delle alte energie

(1)

Rivelatori al silicio

(Lezione 2/2)

V. Manzari – INFN Bari

[email protected]

Introduzione alla fisica dei rivelatori a semiconduttore negli esperimenti di fisica

delle alte energie

(2)

Programma

2 Seminari non possono coprire interamente un campo tanto vasto

¾ Lezione 1

- Introduzione

- Principi di funzionamento

¾ Lezione 2

- Rivelatori classici: Microstrip e Pixel - Rivelatori a memoria: Drift, CCD

- Sviluppi in corso

- Danno da radiazione

(3)

3

Principle of detection (1/2)

¾ to produce one pair of charge carrier in silicon (e-h pair) one needs only 3.6 eV energy compare to ~30 eV in a gas

¾ density of silicon is much higher than that of a gas

- MIP produces about 100 e-h pairs per 1µm of silicon - to produce this charge in gas one needs cm’s

¾ a typical silicon detector is produced from a plate of high resistivity n-doped silicon of ~300µm thickness

¾ on one side a thin p-doped layer is produced

¾ a reverse bias voltage is applied (i.e. positive potential on n-side, negative on on p-side) in order to

- fully deplete the silicon of free charge carriers

- to produce the electric field for drifting electron and holes to

opposite surfaces where a read out structure is organized

(4)

¾ a MIP produces in a typical detector a charge of about 25 000 electrons

- no amplification inside the detector (unlike in gas detectors) is needed

¾ benefiting from well developed silicon technology different readout structures can be produced

Principle of detection (2/2)

(5)

Si substrate for detector Production of a FZ silicon

ingot…

… at this stage almost all

detectors look still the same

(6)

Rivelatori classici:

Microstrip e Pixel

(7)

Rivelatori classici

¾ Rivelatori classici:

- giunzione p

⁺

n rettificante polarizzata inversamente per lo svuotamento

- giunzione n

⁺

n per il contatto ohmico

¾ Le cariche mobili prodotte dalla radiazione ionizzante sono rimosse rapidamente ⇒ ottimi per esperimenti di fisica delle alte energie

- Microstrip

single e double side

- Pixel

(8)

What is a microstrip detector?

¾ p-i-n diode

¾ Patterned implants as strips – One or both sides

¾ Connect readout electronics to strips

¾ Radiation induced signal on a strip due to passage under/close to strip

¾ Determine position from strip hit info

(9)

Single sided Strip Detector

¾ Segmentation of the p+ layer into strips (Diode Strip Detector) and

connection of strips to individual read-out channels gives spatial information

¾ typical thickness:

300µm (150 - 500µm used)

¾ using n-type silicon with a resistivity of ρ = 5 KΩcm (N

_D

~ 10

¹²

cm

^-3

)

results in a depletion voltage ~ 100 V

n-type silicon + -+ -

+ -+ - + -+ -

n⁺silicon Al

p⁺silicon h⁺ e^-

Al SiO₂

readout capacitances

≈ 300µm pitch

¾ Resolution σ depends on the pitch p (distance from strip to strip) - e.g. detection of charge in binary way (threshold discrimination)

and using center of strip as measured coordinate results in

⇒ typical pitch values are 20 – 150 µm ⇒ 50 µm pitch results in 14.4 µm resolution

(10)

Analog readout

¾ Analog readout (measurement of signal height) of every strip leads to substantial improvement of position resolution, however not

every strip has to be read out:

¾ Charge division readout reduces the number of readout channels

as only a fraction of the strips is connected to readout amplifier.

(11)

11

Bias resistor and AC coupling

¾ Bias resistor

• Need to isolate strips from each other to collect/measure charge on each strip

⇒ high impedance bias connection (≈ 1MΩ resistor)

¾ Coupling capacitor

• Couple input amplifier through a capacitor (AC coupling) to avoid large DC input from leakage current

¾ Integration of capacitors and resistors on sensor

• Bias resistors via deposition of doped polysilicon

• Capacitors via metal readout lines over the

implants but separated by an insulating dielectric layer (SiO2,Si3N4)

Coupling capacitor Biasresistor

⇒ nice integration

⇒ more masks, processing steps

⇒ pin holes

n-bulk

SiO Al

₂

(12)

What does it look like?

