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1
Ein Vortrag von Wencke Hansen
im Rahmen des Seminars„Hadron-Kollider-Experimente bei hohen Energien“
der RWTH Aachen, WS 06/07
Mit freundlicher Unterstützung von Lutz Feld
Strahlenschäden und Strahlenhärtevon Halbleiterdetektoren
2
Motivation
60 kGyin
10 Jahren
StrahlenresistenteEigenschaften
Möglichst lange,funktionstüchtige
Lebensdauer
Anforderungen an Detektor:
6 Gy → menschl. Überlebenschance: 1%
CMS - Endcap
3
1. HL-Detektoren
2. Strahlenschäden
3. Substratschäden
4. Oberflächenschäden
5. Ausblick
6. Zusammenfassung
Procedere
4
Halbleiter-Detektoren
Pixel
Streifen
Funktionsweise
1. HL-Detektoren2. Strahlenschäden3. Substratschäden4. Oberflächenschäden5. Ausblick6. Zusammenfassung
5
Allgemein
Einsatz in der Teilchenphysik:• Ortsmessung
Vorteile von HL-Detektoren:• hohe Dichte• hohe Ortsauflösung (<10µm)• geringe Ionisationsenergie• schnelles Signal • schnelle Signalauslesung• MIP-Signal in 300µm Si:
Signalstärke ~24000e
Vorteile von Silizium:• preisgünstig• bekannt aus Industrieforschung• fast selbsttragend
HL-Detektoren
6
• Pixellänge/breite: 50-500µm• 2D: gute Koordinatenbestimmung• Pro Pixel Ausleseelektronik → gute Auflösung• Kleine Kapazität/Rauschen, kleiner Dunkelstrom• Hoher Leistungsbedarf pro Fläche• Alternativlos in Vertexnähe
• Streifenlänge bis zu 20 cm• Streifenabstand (pitch): 20 – 200 μm• Signal/Noise > 10:1• Weniger Ausleseelektronikkanäle• 1D• 2D: Doppelseitiger Streifenzähler
Pixel oder Streifen?HL-Detektoren
7
CMSHL-Detektoren
8
7 TeV Proton 7 TeV Proton
CMSHL-Detektoren
Spurdetektor:1. Si-Pixel-Detektor2. Si-Streifen-Detektor
9
HL-Detektoren
2,3 m
5,4 m
Gesamter Spurdetektor hat über 200m² Siliziumfläche.
Inner Barrel TIBOuter Barrel TOB
Endkappe TECInner Discs TID
CMS-Spurdetektor
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Tracker - EndkappeHL-Detektoren
Durchmesser: ~2,5m
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Tracker - RadHL-Detektoren
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Tracker - PetalHL-Detektoren
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CMS - Streifendetektor
Silizium Auslese-Elektronik mit6 Auslesechips
HL-Detektoren
10cm
14
CMS - Streifendetektor
20 – 200 μm
HL-Detektoren
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pn-Übergänge
E
HL-Detektoren
p-dotierter HL n-dotierter HLVerarmungszone
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Durchlassrichtung
Sperrrichtung
Breite der Depletionszone
Externe Spannung V
Vdeple
2 r 0Neff d²
HL-Detektoren
Na … eff. Akzeptorkonzentration im p-Bereich, Nd … eff. Donatorkonzentration im n-BereichV0 … Diffusionsspannung, εr … relative Dielektrizitätε0 … Vakuums-Dielektrizität
Sperrrichtung
Durchlass-richtung
W2 r 0
eV 0 V 1
N a
1N d
Depletionsspannung
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Sperrrichtung
Dunkelstrom I(T)
Eg...Energie der Bandlückek...Boltzmann KonstanteV...Volumen
I T T² eE g
2kT V
HL-Detektoren
Dunkelstrom eines CMS-Streifendetektors(bei Raumtemperatur)
Dunkelstrom stammt von thermisch generierten Elektron/Loch-Paaren.
Dun
kels
trom
[µA]
T [°C]
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Aufbau
Einkristalliner Wafer aus leicht dotiertemReinstsilizium.
