Super ＬＨＣための高放射線耐性ＳＣＴセンサーの開発

秦野 博光原 和彦 , 目黒 立真 , 三井 真吾 , 望月 亜衣　 ( 筑波大 ) 　

池上 陽一 , 海野 義信 , 高力 孝 , 寺田 進　 (KEK)他アトラスＳＣＴグループ

12008 第 63回　日本物理学会

LHC （ Large Hadron Collider ）実験 •　陽子 - 陽子衝突型加速器

•　 2008 年・ 8 月の実験開始に向け、現在急ピッチで調整中

•　重心系エネルギー 14TeV

•　ルミノシティ 1034 cm-2s-1

Higgs 粒子の探索や新しい物理の発見

実験の目的

2016 年頃を目処に、ルミノシティをさらに 10 倍にするSuperLHC 計画が検討されている

ATLAS の内部飛跡検出器をすべてシリコン検出器にする現行の SCT シリコン検出器は、放射線耐性を上げたものと交換 22008 第 63回　日本物理学会

高放射線耐性 p 型ウェハーセンサーの開発

現 SCT （バルク型変換前）

P+

N-bulk

SiO2

N+

空乏層

シリコン検出器の放射線損傷

型変換後は、全空乏化する必要がある。

型反転せず、常にストリップ面から空乏化する。耐圧を超えたら、部分空乏状態で作動させる

現 SCT (p+-on-n) 放射線耐性　 ~ 2 x 1014 (1MeV-neq/cm2)

ＬＨＣの１０年分で、システム耐圧に達する。

P+

P-bulk

SiO2

N+

現 SCT （バルク型変換後）

空乏層

現行　 N-bulk

sLHC P-bulk

3

N+-on-P センサー

N+

P-bulk

SiO2

P+

空乏層

2008 第 63回　日本物理学会

放射線を受けると

Ｐ型シリコン検出器の開発

P 型センサーの問題点：　（１）電子層がシリコン表面に蓄積しやすく電極

分離劣化　 ( 電極分離構造 P-STOP や P-SPRAY が必要？ )

　（２）高純度、少欠陥の P 型シリコンが入手できなかった

　→ Magnetic Czochralski による高純度ウェハー（ＭＣＺ）

　　 高純度 6”Float Zone ウェハー（ＦＺｐ）

42008 第 63回　日本物理学会

前述の理由により、 N 型センサーは使えない

酸化膜 SiO2 にプラスの電荷がたまり、Ｐバルク部表面に電子が引き寄せられ、ストリップ間が電気的に繋がってしまうのを防ぐ。

Ｐ型シリコン検出器テストサンプル

高放射線耐性 p 型ウェハーセンサーの開発のために、以下のようなテストサンプル（１ｃｍ２）を用意し、東北大学の CYRIC で陽子線（照射量１、２、５、１０、２０ｘ 10 １

４ １ MeV neq/cm2 ）を照射し実験を行った

52008 第 63回　日本物理学会

一昨年作られたサンプル（シリコンウェハーサイズ４インチでつくられたもの）４“ＦＺ、４”ＭＣＺ去年作られたサンプル（６インチでつくられた）６“ＦＺｐ、６”ＦＺ、６“ＭＣＺがある。

センサー特性の測定I-V測定：マイクロ放電の発生（評価済み）Isolation ：ストリップ間が電気的に分離しているか評価（評価済み）C-V測定：全空乏化電圧の評価（評価済み←要複数項目チェック）CCE測定：全空乏化電圧、収集電荷量の評価

62008 第 63回　日本物理学会

マイクロ放電電場が局所的に強くなると発生する現象。高電場によって電子雪崩が発生し急激に電流が増大する。P-STOP のような構造が加わると発生しやすい。

今までの放射線試験で分かったことｓ LHC での放射線量２ｘ 1015/cm2 に対し以下の要求がある　マイクロ放電の発生電圧は 500V を下回らないこと　　　 1cm2 のサンプルでは達成 　 Isolation 達成電圧は 500V （運転電圧）よりも低いこと　　　すべてのサンプルで 100V 以下を達成　全空乏化電圧は 500Ｖを大きく越えないこと 　　　 C-V測定により、 6” FZ では ~500Ｖとなったが、 6” MCZ は~1kV　　　 CCE測定による追試　　アニーリング効果　　　　 　 ＬＨＣ、 n バルクでは分かっている　　　 p バルクでの測定が必要今回の発表では・レーザーを用いたＣＣＥ測定（全空乏化電圧の評価）・アニーリング効果（ｎバルクセンサーとの違いはあるか）