¾ P+ contact on front of n- bulk

¾ Implants covered with thin thermal oxide (100nm)

– Forms capacitor ~ 10pF/cm

¾ Al strip on oxide overlapping implant

– Wirebond to amplifier

¾ Strips surrounded by a continuous p+ ring – The guard ring

– Connected to ground

– Shields against surface currents

¾ Implants DC connected to bias rail – Use polysilicon resistors

– Bias rail DC to ground

(13)

Basic building blocks

(14)

1-d vs. 2-d detectors

¾ Many of the detectors measure just one dimension

– silicon strip detectors (as well as MWPCs, drift chambers, straw tubes)

– In this case usually more than one layer is used with different angles (kind of stereo projection)

-Two close hits could produce two ghost hits -Ambiguity area ∝ sin Θ

-The precision in the second coordinate goes as ∝ sin

^-1

Θ

(15)

1-d vs. 2-d detectors

¾ to resolve ambiguity in some cases additional information is available

– charge correlation when the signals for the two angles were produced by the same ionization process

– a nearby detector with yet different angles

• to have next a detector with the same angles does not help

because then also the ghost hits correlates

(16)

1-d vs. 2-d detector

¾ The true two dimensional detectors, like

– cathode pad chambers – silicon pixel

– silicon drift detectors

are much more robust in high particle density environment and more expensive!

¾ Therefore most of the modern experiments use close to the interaction point silicon pixel detectors

¾ 1-d detectors with stereo angle at larger distances

(17)

17

Double sided silicon strip detector

¾ Get a 2

^nd

coordinate

Put n⁺ and p⁺ strips on opposite sides and read them both

¾ Problem: Electron accumulation layer

n⁺-strips are not isolated because of an electron accumulation layer at the Si-SiO₂ interface. This effect is due to the presence of positive charge in SiO₂ layer which attracts electrons.

¾ Solution: “Break” accumulation layer

- p-strips in between the n-strips (“p-stop”)

- moderate p⁺-implantation over all surface (“p-spray”)

- “field plates” (metal over oxide) over the n⁺-strips and apply negative potential with respect to n⁺-strips to repel electrons.

Al SiO

₂

p

⁺

p-stop

p-spray

field plates

(18)

Silicon Pixel detectors

¾ instead of strips a pixel structure is produced on one side of the silicon plate

¾ typical dimensions ~ 50 x 400 µm

²

– at least in one dimension resolution as for strip detector

¾ problem is how to read it out, to each pixel an amplifier circuitry has to be connected

– use of special designed readout chip bump-bonded on the detector silicon

– development of monolithic detectors with CCD type of

electronics

(19)

19

Silicon Pixel detectors

¾ Advantages:

– a true two dimensional micro-detector – very low noise (small capacitance)

– relatively fast detector (depends on multiplexing) – excellent pattern recognition capability for high

particle density

¾ Disadvantages:

– very fragile

– challenging technology

bump

bonds

(20)

Hybrid Silicon Pixel Detector

¾ segment silicon to diode matrix with high granularity

(⇒ true 2D, no reconstruction ambiguity)

(21)

Hybrid Silicon Pixel Detector

¾ readout electronic with same geometry

(every cell connected to its own processing electronics)

¾ connection by “bump bonding”

¾ requires sophisticated readout architecture

¾ Hybrid pixel detectors will be used in all LHC experiments:

ATLAS, ALICE, CMS and LHCb

detector P⁺

bump

electronics

+_

h⁺ e^-

Ionizing particle detector

P⁺

bump

electronics

+_

h⁺ e^-

Ionizing particle

(22)

Flip-chip assembly

Pb-Sn Bump Bond

(23)

1

Wafer cleaning

substrato

passivazione Pad in Al

Eliminazione fotoresist

Eliminazione del Cu

Reflow Eliminazione del TiW

2 3 4 5 6

7 8

Deposizione del metallo di campo

Cu TiW

Elettrodeposizione di Ni (UBM) &

Soldering (SnPb)

Ni (UBM) SnPb

Fotoresist

&

fotolitografia

fotoresist

Temperatura di reflow 230 °C

Bumps depositati solo sul lato elettronica (FEE)

Elettrodeposizine di SnPb (VTT)

(24)

Bumps depositati su entrambi i substrati

1 2 3 4

5

Wafer Cleaning Fotoresist Plasma activation

&

fotolitografia

Deposizione Id

Lift off

In

No reflow, temperatura < 100 °C

Evaporazione di In (AMS)

(25)

Silicon Pixel Detector

Readout chips

Detector ladders

Kapton

Ladder supports

Thin ceramic (300µm) Readout

chips

Detector ladders

Kapton

Ladder supports

Thin ceramic (300µm)