Oberflächenpassivierung
Photolithographie undÄtzen
Dotieren
Annealing
Metallisierung der Vorderseite
Strukturierung durch Photolithographie&Metallisierung der Rückseite
HL-Detektoren
Fertiger Streifendetektor mit Ausleseelektronik
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• Komplett verarmter Halbleiter (hohe Sensitivität)• Strahlung erzeugt Elektron/Loch (eh) - Paare• Ladungsträger werden von Elektronik als Signal ausgelesen
Funktionsprinzip eines Detektors
Sperrrichtung
HL-Detektoren
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AuslesechipHL-Detektoren
Verstärker
Pulsformer
Komparator
Pipeline
Datenreduktion
Ausleseregister
Steuerlogik
digital analog
128 Kanäle
• 128 Kanäle• Auslese
• ATLAS/CMS: binär / analog• Pulsformung
• ATLAS/CMS: ~25ns / 25ns–50ns• Pipeline mit
• ATLAS: 132 Zellen → ~3µs• CMS: 192 Zellen → ~4µs
• Datenreduktion• ATLAS/CMS: ja / nein
•Leistung• ATLAS/CMS: 3.0 / 2.3 [mW/Kanal]
• Strahlenharter Prozess • ATLAS/CMS: DMILL / CMOS
21
Strahlenschäden
1. HL-Detektoren2. Strahlenschäden3. Substratschäden4. Oberflächenschäden5. Ausblick6. Zusammenfassung
Strahlenbelastung
Schäden allgemein
22
Strahlenbelastung am LHC• ~1000 Teilchen / 25ns
• Strahlendosen & -flüsse:• ionisierender Energieverlust
→Dosis [Gy]• nicht-ionisierender Energieverlust
→Teilchenfluss [cm-2]
• Streifen-Detektoren nach 10 Jahren~ 60 kGy~ 1.5x1014 1-MeV-Neutronen/cm²
• Pixel-Detektoren nach 10 Jahren~ 600 kGy~ 1015 1-MeV-Neutronen/cm²
• Beschädigungsfaktoren:• Dosis / Fluss• Bestrahlungsdauer• Betriebsspannung• Betriebstemperatur• Detektordesign
• Qualifizierungstests der Komponenten mit• Protonen-, Neutronen-, Pionen-Strahlung
Strahlenschäden
Strahlenbelastung des Pixeldetektors im CMS Tracker
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Substratnicht-ionisierend
Oberflächeionisierend
Strahlenschäden• primär
• sekundär
Detektor
Elektronik
Detektor
SchädenStrahlenschäden
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Substratschäden
Defekte
Auswirkungen
Annealing
1. HL-Detektoren2. Strahlenschäden3. Substratschäden4. Oberflächenschäden5. Ausblick6. Zusammenfassung
Strahlenschäden
25
Punkt-DefekteStrahlenschäden
1 bis 2 keV
→ Fehlstellen
→ Zwischengitteratome
→ Frenkel-Defekt
PKA
26
2 bis 12 keV → Clusters• 5 nm Durchmesser• 100 Gitterversetzungen
Cluster - Defekte
Versetzungen haben neue Energieniveaus in der Bandlücke zur Folge!
Strahlenschäden
1 bis 2 keV
→ Fehlstellen
→ Zwischengitteratome
→ Frenkel-Defekt
PKA
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Non-Ionising-Energy-Loss – Hypothese:Strahlenschädigung des Gitters ~ nicht-ionisierenden Energieverlust
~ Versetzungsenergie aller Versetzungen
Schadenwirkungen durch 1 MeV Neutronen als Normierung: “Äquivalenter Fluss” Φeq
D E E0
ER,max
f E,ER P ER dER
NIEL / Äquivalenter Fluss Φeq
Schädigungs-Funktion
ν...alle möglichen Reaktionen zw. Teilchen & Gitteratomσ... Wirkungsquerschnitt der Reaktionen νf...WS für Erzeugung von PKA mit ERE...Energie des einfallenden. TeilchensER...Stoß-Energie des PKAsP...Verteilungsfunktion
Strahlenschäden
D (En=1 MeV) = 95 MeVmb
NIEL D E
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Härte Faktor κ erlaubt Vergleich von Schadenswirkungen.Vergleich mit Schaden von Fluss von 1 MeV Neutronen.
Härte Faktor
D(24GeV p) ≈ 60 MeV mb→ NIEL=1,265 keV cm²/g
D(1MeV n) ≈ 100 MeV mb→ NIEL=2,144 keV cm²/g
Strahlenschäden
eq
NIEL 24 GeV pNIEL 1 MeV n
0,63
Beispiel: Ein Fluss von 1,5 ⋅ 1014 1-MeV-n/cm² entspricht dann:
eq 1,5 1014
0,6324GeV p
cm²2,38 1014 24GeV p
cm²
29
Auswirkungen
1. Änderung der effektiven DotierungE-Niveaus nahe der Bandkante
2. Höherer DunkelstromE-Niveaus nahe der Bandmitte
3. Vermehrung von Trapping Centers
• Defekte• Verunreinigungen Neue Energieniveaus
Strahlenschäden
30
Φ
Typ-Inversion
N-Typ wird zu p-Typ : Typ Inversion
V deple
2 r 0N eff d²
Nach Typ-Inversion ist vollständige Verarmung nötig!
n-typ
p-typ
|Neff|
0
Strahlenschäden
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Beneficial AnnealingRekombination→ Positiv!
