16/04/15matthias bergholz desy zeuthen 1 untersuchung von strahlenharten...
Post on 06-Apr-2016
219 Views
Preview:
TRANSCRIPT
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
1
Untersuchung von strahlenharten Multigeometrie-Pixelsensoren
für den zukünftigen CMS Spurdetektor im Rahmen
der HPK-Kampagne
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
2
Kurzeinleitung
• Für den CMS-Spurdetektor „HPK*-Kampagne“• Untersuchung verschiedener Substrate
(Float Zone, Magnetic Czochralski und Epitaktisches Silizium); • verschiedener Dicken (320, 200, 120, 100, 50m) • und verschiedener Prozess- und Isolationstechnologien
(p-in-n (N), n-in-p pstop (P), n-in-p pspray (Y)) • produziert von einem Hersteller!!!
– Im Folgenden werden aus dieser Kampagne Messergebnisse für Multigeometry-Pixel (MPIX)-Sensoren vorgestellt
– Namensschema: Material + Dicke + Technologie *Hamamatsu Photonics KK
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
3
12 11 10 9 8 7 6 5 4 123
12 1
Pixel 32…1
8
Line
1
N S
E
W
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
4
Multipixel -2
Bias Ring
Guard Ring
Pixel
PolysiliziumWiderstand
Punch throughTransistor
Isolation
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
5
Besonderheiten• Teststrukturen für Sensoren des innersten Bereich des
zukünftigen Spurdetektors – Hohe Granularität
• Einzige Teststruktur innerhalb der Kampagne mit Punch-through-Transistor– Besonderes Augenmerk bei der Auswertung auf den Vergleich der
beiden Bias-Methoden
• „PT-Modul“
=1 =2
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
6
Messungen
• C/V und I/V Kurve des Biasrings• Pixelstrom und -kapazität• Zwischenpixelkapazität und
-widerstand• Biaswiderstand
• Gemessen wurden bisher 19 FZ, 8 Mcz und 8 Epi Sensoren von allen verfügbaren Dicken und Technologien
• Gute Kenntnis der Eigenschaften der unbestrahlten Sensoren! Diese ist nötig um sie später mit den Ergebnissen von Messungen an bestrahlten Sensoren zu vergleichen zu können. -> Strahlungshärte
C/V Kurve des Biasrings
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
7
0 100 200 300 40020.0p
30.0p
40.0p
50.0p
60.0p
PT
PS
even numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m
C/V Bias Ring -E100N-03-Mpix-2 7-120
8-120 9-100 10-100 11-80 12-80
Cap
acita
nce
[F]
Voltage [V]
0 -100 -200 -300 -400 -5000
1e21
2e21
1/C
2 [1/F
2 ]
Voltage [V]
261V
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120
100
200
300Verarmungsspannung
FZ320Y-06-Mpix1 FZ320P-02-Mpix2 FZ200Y-03-Mpix1 FZ200Y-03-Mpix2 FZ200P-03-Mpix1
Volta
ge [V
]
Region number
Verarmungsspannung = Minimale Betriebsspannung
C/V Kurve des Biasrings
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120.0
20.0p
40.0p
60.0p Short Pixel
Average of all FZ - 120m Average of all FZ - 200m Average of all FZ - 320m Average of all MCz - 200m
Cap
acita
nce
[F]
Region
Ctotal
@ 450V
Long Pixel
x2
I/V Kurve des Biasrings
0 -100 -200 -300 -400 -500 -600 -700 -800 -900 -10000.0
-5.0n
-10.0n
-15.0n
even numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m
I/V Bias Ring -FZ320Y-06-Mpix-1
Cur
rent
[A]
12-80
Voltage [V]
- DurchbruchsspannungTypische Werte: FZ320 > 1000VFZ200, M200 > 700VFZ120 > 500V E100 > 500VE50 > 350V
0 100 200 300 400 500 600 7000.0
2.0n
4.0n
6.0n
even numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m
I/V Bias Ring -FZ320P-07-Mpix-1
Cur
rent
[A]
7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80
Voltage [V]
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
9
Durchbruchsspannung= Maximale Betriebsspannung
Zwischenpixelkapazität
Rauschen•CPT > CPS
•C120m < C100m < C80m
•Clang ~ 2*Ckurz
0 100 200 300 4000.0
50.0f
even numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m
7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80
Cint
- M200N-05-Mpix-2
Cap
acita
nce
[F]
Voltage [V]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120.0
50.0f
100.0f
150.0f
Short Pixel
80100
even numbers = poly silicon biased odd numbers = punch through biased
Average of all sensors
M200N M200N-05-Mpix-2 M200N-09-Mpix-1 M200N-10-Mpix-1 M200N-11-Mpix-2
M200P M200P-03-Mpix-1 M200P-04-Mpix-1 M200P-07-Mpix-2
M200Y M200Y-02-Mpix-2 M200Y-05-Mpix-1
Inte
r-pi
xel C
apac
itanc
e [F
]
Region number
Cint
@ 450V
120
Long Pixel
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
10
• Keine Abhängigkeit von der Technologie !!!
