SLHC 用 P 型シリコン飛跡検出器の放射線によるバルク部損傷の評価

SLHC用P型シリコン飛跡検出器の放射線によるバルク部損傷の評価 筑波大学　三井真吾金信弘,原和彦,山田美帆,濱崎菜都美(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

P型シリコン飛跡検出器の放射線損傷 SLHC用に高放射線耐性を持つ、P型シリコン飛跡検出器を開発する。本研究では、放射線によるバルク部の損傷の評価を行う。放射線により、バルク部のシリコン結晶内に格子欠陥が形成され、センサーの性能が劣化する。　・暗電流の増加　・全空乏化電圧の上昇　・収集電荷量の減少 SLHCでは、SCT領域で最大(8-11) x 1014 1MeV neq/cm2の放射線が見込まれ、陽子と中性子の寄与はZ=0では1：1（前方では中性子の寄与が大きい） 1cm角サンプルに、陽子または中性子を照射し、バルク部の特性変化を評価した。東北大のCYRICにおいて、70MeVの陽子を照射　(0.1 ~ 100 x 1013 n/cm2) スロベニアのLjubljana原子炉において、中性子を照射　(20 ~ 100 x 1013 n/cm2)

サンプル・測定項目 サンプルは、FZ法によるP型ウェハーを用いた浜松ホトニクス社製。サンプルはPCBに接着し、ワイヤーボンドにより測定に必要な配線を施す。サイズ　1cm ｘ 1cm　　厚み　320μm ストリップ数　108本 sample p-stopやp-sprayの濃度の異なるサンプルについて測定を行った。 ⇒バルク部の損傷は、表面の構造によらないと考えられる。 Bias・IV・CV Read out 測定項目 ①I-V測定・・・暗電流の増加量の評価 ②C-V測定・・・全空乏化電圧の変化の評価 ③β線による収集電荷量測定・・・電荷収集効率・全空乏化電圧の変化の評価

I-V・C-V測定　測定方法 Vbias = 0～－1000V 温度－20℃ ① I-V測定　・・・　バルク部に流れる、電流を測定。 ②C-V測定　・・・　バルク部の静電容量を測定。 Bias ring f=1kHz 今回は、60℃、80分のアニ－ル後の測定結果

暗電流 @－20℃ proton neutron 100 x 1013n/cm2 100 x 1013 n/cm2 60 x 1013 50 x 1013 20 x 1013 20 x 1013 1 x 1013 0.1 x 1013 non irrad 表面状態の変化による暗電流の増加が1012n/cm2辺りで見られた。照射量とともに、暗電流が増加している。

暗電流 @－20℃ 予想値 4x10-17 A/cm x 1015 n/cm2 x 0.03 cm3x 0.018= 22mA (損傷係数)(照射量) (センサーサイズ) (－20℃への換算係数) n型バルクの損傷係数から予想される値よりやや低いが、線形性が見られる。陽子と中性子で損傷係数は同程度である。

全空乏化電圧の評価 C-V測定 β測定 Full Depletion Voltage 収集電荷量は空乏層の厚さdに比例。 d2∝VBiasから、収集電荷量の2乗はVBiasに比例し全空乏化後は一定になる。 1/C2はバイアス電圧に比例し、全空乏化後は一定になる。 (Cbulk=εS/d) (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　d=空乏層の厚さ)

700V 1000V FDVは2直線の交点から評価：　低電圧部のスロープの違いは不確かさとして評価 1/C2－V曲線 proton neutron 陽子、中性子でFDVに明らかな差がある（~1015 n/cm2の照射量では700V vs >1000V)

全空乏化電圧 Proton(1x1015 n/cm2) ：　－700V程度まで上昇している。 Neutron(1x1015 n/cm2) ：　－1100V程度まで上昇している。

この領域に入った信号を解析に用いた。 Sr90 0.5mm 0.5mm ch1 ch2 ch3 ch4 センサーアブソーバーシンチ β線による収集電荷量測定 β線(2.3MeV)は、最小電離粒子(MIP)相当であり、320μmのシリコンセンサーでは3.2fC程度の信号となる。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。 1fC≒185ADC counts アルミ 1mm ch1またはch4の信号が1.2fC以上になるような信号を棄却した。（ch2+ch3）の分布 5x5mm ch2+ch3 －500V 1e12 n/cm2 シグナル

CC-V曲線 proton neutron 200V 300V 600V 700V 500V 800V 1000V Non irrad 0.1 10 20 50 100ｘ1013 n/cm2 Non irrad 20 50 100ｘ1013 n/cm2 proton & neutron (CC)2はVbiasに比例し、全空乏化後に一定になる。その交点から全空乏化電圧を評価する。陽子と中性子で、電荷収集量に差がある。 ⇒低電圧では、陽子の方が電荷収集量は多いが、高電圧では中性子の方が多い。 Vbias=－500Vと－800Vにおける電荷収集効率を次ページに示す。 Non irrad 20 50 100ｘ1013 n/cm2 実線：p 点線：n

電荷収集効率 －800V －500V S/N>10 S/N>10 電荷収集効率　＝　照射後収集電荷量／未照射収集電荷量(全空乏化) Proton(1x1015 n/cm2) ：　 Vbias=－500Vで0.55程度、－800Vで0.65程度まで減少する。 Neutron(1x1015 n/cm2) ：　 Vbias=－500Vで0.45程度、－800Vで0.65程度まで減少する。エレクトロニクスのノイズは0.1fC(ENC＝600e－)程度なので、S/N>10には、CCE>0.3

全空乏化電圧の評価 C-V測定 β測定 Full Depletion Voltage 収集電荷量は空乏層の厚さdに比例。 d2∝VBiasから、収集電荷量の2乗はVBiasに比例し全空乏化後は一定になる。 1/C2はバイアス電圧に比例し、全空乏化後は一定になる。 (Cbulk=εS/d) (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　d=空乏層の厚さ)

全空乏化電圧 Proton(1x1015 n/cm2) ：　－700V程度まで上昇している。 Neutron(1x1015 n/cm2) ：　－1000V程度まで上昇している。 CV測定は、β線測定の結果とよく一致している。

まとめ • 放射線損傷による暗電流の増加は、ｎ型バルクと同程度であり、陽子と中性子で差がなかった。 • β線を用いた電荷収集量の評価から電荷収集効率は、 1 x 1015 n/cm2で、 p:0.55(S/N~18), n:0.45(S/N~15 )(Vbias=－500V) p,n:0.65(S/N~22)(Vbias=－800V)を達成できる。 • 全空乏化電圧は、1 x 1015 n/cm2で、p:－700V、 n:－1000V程度となる。 SLHC用P型シリコンセンサーのバルク部の放射線損傷を、陽子と中性子の照射により評価した。

SLHC 用 P 型シリコン飛跡検出器の放射線によるバルク部損傷の評価