WA97/NA57 fixed target

experiments at CERN SPS

(26)

Silicon Pixel Detector

¾ Reconstructed tracks in

WA97 silicon pixel telescope

(27)

27

• B-field < 0.5 T

ALICE

R

_out

=43.6 cm 2 strips

2 drifts

2 pixels

Silicon Pixel Detector

Parameter Pixels Drifts Strips radius (inner plane) cm 3.9 14.9 38.5

radius (outer plane) cm 7.6 23.8 43.6 cell size (rϕ × z) µm² 50 × 425 294 × 150 95 × 40000

resolution (rϕ) µm 12 35 15

resolution (z) µm 100 23 730

max. occupancy % 2.1 2.5 4

max. expected dose (10 years) krad 250 13 2

total area m² 0.24 1.3 4.9

total no. of channels 9.8 M 133 k 2.6 M

Inner SPD layer

pseudorapidity coverage: |η| < 1.95 [ITS coverage |η| ≈ 0.8]

ALICE Inner Tracking System and Silicon Pixel Detector

(28)

• Mixed signal

(analogue, digital)

• Produced in a commercial

0.25µm CMOS process (8” wafers)

• Radiation tolerant design (enclosed gates, guard rings)

• 8192 pixel cells

• 50 µm (rφ) x 425 µm (z) pixel cell

• ~100 µW/channel 13.5 mm

15.8 mm

ALICELHCb1 pixel ASIC

(29)

•1 p-in-n silicon sensor (Canberra): 200µm thick

•5 readout chips: 750µm native thickness

• thinned to 150µm after bump deposition

• 40960 bump bonds

• I

_det

@50V=120-200nA, V

_fd

=15V Sr-Measurements :

Chip43 Chip46 Chip42 Chip32 Chip30 Working pixels 99.7% 99.95% 99.98% 99.98% 100%

Missing pixels 28 4 2 2 0

Chip 43 Chip 46 Chip 42 Chip 32 Chip 30

SPD detector ladder

(30)

SPD module assembly

(31)

Rivelatori a memoria:

CCD e Drift

(32)

¾ Rivelatori a memoria ⇒ giunzioni rettificanti p

⁺

n su entrambe le superfici:

- e- di ionizzazione non sono rimossi e rivelati immediatamente

(µstrip e pixel), ma confinati all’interno del detector e trasportati verso un elettrodo di raccolta (anodo)

- durante la deriva parallelamente alla superficie del detector, la nube di e- conserva l’informazione (memoria) relativa alla posizione di attraversamento della radiazione

⇒ trasporto della carica Æ piccole dimensioni dell’anodo Æ piccola

capacità anodica Æ ridotto contributo al rumore del preamplificatore

⇒ struttura degli elettrodi più complessa dei rivelatori classici

Rivelatori a memoria

(33)

33

¾ CCD completamente svuotati:

- particella ionizzante Æ coppie e-h Æ h+ si muovono verso gli

elettrodi p mentre gli e- sono confinati in corrispondenza del minimo di potenziale negativo (energia potenziale)

- matrice bidimensionale fino a ≈ 10

⁶

pixel/cm

²

(pixel ∼10·10µm

²

)

¾ Funzionamento:

- la carica di ionizzazione confinata in un pixel è spostata al successivo mediante un potenziale variabile periodico, senza perdita di e-

- la nube di e- raggiunge l’ultima cella dove è rivelata mediante un opportuno stadio di preamplificazione

Charge Coupled Devices (CCD)

(34)

¾ Alcune peculiarità:

- capacità della cella di raccolta molto piccola ⇒ ottimo rapporto S/N - pompaggio degli e- attraverso il rivelatore ⇒ le celle individuali

di memoria sono ripulite dagli e- prodotti per generazione termica nel substrato e alle giunzioni

- 2D detector ⇒ informazione relative ad entrambe le coordinate spaziali, senza ambiguità Æ accuratezza spaziale ≈10 µm

- tempi di lettura molto lunghi ≈ 10 msec ⇒ impiego limitato in esperimenti di fisica delle alte energie Æ pile up!

