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SLHC実験に用いる
高放射線耐性P型シリコン
マイクロストリップセンサーの開発
筑波大学
高橋優
金信弘, 原和彦, 濱崎奈都美,三井真吾,山田美帆(筑波大)
池上陽一, 海野義信, 高力孝,寺田進(KEK)
高嶋隆一(京都教育大), 花垣和則(阪大), 中野逸夫(岡山大)
他アトラスSCTグループ
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2010春季大会物理学会
Super LHCでのシリコン検出器
sLHC実験
LHCのアップグレード計画（2018年頃）
瞬間最高ルミノシティ 1×1035cm-2s-1 （LHCの10倍）
・ＬＨＣ加速器の検出器の一つである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、より放射線耐性が優れたものと交換
SCT領域では最大1×1015 1‐MeV neq/cm2の放射線量が見込まれる
荷電粒子：中性子～1:1（衝突点近く）～1:5 （R~1 m）
本研究の目的
★放射線耐性のあるセンサーを設計する
★１ｃｍ２のテストセンサーを陽子や中性子照射して耐性を測定する
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2010春季大会物理学会
シリコン検出器の放射線損傷
p+-on-nセンサー
現SCT
p+
空乏層
n+
N+
p
SiO2
P+
n-bulk
+
照射により
p型に変換
SiO2
p-bulk
n+
空乏層
信号を分離して読むには全空乏化する必要あり！全空乏化
電圧がSCTの耐圧(５００V)を超えるとp＋-on-nは使えない
現SCT
放射線量2×1014 1-MeV neq/cm2 (LHC10年分) で
全空乏化電圧はＳＣＴの最高運転電圧の500Vに達する
放射線量が１桁上がるsLHCでは同様の設計のものは使用できない
sLHC
n+-on-pセンサー
n+
空乏層
p+
p-bulk
2010春季大会物理学会
型反転しないので、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。
信号量は減少するが、ストリップ長を短く
する（現行12cm→ 2.4cm）のでアンプの
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ノイズも低減できる。
p型シリコン検出器の開発
p型センサーの問題点：酸化膜SiO2にホールが蓄積され、可動性の電子層が
Si 界面に蓄積しやすい⇒電極間の信号分離が劣化
p-stopやp-spray
電子の移動を遮断し、ストリップ間が電気的につながるのを防ぐ
解決策
p-spray
ホール
N+
p-stop
N+
N+
p-bulk
N+
p-bulk
N+
p-bulk
N+
評価項目（陽子、中性子照射に対して）
上述の理由からp型バルクは今までシリコン検出器に用いられていなかった
• Ｐ型バルクがＮ型と同等の性能（暗電流の増加など）を示すか
• バルク容量(C-V), 電荷収集量(CC-V) ：
収集電荷量が十分か、
全空乏化電圧がどの程度変化するかの評価
• ストリップ間抵抗(Rint) ：ストリップ間が電気的に分離しているかの評価
• パンチスルー（PTP) ：大電流発生時に絶縁膜保護が機能するかの評価4
2010春季大会物理学会
照射用サンプル
電極分離構造
ZONE1: P-stopなし
ZONE2:
p-stop
N+
74.5μm
p-stop : 不純物濃度
4 × 1012 /cm2
10 × 1012 /cm2
20 × 1012 /cm2
N+
p-bulk
p-stop
ZONE3:
p-spray : 不純物濃度
N+
N+
電極分離構造濃度
2×1012 /cm2
p-bulk
ZONE4：P-stopはZONE3と同じ
PTPの構造(A,B,C,D)が入る
ZONE6：P-stopはZONE3と同じ
ストリップピッチが100μm
P-stop & P-spray :
不純物濃度 (2+8)×1012 /cm2
適正な電極分離構造と濃度を探る
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陽子線・中性子照射
陽子線照射と中性子照射による損傷の違いを探る
ために2つの照射において照射線量を近くした
陽子線照射
2009年6月＠東北大学CYRIC
放射線量：(0.14, 1.2, 60, 120) x10１３ 1-MeV neq/cm2
中性子照射
2009年8月＠スロベニアのLjubljana原子炉
放射線量：(0.1, 1.０, 50, 100) x10１３ 1-MeV neq/cm2
以降、放射線量は、すべて1MeVのneutron換算値を用いる
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C-V, Rint-V測定
バイアス抵抗（約1.5MΩ）
C-V
Rint
C-V:静電容量をLCRメータで測定
Rint:ストリップにテスト電圧を0V, ±0.5V , ±1V かけて両側の
ストリップに発生する電流を測定
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2010春季大会物理学会
β線による収集電荷量（ｃｃ）測定
読み出しは6本。両端2本をまとめ、4chの電荷量をADC
で測定した。1 fC≒186 ADC counts
トリガーは、約20 Hz
ピーキングタイムは20ns (SCTとほぼ同じ)
Srβ線(最大2.3 MeV)は、最小電離粒子
(MIP)相当であり、320 μmのシリコンセン
サーでは3.2 fC程度の信号となる。
ch2
ch3
ゲート
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全空乏化電圧の評価
CC-V測定
Charge2 [fC2]
C-V測定
Full Depletion Voltage
Vbias [V]
収集電荷量は空乏層の厚さdに比例する。
(NA=アクセプタ密度 ND=ドナー密度
ε=シリコン誘電率 V=バイアス電圧
e=素電荷 S=表面積)
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全空乏化電圧
全空乏化電圧の変化は
中性子照射による方が
大きい
500Vの電圧では、部分
空乏化で運転する可能
性が高い
1.0×1015 1-MeV neq/cm2 程度で…
C-V測定
CC-V測定
陽子：732±78V（サンプル数：８２個）
陽子： 721±13 V（サンプル数：８２個）
中性子：1140±72V（サンプル数：３９個）中性子：1000V以上（サンプル数：３９個）
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2010春季大会物理学会
ストリップ間抵抗（Rint）＠300V
陽子
中性子
陽子照射の方が中性子照射よりもストリップ間抵抗の減少が大きい（酸化膜への電
荷蓄積が大きい）が、バイアス抵抗（1.5MΩ程度）より十分大きくストリップ間分離は
