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Dottorato in Fisica Maggio 2005“Fisica dei rivelatori” Rivelatori al silicio (Lezione 2/2)

Rivelatori al silicio(Lezione 2/2)

V. Manzari – INFN [email protected]

Introduzione alla fisica dei rivelatori a semiconduttore negli esperimenti di fisica

delle alte energie


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Programma

2 Seminari non possono coprire interamente un campo tanto vasto

Lezione 1- Introduzione- Principi di funzionamento

Lezione 2- Rivelatori classici: Microstrip e Pixel- Rivelatori a memoria: Drift, CCD- Sviluppi in corso- Danno da radiazione


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Principle of detection (1/2)

to produce one pair of charge carrier in silicon (e-h pair) one needs only 3.6 eV energy compare to ~30 eV in a gasdensity of silicon is much higher than that of a gas

- MIP produces about 100 e-h pairs per 1µm of silicon- to produce this charge in gas one needs cm’s

a typical silicon detector is produced from a plate of highresistivity n-doped silicon of ~300µm thicknesson one side a thin p-doped layer is produceda reverse bias voltage is applied (i.e. positive potential onn-side, negative on on p-side) in order to

- fully deplete the silicon of free charge carriers- to produce the electric field for drifting electron and holes to

opposite surfaces where a read out structure is organized


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a MIP produces in a typical detector a charge of about25 000 electrons

- no amplification inside the detector (unlike in gas detectors) is needed

benefiting from well developed silicon technologydifferent readout structures can be produced

Principle of detection (2/2)


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Si substrate for detector

Production of a FZ siliconingot…

… at this stage almost alldetectors look still the same


Rivelatori classici:

Microstrip e Pixel


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Rivelatori classici

Rivelatori classici:- giunzione p+n rettificante polarizzata

inversamente per lo svuotamento- giunzione n+n per il contatto ohmico

Le cariche mobili prodotte dalla radiazione ionizzante sono rimosserapidamente ⇒ ottimi per esperimenti di fisica delle alte energie

- Microstrip single e double side

- Pixel


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What is a microstrip detector?

p-i-n diode

Patterned implants as strips– One or both sides

Connect readout electronics to strips

Radiation induced signal on a strip due to passage under/close to strip

Determine position from strip hit info


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Single sided Strip DetectorSegmentation of the p+ layer into strips (Diode Strip Detector) and

connection of strips to individual read-out channels gives spatial information

typical thickness: 300µm (150 - 500µm used)

using n-type silicon with a resistivity ofρ = 5 KΩcm (ND ~ 1012cm-3)results in a depletion voltage ~ 100 V

n-type silicon

+ -+ -

+ -+ -

+ -+ -

n+ silicon Al

p+ siliconh+

e-

AlSiO2

readout capacitances

≈ 300µm

pitch

Resolution σ depends on the pitch p (distance from strip to strip)- e.g. detection of charge in binary way (threshold discrimination)

and using center of strip as measured coordinate results in

⇒ typical pitch values are 20 – 150 µm ⇒ 50 µm pitch results in 14.4 µm resolution


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Analog readoutAnalog readout (measurement of signal height) of every strip leadsto substantial improvement of position resolution, however notevery strip has to be read out:

Charge division readout reduces the number of readout channelsas only a fraction of the strips is connected to readout amplifier.

Charge collected at the interpolation strips is divided between the two neighboring readout channels according to the relative position.


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Bias resistor and AC couplingBias resistor

• Need to isolate strips from each other tocollect/measure charge on each strip

⇒ high impedance bias connection (≈ 1MΩ resistor)

Coupling capacitor• Couple input amplifier through a capacitor (AC coupling) to avoid large DC input from leakagecurrent

Integration of capacitors and resistors on sensor• Bias resistors via deposition of doped polysilicon• Capacitors via metal readout lines over the implants but separated by an insulating dielectriclayer (SiO2,Si3N4)

Couplingcapacitor

Biasresistor

⇒ nice integration⇒ more masks, processing steps⇒ pin holes

n-bulk

AlSiO2


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What does it look like?P+ contact on front of n- bulkImplants covered with thin thermal oxide (100nm)– Forms capacitor ~ 10pF/cm

Al strip on oxide overlapping implant– Wirebond to amplifier

Strips surrounded by a continuous p+ ring– The guard ring– Connected to ground– Shields against surface currents

Implants DC connected to bias rail– Use polysilicon resistors– Bias rail DC to ground

HV


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Basic building blocks


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1-d vs. 2-d detectors

Many of the detectors measure just one dimension– silicon strip detectors (as well as MWPCs, drift chambers, straw

tubes)– In this case usually more than one layer is used with different

angles (kind of stereo projection)

-Two close hits could produce two ghost hits

-Ambiguity area ∝ sin Θ

-The precision in the second coordinate goesas ∝ sin-1 Θ

Θ


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1-d vs. 2-d detectors

to resolve ambiguity in some cases additional information is available

– charge correlation when the signals for the two angles were produced by the same ionization process

– a nearby detector with yet different angles• to have next a detector with the same angles does not help

because then also the ghost hits correlates


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1-d vs. 2-d detector

The true two dimensional detectors, like– cathode pad chambers– silicon pixel– silicon drift detectors

are much more robust in high particle density environmentand more expensive!