72008 第 63回　日本物理学会

laser head

XY-stage

amps

collimators

focusing lensGamp=5mV/fC

レーザーによる収集電荷の測定（ＣＣＥ測定）

パルス Nd:YAG(1064nm) は Si の内部まで侵入するので、通過する粒子に対する応答に近い信号を得られる。図は 1～ 10 ｘ 1015 照射後の応答（ Vb=1kV) 82008 第 63回　日本物理学会

CCE測定、全空乏化電圧CCE測定 (レーザーによる収集電荷 )

(NA= アクセプタ密度　 ND=ドナー密度　 ε= シリコン誘電率　 V=逆バイアス電圧　 e=素電荷　 d=空乏層の厚さ )

収集電荷は空乏層の厚さに比例。収集電荷の 2乗はバイアス電圧に比例し、全空乏化後は一定になる。

最小値

中心値

最大値

全空乏化電圧の線量依存性CCE測定による評価

6”FZ サンプルは、 CCE測定でも～ 500V で全空乏化を達成6”MCZ サンプルは、 C-V測定の結果と違うため追調査する 102008 第 63回　日本物理学会

アニーリングによる全空乏化電圧、不純物密度の変化

• FZ ･MCZ共に約 100 分以降、逆アニーリング効果が見られた• n 型ウエハーに似たアニーリング・逆アニーリング効果を示す• MCZ測定で C-V測定と CCE測定に大きな違いがみられるが、

n バルクで知られている結果と比較すると、絶対値こそ違うが、 C-V測定の方が信頼できるデータのように見える→ β 線で追調査

CCE測定

112008 第 63回　日本物理学会

C-V測定

2×1014 1-MeV neq/cm2 を照射した 6” FZp 、 FZ 、 MCZ サンプルを 60℃に温めて 20000 分までの全空乏化電圧の変化を CCE 、 C-V測定で評価した。

まとめｓ LHC に使用できる高耐放射線性 p 型センサーを開発している

• 6” ＦＺの全空乏化電圧は 500V を超えない。• 電極分離も、～ 100V で達成できる。　これらの結果、ｓ LHC 用センサー設計の目処がついたが、　　　実機サイズのセンサーに対するマイクロ放電発生が　　　最適な電極分離構造やウェハーの決定に重要。

• MCZ のレーザーと LCRメータでの全空乏化電圧の違いは、

電子ビームや β 線による評価を計画している。

• p 型ウエハーも n 型ウエハーに似たアニーリング・逆アニーリング効果を示す事が分かった。

ＢＡＣＫ　ＵＰ

132008 第 63回　日本物理学会

基本情報

142008 第 63回　日本物理学会

電荷収集曲線

152008 第 63回　日本物理学会

マイクロストリップ型シリコン検出器

微細に加工した電極により、荷電粒子の位置を精密に測定する

•　　 O(10m) の分解能が得られる•　　高速 (数 ns)応答性•　　コンパクト

6ｃｍ768ｃｈ

SCT=SemiConductor Tracker

162008 第 63回　日本物理学会

ＣＹＲＩＣでの陽子照射

３２コースでの BEAM Profile

サンプルボックスをスキャン

サンプルボックス

サンプル

アルミ板で Profile

172008 第 63回　日本物理学会

C-V測定・ CCE測定

1/C2 はバイアス電圧に比例し、全空乏化後は一定になる。

C-V測定 ( バルク電気容量－バイアス )

CCE測定 (レーザーによる収集電荷 )

(NA= アクセプタ密度　 ND=ドナー密度　 ε= シリコン誘電率　 V=逆バイアス電圧　 e=素電荷　 d=空乏層の厚さ )