Zeit t
Annealing
• Beide Annealings nehmen mit steigender Temperatur zu• Kein Reverse Annealing für T < 0°C!
Strahlenschäden
InstabilePunktdefekte
Annealing = Das Heilen von primären Punktdefekten mit der Zeit.
Reverse AnnealingStabile Sekundäreffekte
→ Negativ!
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DunkelstromStrahlenschäden
Neue Energieniveaus→ einfacheres Überwinden
der Bandlücke→ größerer Dunkelstrom
• Der Dunkelstrom steigt linear mit Фeq an.
• Der Linearitätsfaktor ist die sog. Damage Rate α.
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Damage Rate αStrahlenschäden
eqI
Volα... Damage RateI...DunkelstromV...Volumen des Detektors
• Temperaturabhängig• Zeitabhängig
Annealing Zeit bei 60°C [min]
I T T² eE g
2kT V
34
Thermal Runaway
Fall 1: TSi>Tkrit→ System „rennt weg“, I(T) → ∞
Fall 2: TSi<Tkrit→ System rennt zu Tstabil
Abhilfe: • niedrige Betriebstemperatur • effiziente Kühlung! (-10°C)
→ starke Steigung der P(T)-Kurve
Strahlenschäden
Leistung P = Vdepl⋅I(T)Beispiel: P0 = 500V ⋅ 1mA = 0,5W
Pdet I T T Si2 e
Eg
2kT V
Tstabil
Tkrit
T Si Pdet
35
Trapping Centers
CCE ... Effizienz bei der Sammlung von Ladungsträgern
Verminderung der CCE
Ungeladene Störstellen, welche freie Ladungsträger
“einfangen” können.
Signalverminderung
Strahlenschäden
Φ24 GeV p [1014 cm²]
Ladu
ng Q
/Q0 [%
]
Charge Collection Efficiency
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Verbesserung der Strahlenhärte
Wichtige Faktoren für strahlenharte HL-Detektoren:
• Effiziente Kühlung
• Saubere Prozessführung
• Vermeidung von Feldspitzen → Sensordesign
• Möglichst kleine benötigte Spannung→ Clevere Wahl der Ausgangsdotierung und der Sensordicke
• Defect Engineering→ Reduktion der Folgeschäden
Strahlenschäden
37
Vermeidung von Feldspitzen
Field Plates
• Gleichmäßiges Teilen der Spannung • Vermeidung hoher Feldstärken • Verhinderung von Leckströmen
Strahlenschäden
p-Si p-Si
• Änderung der Form elektrischer Felder
38
AusgangsdotierungStrahlenschäden
V deple
2 r 0N eff d²
• hohe Strahlenbelastung:→ dünnerer Sensor (z.B. 300µm)
& hohe |Neff|
• niedrigere Strahlenbelastung:→ dickere Sensoren (z.B. 500 µm)
& niedrige |Neff|
Fluss Φeq [1013]
V dep
l[V
], 30
0µm
, gem
esse
n
V dep
l[V
], 40
0µm
, vor
herg
esag
t
39
Defect EngineeringEingefügte Fremdatome können große Auswirkunge auf das Verhalten des Materials unter Strahlungseinwirkung haben!
SauerstoffBei Hadronen
Magnetic Czochralski(MCZ)
→ Oxygenation→ Reduktion des Reverse Annealings
Strahlenschäden
Kohlenstoff
V dep
l[V]
, 300
µm
|Nef
f| [c
m- ³]
Protonfluss (24GeV/cm²)
Protonfluss Φeq [1014]
V dep
l[V]
, 300
µm
40
BetriebsszenarioStrahlenschäden
Stufenform aus 3 Phasen1. Betrieb2. Annealing3. Ruhephase
→ Um Reverse Annealingzu verhindern, ist es wichtig, den Detektor ständig zu kühlen! (T<0°C)
1
2 3
41
Oberflächenschäden
1. HL-Detektoren2. Strahlenschäden3. Substratschäden4. Oberflächenschäden5. Ausblick6. Zusammenfassung
MOSFET
Aufladungen
Elektronikschäden
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Oxidschichten
Oxidschäden sind hauptverantwortlich für Schäden an der Ausleseelektronik!