Therefore most of the modern experiments use close to the interaction point silicon pixel detectors

1-d detectors with stereo angle at larger distances


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Double sided silicon strip detectorGet a 2nd coordinatePut n+ and p+ strips on opposite sides and read them both

Problem: Electron accumulation layern+-strips are not isolated because of an electronaccumulation layer at the Si-SiO2 interface. Thiseffect is due to the presence of positive charge inSiO2 layer which attracts electrons.

Solution: “Break” accumulation layer- p-strips in between the n-strips (“p-stop”)- moderate p+-implantation over all surface (“p-spray”)- “field plates” (metal over oxide) over the n+-strips and applynegative potential with respect to n+-strips to repel electrons.

Al SiO2

p+

p-stop

p-spray

field plates


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Silicon Pixel detectors

instead of strips a pixel structure is produced on one side of the silicon plate

typical dimensions ~ 50 x 400 µm2

– at least in one dimension resolution as for strip detector

problem is how to read it out, to each pixel an amplifier circuitry has to be connected– use of special designed readout chip bump-bonded on the

detector silicon– development of monolithic detectors with CCD type of

electronics


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Silicon Pixel detectors

Advantages:– a true two dimensional micro-detector– very low noise (small capacitance)– relatively fast detector (depends on multiplexing)– excellent pattern recognition capability for high

particle densityDisadvantages:– very fragile– challenging technology

bumpbonds


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Hybrid Silicon Pixel Detector

segment silicon to diode matrix with high granularity(⇒ true 2D, no reconstruction ambiguity)


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Hybrid Silicon Pixel Detector

readout electronic with same geometry(every cell connected to its own processing electronics)connection by “bump bonding”requires sophisticated readout architectureHybrid pixel detectors will be used in all LHC experiments:ATLAS, ALICE, CMS and LHCb

detectorP+

bump

electronics

+_h+e-

Ionizing particle

detectorP+

bump

electronics

+_h+e-

Ionizing particle


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Flip-chip assembly

Pb-Sn Bump Bond


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1

Wafer cleaningsubstrato

passivazione Pad in Al

Eliminazione fotoresist

Eliminazione del Cu

Reflow Eliminazione del TiW

2 3 4 5 6

7 8

Deposizione del metallo di campo

CuTiW

Elettrodeposizione di Ni (UBM) &

Soldering (SnPb)

Ni (UBM)

SnPb

Fotoresist&

fotolitografia

fotoresist

Temperatura di reflow 230 °C

Bumps depositati solosul lato elettronica (FEE)

Elettrodeposizine di SnPb (VTT)


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Bumps depositati su entrambi i substrati

1 2 3 4

5Wafer Cleaning Plasma activationFotoresist

&fotolitografia

Deposizione Id

Lift off

In

No reflow, temperatura < 100 °C

Evaporazione di In (AMS)


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Silicon Pixel Detector

Readout

chips

Detector ladders

Kapton

Ladder

supports

Thinceramic(300µm)

Readout

chips

Detector ladders

Kapton

Ladder

supports

Thinceramic(300µm)

WA97/NA57 fixed target experiments at CERN SPS


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Reconstructed tracks inWA97 silicon pixel telescope


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• B-field < 0.5 TALICE

Rout=43.6 cm

2 strips

2 drifts

2 pixels


Parameter Pixels Drifts Strips radius (inner plane) cm 3.9 14.9 38.5 radius (outer plane) cm 7.6 23.8 43.6 cell size (rϕ × z) µm2 50 × 425 294 × 150 95 × 40000resolution (rϕ) µm 12 35 15 resolution (z) µm 100 23 730 max. occupancy % 2.1 2.5 4 max. expected dose (10 years) krad 250 13 2 total area m2 0.24 1.3 4.9 total no. of channels 9.8 M 133 k 2.6 M material budget (both layers) % X0 2.06 1.89 1.78

Inner SPD layerpseudorapidity coverage: |η| < 1.95

[ITS coverage |η| ≈ 0.8]

ALICE Inner Tracking System and Silicon Pixel Detector


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• Mixed signal (analogue, digital)

• Produced in a commercial 0.25µm CMOS process (8” wafers)

• Radiation tolerant design (enclosed gates, guard rings)

• 8192 pixel cells• 50 µm (rφ) x 425 µm (z) pixel cell• ~100 µW/channel• ~1000 e- mean threshold (~200 e- RMS)

