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
Th. Weiler, IEKP Universitat Karlsruhe (TH)
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
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Siliziumstreifendetektoren
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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
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Die Bestrahlungseinrichtung
Kompakt Zyklotron imFZ KarlsruheBestrahlung mit 24 MeVProtonen1 cm Strahldurchmesser400× 200 mm2 überx-z Tisch erreichbar
Neutronenbestrahlung inLouvain-la-Neuve
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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
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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
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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”
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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
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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.
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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
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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
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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)
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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
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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.
DPG Fruhjahrstagung Berlin 2005 – p.15/16
Th. Weiler, IEKP Universitat Karlsruhe (TH)
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
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