bestrahlungsstudien an siliziumstreifendetektoren für das

Th. Weiler, IEKP Universitat Karlsruhe (TH)

Bestrahlungsstudien an Siliziumstreifendetektorenfür das CMS-Experiment

DPG-Frühjahrstagung Berlin 2005

W. de Boer, G. Dirkes, M. Fahrer, A. Furgeri, F. Hartmann, S. Heier, Th. Muller und

Th. Weiler

Institut fur Experimentelle Kernphysik, Universitat Karlsruhe (TH)

CMS- Förderschwerpunkt

Großgeräte der physikalischenGrundlagenforschung

DPG Fruhjahrstagung Berlin 2005 – p.1/16


Das CMS-Experiment

Outer barrel (TOB)

Endcap (TEC) Inner barrel (TIB)

Pixel

Diameter 2,4mLength 5,4mVolume 24,4m³Running temperature -10°CDry atmosphere for 10 years



Siliziumstreifendetektoren



Erwartete Strahlenbelastung

Wegen der Unsicher-heiten in den erwar-teten Fluenzen wirdein Sicherheitsfaktorbenutzt:

×2.0 für Neutronen×1.5 für Protonen

“outer barrel:”0.7× 1014 n1MeV/cm2

“inner barrel:”2.4× 1014 n1MeV/cm2



Die Bestrahlungseinrichtung

Kompakt Zyklotron imFZ KarlsruheBestrahlung mit 24 MeVProtonen1 cm Strahldurchmesser400× 200 mm2 überx-z Tisch erreichbar

Neutronenbestrahlung inLouvain-la-Neuve



Bestrahlung der Ausleseelektronik

stripnumber100 200 300 400 500

nois

e [A

DC

cou

nts]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

stripnumber100 200 300 400 500

nois

e [A

DC

cou

nts]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

THnoise (dic)before irradiationafter irradiation

stripnumber100 200 300 400 500

AD

C c

ount

s0

50

100

150

200

250

stripnumber100 200 300 400 500

AD

C c

ount

s0

50

100

150

200

250

THpedestal (dic)before irradiationafter irradiation

stripnumber100 200 300 400 500

calib

ratio

n am

plitu

de [A

DC

cou

nts]

0

10

20

30

40

50

60

stripnumber100 200 300 400 500

calib

ratio

n am

plitu

de [A

DC

cou

nts]

0

10

20

30

40

50

60

THcalA (dic)before irradiationafter irradiation

Rauschverhalten bleibt unbeeinflusst

Anstieg des Pedestals nach Bestrahlung

Anstieg der Kalibrationsamplitude nach Bestrahlung

Ausleseelektronik nach Bestrahlung (d.h. > 10 JahreLHC Fluenz für “inner barrel”) noch Vollfunktionsfähig



Kalibrationspuls

Latency130 132 134 136 138 140 142

Cal

. Sig

nal [

AD

C c

ount

s]

0

20

40

60

80

100

Pea

k w

Cal

w In

v M

ode

Latency126 127 128 129 130 131 132 133 134

Cal

. Sig

nal [

AD

C c

ount

s]

0

20

40

60

80

100

Dec

w C

al w

Inv

Mod

e

value of Ical0 10 20 30 40 50 60 70

calib

ratio

n si

gnal

[AD

C c

ount

s]

0

20

40

60

80

100

120

140 gain of calibration unit (in peak mode)

non irradiated hybrid

irradiated hybridgleiches Anstiegsverhalten vor und nachBestrahlung

Steigung der Verstärkung ändert sich

Anstieg der Kalibrationsamplitude und derPedestals durch Oxidladung in n-MOS Tran-sistoren



Hamburg ModellDie Verarmungsspannung ist proportional zur effektivenLadungsträgerdichte in der Raumladungszone, dieseändert sich durch Bestrahlung und Annealing-Prozesse. Mitdem “Hamburg Modell” lassen sich die Annealing-Prozessebeschreiben

∆Neff (Feq, t) = NA(Feq, t) + NC(Feq) + NY (Feq, t)

wobeiNC(Feq) = NC,0(1− e−cFeq) + gcFeq ist der sogenannte stabileSchaden

NA(Feq, t) = Feq∑i ga,ie

tτa,i beschreibt das Ausheilen der

Strahlenschäden kurz nach der Bestrahlung

NY (Feq, t) = NY,inf

(1− 1

1+ tτY

)beschreibt das sogenannte

“reverse annealing”



Verhalten der Verarmungsspannung

annealing time [minutes]1 10 210 310 410 510 610

depl

etio

n vo

ltage

[V]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

alle Ausheilschritte bei 60 ◦C

mindestens zwei Stunden beiRaumtemperatur nachWärmebehandlung

Module während der Messungauf −15 ◦C gekühlt

CV-Messung zur Bestimmungder Verarmungsspannung

Lagerung der Module bei−20 ◦C, um Ausheilprozessezu verlangsamen



Verarmungsspannung und Fluenz

]2/cm1MeV n14fluence [100 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

depl

etio

n vo

ltage

[V]

0

100

200

300

400

500

600

Verarmungsspannung für verschiedene Modul-Geometrienund Fluenzen. Alle Werte nach 80 min bei 60 ◦C.