Oberflächenschäden
• Schutzschicht aus SiO2• Strahlung erzeugt pos. Aufladung• „Fixed Oxide Charges“
• Folgen für Detektoren:→ Höhere Zwischenstreifen - Kapazität → Geringerer Widerstand→ Höheres Rauschen,
schlechte Ortsauflösung→ Oberflächen Leckströme erhöht
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MOSFET
Metal–Oxide–Semiconductor–Field–Effect-Transistor
• Kondensator: Leiter - Isolator – Leiter• Spannungsgesteuerter Widerstand
zwischen Gate (G) und Source(S)• Reguliert Strom zwischen Drain und S!• Erhöhung der Spannung
→ n-leitender Kanal von S nach D
Folgen der Oxidaufladungen durch Bestrahlung:• Verschiebung des MOS-Arbeitspunktes• Parasitäre Ströme
Größere Aufladungen erfordern größere Spannungen!
V FB MS
Qi
Cox
1ox 0
dox
ox x x dx ρox...Ladungsträgerdichte im OxidDox...Dicke des OxidsCox...Kapazität des OxidsQi... Interface Charge
Oberflächenschäden
Flat Band Voltage VFBist die Spannung am Gate, die Oxydladungen gerade kompensiert.
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Strahlenharte Technologien
Standard CMOS-Prozess:Deep Submicron• Strukturgröße: ≤ 0,25µm• Tunneling → Neutralisierung• gute Effizienz, kostengünstig• intrinsisch strahlungstolerant!• z.B. CMS
Spezielle strahlenharte Prozesse, z.B. DMILL BiCMOS-Prozess• ≥0.8 μm Strukturgröße• bis 100 kGy• sehr speziell, wenig effizient• teuer• z.B. ATLAS
Oberflächenschäden
Flat
Ban
d V
olta
geS
hift
45
Auswirkungen von Oberflächenschäden
Elektronik
• Veränderung des Arbeitspunkts von MOS-Transistoren
• Parasitäre Ströme
→ Intrinsische Strahlenhärte von Submicron Prozessen
Detektor
1. Anstieg der Zwischenstreifen-Kapazität, weniger Widerstand
→ weniger Signal, mehr Rauschen!
2. Erhöhter Oberflächenleckstrom
Oberflächenschäden
46
Ausblick
1. HL-Detektoren2. Strahlenschäden3. Substratschäden4. Oberflächenschäden5. Ausblick6. Zusammenfassung
3D-Detektoren
Alternative Materialien
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3D-Detektoren
Planar-Detektor
3D- Detektor
Eigenschaften 3D
• Streifen „senkrecht“ zur Oberfläche • Verarmungszonendicke abhängig
nur von Elektrodenabständen• Niedrige Depletionsspannungen→ Sehr hohe Strahlenhärte!
Vorteile gegenüber Planartechnologie
• Kleinere Depletionsspannung• Kürzerer Ladungsträgerweg• Schnellere Ladungssammlung• Höhere CCE (Effizienz)
Ausblick
Nachteilgegenüber Planartechnologie
• Aufwendige Prozessierung
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Alternative: Beispiel Diamant
Si Diamant
Bandlücke Eg [eV] 1.12 2.99
Energie pro eh-Paar [eV] 3.6 6.9
LadungsträgerLebensdauer [μs] 250 0.001
Ordnungszahl Z 14 6
Vorteile • Große Bandlücke -> min. Dunkelstrom• Hohe Mobilität der Ladungsträger
→ schnelles Signal• Betriebstemperatur = Raumtemperatur• Hohe Strahlungstoleranz!
Ausblick
Nachteile gegenüber Silizium• Kleineres Signal: < ½ Siliziumsignal• Herstellung von großflächigen Wafern schwierig!• Teuer!
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1. HL-Detektoren2. Strahlenschäden3. Substratschäden4. Oberflächenschäden5. Outlook6. Zusammenfassung
Zusammenfassung
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Zusammenfassung• HL-Detektoren
• Sensor & Ausleseelektronik: Substrat (Bulk), Oberfläche• Hohe Luminosität → Strahlenschäden!
• Substratschäden• Zusätzliche Energieniveaus• Änderung der effektiven Dotierung → Typ-Inversion• Mehr Dunkelstrom → Risiko: Thermal Runaway• Erzeugung von Trapping Centers → Minderung des Signals
• Oberflächenschäden• Positive Aufladungen, Bildung der Akkumulationsschicht • Elektronikschäden
• Verbesserung der Strahlenhärte• Defect Engineering → Oxigenation• Field Plates, Guard Rings• Kühlung• Deep Sub Micron – Technologie
• Ausblick• 3D-Detektoren• Diamant