ATLAS 実験次期計画のための高放射線耐性シリコン検出器の開発

ATLAS実験次期計画のための高放射線耐性シリコン検出器の開発ATLAS実験次期計画のための高放射線耐性シリコン検出器の開発筑波大学　秦野博光　目黒立真 2007/8/21

MONT BLANC Lac Léman Geneva Air Port LHCb CMS ATLAS 約8.5km ALICE LHC加速器・ATLAS実験とは LHC（Large Hadron Collider）・スイス・ジュネーブ郊外にある陽子-陽子を衝突させる加速器・2008年・春の実験開始に向け、現在急ピッチで建設中・重心系エネルギー 14TeV ⇒ ×

実験目的 ・Higgs粒子の探索・超対称性粒子の発見・余剰次元の検証・ＢハドロンによるＣＰ対象性破れの測定・トップクォークの物理・ＱＣＤの検証　ｅｔｃ初めてのＴｅＶ領域実験として新しい物理の発見が期待される。

42m LAr HEC LAr EM Tile HD LAr HEC 23m ミューオン検出器 ATLAS 検出器・飛跡検出器　・Pixelシリコンピクセル検出器　・SCTシリコンマイクロストリップ検出器　・TRT遷移輻射ストローチューブチェンバー・カロリーメータ　・LAr EM液体アルゴンカロリーメータ（Pb）　・Tile HDシンチレータタイルカロリーメータ　・ LAr HECハドロンエンドキャップ（Cu）　・LAr FCal前方カロリーメータ（Pb）・ミューオン検出器　・MDTドリフトチューブチェンバー　・TGC, RPC, CSCトリガー用チェンバー

SCT検出器 荷電粒子の運動量測定，Ｂメソンや τレプトンの崩壊点測定に貢献する．そのために高い位置分解能が要求される位置分解能はＹ方向:16 μm Ｘ方向:580μm ＹＸ

ＬＨＣの次期計画 35 -2 -1 ルミノシティをＬＨＣの１０倍　→　１０ cm s にする計画更に第２段階としてビームエネルギーを１２．５ＴｅＶに上げる計画も検討されている。２０１６年ごろ？ルミノシティを上げたことによる影響：（１）陽子衝突当たりのイベント数が２０から２００へ（２）放射線量も積分ルミノシティと同時に増える。このような環境でも検出能力を落とさないようにＡＴＬＡＳ検出器の増強設定が進んでいる。

今、インストールされているＳＣＴ 次期計画のＳＣＴ Al SiO２ N＋ N＋ P-stop P＋ Al P-bulk

ATLASSCT検出器N-on-P型SCTモジュールの研究開発

motivation Al Al SiO２ SiO２ Type inversion により現在のSCTは寿命を迎える将来的にはLHCにおいてさらに高いLuminosity になる N＋ N＋ P-stop N-bulk N＋ P＋ Al Al N-on-P型のSCTが必要現段階での目的・P-type Silicon Bulk の基本的性質の確認・Strip間の繋がりを避けることのできる構造・放射線耐性の確認・1cm×1cm のサンプルを用いて性能を評価・ジオメトリーなどについてはまだ。・物理の要求などもまだわからない。 P-bulk P+ P+

samples 材質 • Wafer types → FZ1,FZ2,MCZ (3 types) 製法の違い • P-stop structures → zone1～zone6(6 types) • P-stop/p-spray concentrations → P-spray, Low, High (3 types) • Implant Depth →std, deep (2 types) 形状 Al • Fluence • → 5E14, 10E14, 20E14 (1MeV n-eq/cm2) (3 types) SiO２ P-stop N＋ N＋東北大学　CYRIC　で 70MeV proton を照射 60度の恒温槽で80分間Annealing P-bulk Al

測定項目 Typical な CV curve IV測定：バルク中の暗電流の測定　→　SN比　（→N.O.？） , 温度の上昇、マイクロディスチャージ（熱暴走）　　waferのタイプ　fluenceによる？ CV測定：バルク静電容量の測定　→　全空乏化電圧　（放射線耐性の良い指標？）　　 waferのタイプ fluenceによる？ Isolation測定：Isolation電圧の測定　→　繋がってしまっていると信号が隣のストリップに流れてしまう？　形状による？ Typical な Isolation curve Typical な I-V curve 測定セットアップ

IV測定結果（waferの比較） FZ MCZ 0 5E+14 10E+14 20E+14 (1 MeV n-eq /cm2)

シリコン検出器の暗電流－電圧（I-V）特性　暗電流には以下の寄与が考えられる． • バルク暗電流電子－正孔対が熱により発生（温度に依存）空乏層の厚さに比例（逆バイアス電圧に依存） Conductance ∝ eNDμe • 表面電流有限な表面抵抗により電流が発生電圧に対してリニア？ • マイクロ放電不純物や傷により局所的な高電場により電流が増幅されるシリコン検出器断面 ① ② ③ I I I V V V

IV測定結果 来週の照射:1E+14,2E+14 ここの差を埋める FZ MCZ 0 5E+14 10E+14 20E+14 Waferによる差は見られない MicroDischargeはいつなくなるのか？ Currentによるlimitはどのくらいか？表面電流の消失については理解できていない (1 MeV n-eq /cm2)

CV測定 V＜VFDにおいては全空乏化電圧＝400V 1/C2 Capacitance(F) Bias(V) Bias(V)

CV測定結果（waferの比較） FZ 全空乏化電圧の変化と照射量の関係 MCZ 全空乏化電圧（V） 0 5E+14 10E+14 20E+14 Fluence (n eq/cm2 /1014) (1 MeV n-eq /cm2)

Isolation測定　構造による違い Al • P-stop structure → zone1～zone6 • P-stop/p-spray concentrations • → P-spray, Low, High (3 types) • Implant Depth →std, deep (2 types) SiO２ 8E+12 (+P-splay) 1E+13 2E+13 atoms/cm3 N＋ N＋ P-stop P＋ Al ?? ?? Ex) FZ2 Zone3 Strip間分離達成電圧 vs 照射量電圧(V) P-stopの濃度を2E+13/cm3にすることでStrip間分離は充分に達せられる Implant Depth による違いはほとんど見られない Fluence (1MeV n-eq/cm2)

結論とこれから ・現段階では wafer type : FZ P-stop concentration : >2E+13　が有力候補・今回紹介できなかったが P-stop structure に　ついての理解も進んでいる・照射量を変えての測定（来週照射予定）・新たなサンプルを作成し、更なるstudyを

Backup

ATLAS06 Wafers • Two lots of FZ materials • FZ-1: Lower defects, FZ-2: Normal wafers

Isolation測定 Al SiO２ N＋ N＋ P-stop • 形状 • P-stop structures • → zone1～zone6(6 types) P＋ Al

Individual と Common strip P-stop individual common

Strip Isolation explanatory ・which zone is good for strip isolation? ・Efficience of P-spray? Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6

Leakage Current (T=20℃) Mention in passing This time（2007May）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　last time（2006） Ileak/volume(A/cm^3) Fluence(1MeV n-eq/cm^2) Estimation of irradiation likely to correct.

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