Verhalten des Dunkelstromes

annealing time [minutes]1 10 210 310 410

A]

µle

akag

e cu

rren

t [

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000 leakage current annealing

module 671module 677module 666

]2/cm1MeVn14Fluence [100 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

]3 m

A/c

m-3

curr

ent d

ensi

ty [1

0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Strom auf −10 ◦C(TSilizium) skaliert

Abnahme desDunkelstroms mitAusheilzeit

≈ 1 mA im Minimum (nach80 min) der Verarmungs-spannung

80 min. bei 60 ◦C

Steigung der Kurveentspricht “current induceddamage rate” α(20◦C)

α(20◦C) =

(3.79± 0.27)× 10−17 A/cm

φ = 1.2× 1014 n1MeV/cm2

φ = 0.7× 1014 n1MeV/cm2



Signal zu Rauschen

KAHPCluSNRAllEntries 4787Mean 41.89RMS 14.16

/ ndf 2χ 215.7 / 95Width 0.06647± 2.13 MP 0.117± 35.26 Area 69.93± 4792 GSigma 0.1238± 5

SNR0 20 40 60 80 100 120 140

num

ber

of e

vent

s

0

50

100

150

200

250

KAHPCluSNRAllEntries 4787Mean 41.89RMS 14.16

/ ndf 2χ 215.7 / 95Width 0.06647± 2.13 MP 0.117± 35.26 Area 69.93± 4792 GSigma 0.1238± 5

SNR Daten wurdendurch eine Gaussverschmierte LandauVerteilung genähert

Alle Messungenwurden mit einer 90SrQuelle durchgeführt

die Module waren auf(−14± 2)◦ C gekühlt

alle Auslese Para-meter wurden vorund nach Bestrahlungnicht geändert

peak mode / 500 V



Signal zu Rauschen500µm 300µm

bias voltage [V]0 100 200 300 400 500 600 700

sign

al to

noi

se r

atio

0

5

10

15

20

25

SNR for mod_677 before irradiation

C° 60 min. at 60 C° 80 min. at 60 C° 100 min. at 60 C° 120 min. at 60 C°1018 min. at 60

bias voltage [V]0 100 200 300 400 500 600 700

sign

al to

noi

se r

atio

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

SNR for irradiation qualification

]2 / cm1MeV n14 [10φ Bari 1 no dataBari 2 no data

= 2.04)φBari 3 ( = 0.53)φBari 4 ( = 2.13)φBari 5 (

≈ 18 nach 0.7× 1014 n1MeV/cm2 für 500µm dicke Module

≈ 12 nach 2.1× 1014 n1MeV/cm2 für 300µm dicke Module(jeweils bei 400 V)



Zusammenfassung: Signal zu Rauschen

]2/cm1MeVn14Fluence [100 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

sign

al to

noi

se r

atio

0

5

10

15

20

25

30

35

SNR versus fluence proton irradiated (peak)proton irradiated (dec)neutron irradiated (peak)neutron irradiated (dec)

]2/cm1MeVn14Fluence [100 0.5 1 1.5 2 2.5

sign

al to

noi

se r

atio

0

5

10

15

20

25

30

SNR versus fluence

peak mode

deconvolution mode

500µm dicke ModuleVbias = 400V

SNR ≈ 18(25) dec. mode(peak mode)

300µm dicke ModuleVbias = 400V

SNR ≈ 13(18) dec. mode(peak mode)

⇒ SNR größer als gefordertemWert von 10



Signal zu Rauschen

power consumption in silicon [W]0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

sign

al to

noi

se

0

5

10

15

20

25

signal to noise versus power consumption

module R5n no. 513 (dec. mode)

module R5n no. 518 (dec. mode)

Leistungsaufnahme über Signal zu Rauschen für Ring5 Module (500µm).Bestrahlt mit Protonen zu 1.15× 1014 n1MeV/cm2. Messung nach 80 minbei 60 ◦C, Temperatur auf Silizium ≈ −15 ◦C.



Zusammenfassung

Auslese-Hybrid und Module wurden mit Fluenzen von> 10 Jahren LHC bestrahlt

Auslese-Hybrid funktioniert auch nach > 10 Jahre LHCohne Probleme

Module zeigen nach Bestrahlung noch einausreichendes Signal zu Rauschen (> 10 imdeconvolution mode)

Annealing Verhalten der Module lässt sich gut mit dem“Hamburg Modell” beschreiben

Hybrid-Bestrahlung, zur Bestrahlungsqualifikation von“globtop”, zum Schutz der Bondverbindungen, inBearbeitung


bestrahlungsstudien an siliziumstreifendetektoren für das

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