Zwischenpixelwiderstand
M
-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50
5p
10p
15p
20p
25p
>100Teven numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m
7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80
Voltage [V]
Rint
- E50N-07-Mpix-2
Cur
rent
[A]
>1T
Vbias
=300V
0.0 50.0T 100.0T 150.0T 200.0T 250.0T0
1
2
3
4
5
6
PT
Min : 5.46E12Max : 1.29E15
#
Resistance [Ohm]
Zwischenpixelwiderstand
PS
Epi
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
11
Pixelisolation• Rint(PT) > Rint(PS)• >1T für Epi• >1G für M
Pixelkapazität
0 100 200 300300.0f
350.0f
400.0f
450.0f
500.0f
550.0f
600.0f
even numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m
7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80
CPixel
E50N-07-Mpix-2
Cap
acita
nce
[F]
Voltage [V]
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
12
Rauschen / Elektronik•CPT > CPS
•Abstand: C120m>C100m>C80m
•Dicke : C320m<C200m<C120m
7 8 9 10 11 12250.0f
300.0f
350.0f
400.0f
450.0f
500.0f
550.0f E100N E100P E100Y E50N E50P E50Y
Cap
acita
nce
[F]
Region Number
Pixelkapazität120um
N~Y<P
Pixel Strom
0 100 200 300 400 500 600 7000
5p
10p
15peven numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m
7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80
IPixel
FZ320Y-04-Mpix-2
Cur
rent
[A]
Voltage [V]
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
13
7 8 9 10 11 124.0p
5.0p
6.0p
7.0p
8.0p
9.0p
10.0p IPixel
Durchschnitt ueber alle Sensoren
FZ320N FZ320P FZ320Y
Cur
rent
[A]
Region
Leckstrom – “Blindleistung” • IPT > IPS
• I120m > I100m > I80m
• Technologien zeigen gleiches Verhalten
Rbias
-2 -1 0 1 2-1µ
-500n
0
500n
1µ
Polysilicon 2-120 4-100 6-80 8-120 10-100 12-80
RBias
- E50Y-01-Mpix-1
Cur
rent
[A]
Voltage [V]
1E-11 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6
106
107
108
109
Punch through "Widerstand"
Diff
eren
tial R
esis
tanc
e [O
hm]
Current [A]2 4 6 8 10 120
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 M200N (4 sensors) M200P (3 sensors) M200Y (2 sensors) FZ200N (2 sensors) FZ200P (2 sensors) FZ200Y (3 sensors)
Res
ista
nce
[M]
Region number
Poly silicon bias resistor Rbias dIdUdR
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
14
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
15
Zusammenfassung
• Alle untersuchten Mpix-Sensoren liegen im Rahmen der Spezifikationen
• Deutliche Unterschiede der elektrischen Eigenschaften für die verschiedenen Bias-Methoden
• Der Einfluss der Produktionstechnologie konnte z.B. für die Pixelkapazität untersucht werden
Ausblick
• Mpix Sensoren werden derzeitig mit Protonen und Neutronen bestrahlt und werden anschließend erneut gemessen
• Parallel zu den elektrischen Messungen sind Teststrahlmessungen vorgenommen worden und werden derzeitig ausgewertet
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
16
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
17
Anhang
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
18
24/10/11 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
19
1. HPK# Campaign (1)• The goal is to find the best material and geometry choice for the
upgrade of the CMS (silicon) tracker • To achieve this goal one wafer layout was designed and produced with
different substrates, thicknesses and different production technologies but with same production process from one manufacturer! (Hamamatsu)
* Physical thickness is 320m, active thickness is reduced by a “Deep Diffusion” process#
technology / material FZ-320m
FZ-200m
FZ-200m*
FZ-120m
FZ-120m*
MCz-200m
Epi-100m
Epi-50m
P-in-N 6 6 6 6 6 6 6 6
N-in-P pstop 6 6 6 6 6 6 6 6
N-in-P pspray 6 4 6 4 6 6 6 6
2'nd metal P-in-N 6
2'nd metal N-in-P pstop 6
2'nd metal N-in-P pspray 6
FZ – Floating Zone siliconMCz – Magnetic Czochralski siliconEpi – EPItaxial silicon
In total 158 wafers have to be qualified, irradiated and re-qualified.
1. HPK Campaign (3)
24/10/11 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
20
N-irradiation (Ljubljana)
P-irradiation (KIT)P-irradiation (KIT)
N-irradiation (Ljubljana)
Radius [cm]
Protons [1014 neq/cm2]
Neutons [1014 neq/cm2]
Sum [1014neq/cm2]
RatioP/N
5 130 10 140 13
10 30 7 37 4.3
15 15 6 21 2.5
20 10 5 15 2
40 3 4 7 0.75
Corresponding to simulated fluences• Single and mixed particle irradiation for 5 radii• Electrical measurements after each irradiation• Several beam tests • Annealing studies after irradiation
Expected fluences at 3000fb-1 for CMS
26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen
21
Biasing and isolation technics
22
top related