- buona risoluzione energetica e spaziale ⇒ utilizzati per videocamere e in astronomia per spettroscopia di raggi X

Charge Coupled Devices (CCD)

(35)

Charge Coupled Devices (CCD)

(36)

¾ Readout in 2 dimensioni da un rivelatore a silicio può essere implementato in un altro modo (E. Gatti, P. Rehak)

Rivelatore di Silicio a Deriva

¾ Un sistema di impiantazione ad alta tensione produce un campo di deriva verso un sistema di anodi di raccolta realizzato su uno dei lati del rivelatore

¾ Analogo alle camere a deriva a gas:

- elettroni derivano all’interno del rivelatore e

sono raccolti da un elettrodo segmentato ⇒ anodi

Silicon Drift Detectors

(37)

37

¾ Principle of sideways depletion

¾ p+ segmentation on both sides of n-type silicon sensor

¾ complete depletion of wafer from segmented n+ anodes located at one side of sensor

¾ electrons drift parallel to substrate surface to n+ anodes

¾ voltage divider network (resistors) for

p-strips to provide uniform drift field Potential energy

anode

x z y

Silicon Drift Detectors

(38)

¾ Il campo elettrico dovuto alle cariche fisse non compensate, confina gli elettroni in una regione a potenziale negativo che deve soddisfare l’equazione di Poisson in due dimensioni

x z y

Silicon Drift Detectors

(39)

¾ Per comprendere il funzionamento del SDD (in generale dei rivelatori a memoria), è necessario descrivere il campo elettrico in almeno 2

dimensioni (non dipende da z) ⇒ somma di 2 termini:

- Potenziale parabolico Æ soluzione dell’eq. di Poisson in una dimensione (coord. x)

- Termine lineare Æ campo di deriva E

_d

(coord. y)

¾ Espressione del potenziale:

ε

_r

= 11.9 per Si e z

₀

= z al minimo del potenziale negativo

- termine parabolico Æ focalizzazione degli e

^-

nel piano mediano - termine lineare Æ deriva degli e

^-

verso gli anodi di raccolta

Silicon Drift Detectors

(40)

Potential energy

anode

¾ Nella zona di deriva l’andamento mostrato è ottenuto imponendo una polarizzazione negativa simmetrica sulle strip p

⁺

delle due facce del rivelatore e decrescente verso gli anodi di raccolta.

¾ Nella zona di raccolta il potenziale imposto deflette il canale di deriva verso la

superficie del rivelatore ove sono impiantati gli anodi n

⁺

.

⇒ raccolta efficiente Æ anodi al minimo di energia potenziale

Silicon Drift Detectors

(41)

Principio di funzionamento:

¾ e- di ionizzazione focalizzati dal campo E nel piano mediano del

rivelatore e trasportati verso gli anodi dal campo parallelo alla superficie

¾ Tempo di deriva degli e- misurato come ritardo del segnale indotto sugli anodi dalla nube di e- di ionizzaqzione rispetto al tempo di

attraversamento della radiazione incidente ⇒ tempo di deriva ∝ alla distanza tra anodi e punto di attraversamento

¾ Anodo segmentato ⇒ rivelatore bidimensionale: coordinata

perpendicolare alla direzione di drift ⇒ centroide della distribuzione dell’ampiezza dei segnali agli anodi

¾ Repulsione coulombiana, collisioni, etc. ^⇒ diffusione trasversa:

distribuzione (quasi) gaussiana degli e- di ionizzazione agli anodi e solo per impatti molto vicini agli anodi la raccolta avviene su un solo anodo

Silicon Drift Detectors

(42)

Commenti:

¾ Correnti di fuga e fluttuazioni statistiche della forma del segnale limitano l’accuratezza spaziale ottenibile

¾ Diffusione e repulsione elettrostatica ⇒ dispersione degli e- agli anodi è funzione del t

_drift

( per un singolo e- la dispersione del punto di arrivo è pari a

≈150µm per un t

_drift

≈1µ m)

¾ Ridotte dimensioni degli anodi ⇒ piccola capacità anodica (≈ 0.1 pF) praticamente indipendente dalle dimensioni del rivelatore

¾ Integrazione di uno stadio di preamplificazione sul substrato ad alta resistività per eliminare la capacità di connessione, molto più grande della capacità anodica.

Silicon Drift Detectors

(43)

Commenti:

¾ per sfruttare il meccanismo di trasporto degli e- come misura di una

coordinata spaziale la densità di impurità elettricamente attive nel Si deve essere molto uniforme:

- Silicio Neutron Trasmutation Doped (NTD)

- Si drogato convenzionalmente (float-zone) p-type, di resistività molto elevata (purezza) irradiato con neutroni termici

Silicon Drift Detectors

(44)

In sintesi:

¾ SDD sfrutta un meccanismo di trasporto degli e- di ionizzazione analogo a quello dei CCD con un tempo di confinamento alcuni ordini di grandezza minore