収集電荷は空乏層の厚さに比例。収集電荷の 2乗はバイアス電圧に比例し、全空乏化後は一定になる。

最小値

中心値

最大値

最小値

中心値

最大値

電荷収集効率

300<Vb<500

放射線照射前と照射後の収集電荷量の比を Bias300V～ 500V の間で平均した。

•FZ_pure は照射直後に収集電荷量が増えたが、一時的に格子欠陥が増えレーザーの透過割合が減少したためと考えられる。

192008 第 63回　日本物理学会

全空乏化電圧の線量依存性CCE測定による評価

目盛や文字を大きくグラフの背景色は白線で結ぶことは CCE の同様の扱いFZ1/2 は FZp/FZ に統一して

CV測定による評価

6” の MCZ 以外は CCE と C-V は似た傾向を示す（違いについては現在調査中）

Ｃ -Ｖ測定による評価

FZ サンプルは、 CCE測定でも 500V 以下で全空乏化を達成 202008 第 63回　日本物理学会

ウェハー製造法

Floating Zone (FZ) 単結晶成長法

Magnetic Czochralski (MCZ)単結晶成長法

•比抵抗 4－ 8 k ・ cm•低不純物濃度

•比抵抗 ~1 k ・ cm•酸素濃度豊富 ( 放射線耐性を向上させる効果がある )

ウェハー製造法：２タイプ

テストしたウェハーの種類（ FZｐは欠陥密度が少ない）：比抵抗（ kcm ）

212008 第 63回　日本物理学会

Ｐ型シリコン検出器の開発

P 型センサーの問題点：　（１）電子層がシリコン表面に蓄積しやすく電極分離劣化　 ( 電極分離構造 P-STOP や P-SPRAY が必要？ )

　（２）高純度、少欠陥の P 型シリコンが入手できなかった　→ Magnetic Czochralski による高純度ウェハー　　 高純度 6”Float Zone ウェハー

テストしたウェハーの種類（ FZｐは欠陥密度が少ない）：結晶方位と比抵抗（ kcm ）

P-STOP と P-SPRAY のイオン密度 (/cm2). P-SPRAY のみのサンプルは Z1

222008 第 63回　日本物理学会

前述の理由により、 N 型センサーは使えない

アニーリング・逆アニーリング効果開発中の p 型センサー用ウエハーに対してアニーリング・逆アニーリング特性

の変化を研究した。 ( 特に逆アニ－リング特性は検出器の性能を劣化させないための温度条件に対する情報を与える。 )サンプル： 2×1014 1-MeV neq/cm2 　　　　　　 FZp 、 FZ 、 MCZ の 3種類。測定： 60℃に温めて 20000 分まで行った。　　　　レーザーによる収集電荷測定 (CCE)(～ 0 )℃

アニーリング : 放射線によって生じた格子欠陥が熱的な攪拌を受けて次第にある程度整列してくために有効不純物密度が減少する

逆アニーリング : 欠陥格子が電気的に中性になることで周囲の格子と相互作用して新たな電気的に有効な格子欠陥を形成していく 232008 第 63回　日本物理学会 (By the RD48 collaboration)

アニーリングによる全空乏化電圧、不純物密度の変化

• FZ ･MCZ共に約 100 分以降、逆アニーリング効果が見られた• n 型ウエハーに似たアニーリング・逆アニーリング効果を示す

CCE測定

全空乏化電圧は不純物密度に比例する。

(Vfd= 全空乏化電圧　 Neff=不純物密度　 εsi= シリコン誘電率　 e=素電荷　 d= バルクの厚さ )

242008 第 63回　日本物理学会

C-V測定

全空乏化電圧と不純物密度の変化

CCE測定　

FZPFZMCZ

252008 第 63回　日本物理学会

FZpの周波数による全空乏化電圧の変化

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25fluence　× E14/ cm̂ 2

full　depletion　voltage(V)

- 400-700-1k-2k-5k-10k

－ 20℃ 　 FZp － 20℃　ＭＣＺ

各サンプルで、周波数を変えて測定を行ったが、レーザー測定の結果と一致することはなかった（通常は１ kHz で測定）。

暗電流の影響を考え、－ 30℃での測定をしたが、これについても同様だった。 － 30℃　ＭＣＺ

6”MCZ には特有の問題がある

全空乏化電圧の周波数依存性

262008 第 63回　日本物理学会

CDL301-

0

5E+20

1E+21

2E+21

2E+21

3E+21

3E+21

4E+21

4E+21

0 200 400 600 800 1000

CDL302-

0

5E+20

1E+21

2E+21

2E+21

3E+21

3E+21

4E+21

4E+21

0 200 400 600 800 1000

CDL305-

0

5E+20

1E+21

2E+21

2E+21

3E+21

3E+21

4E+21

4E+21

0 200 400 600 800 1000

CDL3010-

0

5E+20

1E+21

2E+21

2E+21

3E+21

3E+21

4E+21

4E+21

0 200 400 600 800 1000

272008 第 63回　日本物理学会