達成されている。p-stop構造による大きな違いは見られない。
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2010春季大会物理学会
Punch Through Protection（PTP）
＝ビームロスなどで過大電流が発生しインプラント電圧が大きく変動した場合に
PTにより、バイアスリングに電流を逃す機構で絶縁膜の破壊を防ぐ。
絶縁膜の耐圧である-100V以下での達成が求められる
測定
Vtestを100Vから-100Vまで変化させ、
DCパッド-バイアスリング間の抵抗値を測定
PT達成電圧の定義
中心値：50%Rbias
幅：10%Rbias～90%Rbias
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2010春季大会物理学会
PTP測定
5×1014 1-MeV neq/cm2
1×1015 1-MeV neq/cm2
中性子
陽子
陽子
中性子
1. PTPの中心値は、陽子、中性子照射によらず、電極
分離濃度に依存する。
2. 中性子照射したサンプルは10% Rbiasに達しやすい
(蓄積電荷が少ないため)
3. 構造Aタイプ(右図)のものが10% Rbiasに達しやすい
バイアス抵抗がstrip-island間のp-stop電位を抑え込んでいるため
2010春季大会物理学会
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まとめ
1cm×1cmのサンプルに1×1015 1-MeV neq/cm2 までの中性子と
陽子線を照射しp型シリコンマイクロストリップセンサーの耐性を評価した。
全空乏化電圧：CC-V測定とC-V測定の結果はほぼ一致した。
全空乏化電圧の増加は中性子照射による方が大きい。
ストリップ間抵抗（Rint）：照射によりストリップ間抵抗は減少するが十分高く
ストリップ間分離は達成される。中性子照射による減少は少ない。
PTP：中性子照射したサンプルは10％Rbiasに達しやすい。
目標とする100Vより十分小さな電圧でPTが達成できる。
電荷収集効率（詳細は割愛）：照射量1×1015 n/cm2において、
バイアス500V 陽子照射：0.57±0.01 中性子照射：0.42±0.03
電荷収集効率が>0.3以上なので、S/N>10が達成できる
表面損傷（Rint, PTP)は中性子の影響は小さいが、バルク部損傷（電荷収集効
率、全空乏化電圧）はやや大きいことが分かった。
いずれにしても、p型センサーはsLHCに使用できる。
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2010春季大会物理学会
Back up
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2010春季大会物理学会
SCT
(Semiconductor Tracker)
•
•
•
O(10mm)の分解能が得られる
高速(数ns)応答性
コンパクト
2010春季大会物理学会
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シリコンマイクロストリップ型検出器の動作原理
P型
1 ： pn接合に逆バイアスをかけ、空乏層（キャリアのない領域）を広げる
2 ：空乏層に電荷をもった粒子が入った際に、電子と正孔のペアが生成される
3 ：電場によってキャリアが読み出しストリップ側へと移動する
誘起された電荷はアンプで読みだされる
4 ：アンプの信号から電極のピッチ（80mm）に対応した、位置情報がえられる
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LHCで期待される照射量
中性子
荷電粒子
衝突点から離れた所では中性子の寄与が大きい18
2010春季大会物理学会
I – V測定
ＭＤ
マイクロ放電（MD）局所的な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, p-sprayのような構造が入ると起こりやすい。
高放射量でMDは見られなかった
低照射量での電流の増加はMDではなく表面電流によるものと考えられる
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損傷係数の評価
 E  1 1 
I (T2 )  T2 
   exp   
I (T1 )  T1 
 2k  T2 T1 
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I [ A @ 20o C]  [ A / cm][/ cm2 ] V [cm3 ] α＝3.99±0.03 A/cm
2010春季大会物理学会
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C – V測定
中性子照射の照射による変化の割合の
方が陽子線照射によるものより大きい
(NA=アクセプタ密度 ND=ドナー密度
ε=シリコン誘電率
V=バイアス電圧 e=素電荷 S=表面積)
1.0×1015 1-MeV neq/cm2 程度で…
陽子：732±78V（サンプル数：８２個）
中性子：1140±72V（サンプル数：３９個）
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Rint(150V)
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2010春季大会物理学会
Rint(300V)
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2010春季大会物理学会
β線による収集電荷量測定
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2010春季大会物理学会
電荷収集効率
β線を入射し、ADCで収集される電荷量を測定
Charge Collection Efficiency @800V
1.2
1.2
1
1
0.8
0.8
CCE
CCE
Charge Collection Efficiency @500V
0.6
0.4
0.4
陽子照射
中性子照射
0.2
0.6
陽子照射
中性子照射
0.2
0
0
0.1
1
10
100
Fluence [×10^13 n/cm^2]
1000
0.1
1
10
100
Fluence [×1013 n/cm2]
1000
1×1015 n/cmにおいて、
バイアス500V 陽子照射：0.57±0.01 中性子照射：0.42±0.03
バイアス800V 陽子照射：0.67±0.01 中性子照射：0.64±0.02
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エレクトロニクスのノイズによりS/N>10には、電荷収集効率が0.3以上あれば
2010春季大会物理学会
よい
PTP構造
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