• ~120 e- mean noise

13.5 mm

15.8 mm

ALICELHCb1 pixel ASIC


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•1 p-in-n silicon sensor (Canberra): 200µm thick•5 readout chips: 750µm native thickness• thinned to 150µm after bump deposition• 40960 bump bonds

• Idet @50V=120-200nA, Vfd=15VSr-Measurements :

Chip43 Chip46 Chip42 Chip32 Chip30Working pixels 99.7% 99.95% 99.98% 99.98% 100%Missing pixels 28 4 2 2 0

Chip 43 Chip 46 Chip 42 Chip 32 Chip 30

SPD detector ladder


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SPD module assembly


Rivelatori a memoria:

CCD e Drift


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Rivelatori a memoria ⇒ giunzioni rettificanti p+n su entrambe le superfici:

- e- di ionizzazione non sono rimossi e rivelati immediatamente (µstrip e pixel), ma confinati all’interno del detector e trasportativerso un elettrodo di raccolta (anodo)

- durante la deriva parallelamente alla superficie del detector,la nube di e- conserva l’informazione (memoria) relativa allaposizione di attraversamento della radiazione

⇒ trasporto della carica piccole dimensioni dell’anodo piccola capacità anodica ridotto contributo al rumore del preamplificatore

⇒ struttura degli elettrodi più complessa dei rivelatori classici

⇒ principali tipi di rivelatori a memoria: - Charge Coupled Devices (CCD)- Silicon Drift Detectors (SDD)

Rivelatori a memoria


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CCD completamente svuotati:- particella ionizzante coppie e-h h+ si muovono verso gli

elettrodi p mentre gli e- sono confinati in corrispondenza del minimodi potenziale negativo (energia potenziale)

- matrice bidimensionale fino a ≈ 106 pixel/cm2 (pixel ∼10·10µm2)

Funzionamento:- la carica di ionizzazione confinata in un pixel è spostata al successivo

mediante un potenziale variabile periodico, senza perdita di e-- la nube di e- raggiunge l’ultima cella dove è rivelata mediante un

opportuno stadio di preamplificazione

Charge Coupled Devices (CCD)


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Alcune peculiarità:- capacità della cella di raccolta molto piccola ⇒ ottimo rapporto S/N- pompaggio degli e- attraverso il rivelatore ⇒ le celle individuali

di memoria sono ripulite dagli e- prodotti per generazionetermica nel substrato e alle giunzioni

- 2D detector ⇒ informazione relative ad entrambe le coordinate spaziali, senza ambiguità accuratezza spaziale ≈10 µm

- tempi di lettura molto lunghi ≈ 10 msec ⇒ impiego limitato inesperimenti di fisica delle alte energie pile up!

- buona risoluzione energetica e spaziale ⇒ utilizzati per videocamere e in astronomia per spettroscopia di raggi X



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Readout in 2 dimensioni da un rivelatore a silicio può essereimplementato in un altro modo (E. Gatti, P. Rehak)

Rivelatore di Silicio a Deriva

Un sistema di impiantazione ad alta tensione produce un campo dideriva verso un sistema di anodi di raccolta realizzato su uno dei latidel rivelatore

Analogo alle camere a deriva a gas:

- elettroni derivano all’interno del rivelatore e sono raccolti da un elettrodo segmentato ⇒ anodi

- 2 coordinate spaziali ⇒ anodi e tempo di deriva

Silicon Drift Detectors


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Principle of sideways depletionp+ segmentation on both sides of n-type silicon sensorcomplete depletion of wafer from segmented n+ anodes located at one side of sensorelectrons drift parallel to substrate surface to n+ anodesvoltage divider network (resistors) forp-strips to provide uniform drift field

Potential energy

anode

x

z y



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Il campo elettrico dovuto alle cariche fisse non compensate, confinagli elettroni in una regione a potenziale negativo che deve soddisfarel’equazione di Poisson in due dimensioni

ove φ(x,y) è il potenziale negativo, δ(x,y) la densità di carica spazialeed εSi la costante dielettrica assoluta del silicio.

x

z y



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Per comprendere il funzionamento del SDD (in generale dei rivelatori amemoria), è necessario descrivere il campo elettrico in almeno 2dimensioni (non dipende da z) ⇒ somma di 2 termini:

- Potenziale parabolico soluzione dell’eq. di Poisson in una dimensione (coord. x)

- Termine lineare campo di deriva Ed (coord. y)

Espressione del potenziale:

εr = 11.9 per Si e z0 = z al minimo del potenziale negativo

- termine parabolico focalizzazione degli e- nel piano mediano - termine lineare deriva degli e- verso gli anodi di raccolta



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Potential energy

anode

Nella zona di deriva l’andamento mostrato è ottenuto imponendo una polarizzazionenegativa simmetrica sulle strip p+ delledue facce del rivelatore e decrescenteverso gli anodi di raccolta.

