsi dalla geometria
n-type
p-type
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
0
2E-13
4E-13
6E-13
8E-13
1E-12
12E-12
0 20 40 60 80 100
W182 S2 MCz p-type high p-spray
W182 S4 MCz p-type high p-spray
lt
F2=04E14 n cm-2
F7=40E14 n cm-2
F3 CERN=36E15 n cm-2
C (pFcm)Il valore di Cint a =36E15 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
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
ConclusioniConclusioni
La variazione di corrente inversa egrave indipendente dal tipo di substrato eccezion fatta per il substrato Epi ed egrave 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 capacitagrave 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
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
ConclusioniConclusioni
Tutte le informazioni provenienti dallrsquointera comunitagrave 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 piugrave vicina al punto di interazione probabilmente verranno utilizzati pixel di tipo EPI
La collaborazione SMART ha intenzione di inserire nella prossima produzione
1 materiali EPI spessi 100 microm
2 macro pixel lunghi 2 cm con passo 50 microm
3 pixel dello stesso disegno dellrsquoattuale produzione di sensori per gli esperimenti ATLAS e CMS
4 Minisensori con passo 80 microm e strip lunghe 3 cm
5 nei minisensori di tipo p una tecnica combinata p-spray p-stop per lrsquoisolamento fra le strisce
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz
MOS structure VFB evolution with
- Vgate (V)
114E-10
116E-10
118E-10
120E-10
122E-10
124E-10
126E-10
128E-10
130E-10
-140 -90 -40 10 60 110 160 210 260
W084 T1-11 PRE-IRRW084 T1-14 6E14W248 T1-12 6E14W248 T1-14 8E14W182 T1-8 06E14 CERNW182 T1-6 27E14 CERNW084 T1-8 10E14
Fz p-type with high p-spray f= 1K Hz