Nella zona di raccolta il potenziale impostodeflette il canale di deriva verso lasuperficie del rivelatore ove sonoimpiantati gli anodi n+.

⇒ raccolta efficiente anodi al minimo di energia potenziale



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Principio di funzionamento:e- di ionizzazione focalizzati dal campo E nel piano mediano del

rivelatore e trasportati verso gli anodi dal campo parallelo alla superficie

Tempo di deriva degli e- misurato come ritardo del segnale indotto sugli anodi dalla nube di e- di ionizzaqzione rispetto al tempo di attraversamento della radiazione incidente ⇒ tempo di deriva ∝ alla distanza tra anodi e punto di attraversamento

Anodo segmentato ⇒ rivelatore bidimensionale: coordinata perpendicolare alla direzione di drift ⇒ centroide della distribuzione dell’ampiezza dei segnali agli anodi

Repulsione coulombiana, collisioni, etc. ⇒ diffusione trasversa: distribuzione (quasi) gaussiana degli e- di ionizzazione agli anodi e solo per impatti molto vicini agli anodi la raccolta avviene su un solo anodo



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Commenti:Correnti di fuga e fluttuazioni statistiche della forma del segnale

limitano l’accuratezza spaziale ottenibile

Diffusione e repulsione elettrostatica ⇒ dispersione degli e- agli anodi è funzione del tdrift ( per un singolo e- la dispersione del punto di arrivo è pari a ≈150µm per un tdrift ≈1µm)

Ridotte dimensioni degli anodi ⇒ piccola capacità anodica (≈ 0.1 pF) praticamente indipendente dalle dimensioni del rivelatore

Integrazione di uno stadio di preamplificazione sul substrato ad alta resistività per eliminare la capacità di connessione, molto più grande della capacità anodica.

SDD consente la misura di posizione e di energia con precisione tipica dei rivelatori a silicio ma con un numero di canali di lettura ordini di grandezza minore a parità di area sensibile.



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Commenti:

per sfruttare il meccanismo di trasporto degli e- come misura di unacoordinata spaziale la densità di impurità elettricamente attive nel Si deveessere molto uniforme:

- Silicio Neutron Trasmutation Doped (NTD)- Si drogato convenzionalmente (float-zone) p-type, di resistività molto

elevata (purezza) irradiato con neutroni termici



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In sintesi:

SDD sfrutta un meccanismo di trasporto degli e- di ionizzazione analogo a quello dei CCD con un tempo di confinamento alcuni ordini di grandezza minore

Fornisce una elevata precisione spaziale con un numero ridotto di canali, ma:- lento ⇒ tdrift ≈µsec- calibrazione frequente ed accurata- stabilità della temperatura ≈0.1 °C (µ ∝ T-2.4)

Applicazioni in High Energy Physics: STAR at RHIC and ALICE at LHC



Sviluppi in corso:

MAPS, DEPFET, 3-D, …


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Monolithic silicon pixel detector (MAPS)


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DEPleted Field Effect Transistor (DEPFET)


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New detector concepts: 3D detectors


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Co-axial detector– Arrayed together

Micron scale

Pixel device– Readout each p+ column

Strip device– Connect columns together

3-D device


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Equal detectors thickness W2D>>W3D

h+

e-

-ve +veSiO2

W3D

E

Bulkh+

e-

+ve

E

p+

n

n+

- Carriers drift total thickness of material

- Carriers swept horizontally- Drift short distance between electrodes

W2D

+ve -ve-ve -ve

Advantegs: if electrodes are close- Low full depletion bias - Low collection distances- No charge spreading - Fast charge sweep out- Thickness NOT related to collection distance

Operation


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Form an array of holesFill them with poly-siliconAdd contacts– Can make pixel or strip devices

Bias up and collect charge

A 3-D device


Cenni sui danni da radiazione


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Radiation level at LHC and SLHC


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Microscopic defects

Particle dependence

Radiation Damage


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Impact of defects on detector properties


56

Radiation Damage in Silicon Sensors


57

Radiation Damage – I. Depletion Voltage


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Radiation Damage – II. Leakage Current


59

Radiation Damage – III. CCE


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R&D : Radiation tolerant tracking detectors


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New Material: Oxygen enriched silicon – DOFZ


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n-in-n vs p-in-n


Extra: wire-bonding


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Wire-bonding


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• ~1200 Wire bonds/half-stave• 25µm diameter wire• Bonding pads on the bus: 80 x 300µm2

• Step height: 40-60µm

Wire bonder: FEK Delvotec 6400

Wire-bonding of the SPD module

Fast-OR

VCC Layer 1.8 (V)GND Layer

DATA 0..15 DATA 16.. 31Reference & JTAG Control signals

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