Rivelatori al silicio

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1 Rivelatori al silicio (Lezione 2/2) Introduzione alla fisica dei rivelatori a semiconduttore negli esperimenti di fisica delle alte energie V. Manzari INFN Bari Vito.Manzari@cern.ch

2 2 Programma 2 Seminari non possono coprire interamente un campo tanto vasto Lezione 1 -Introduzione -Principidifunzionamento Lezione 2 - Rivelatori classici: Microstrip e Pixel - Rivelatori a memoria: Drift, CCD -Sviluppiin corso - Danno da radiazione

3 Principle of detection (1/2) 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 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 a typical silicon detector is produced from a plate of high resistivity n-doped silicon of ~300µm thickness on one side a thin p-doped layer is produced 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 3

4 Principle of detection (2/2) a MIP produces in a typical detector a charge of about electrons - no amplification inside the detector (unlike in gas detectors) is needed benefiting from well developed silicon technology different readout structures can be produced 4

5 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 Rivelatori classici: - giunzione p + n rettificante polarizzata inversamente per lo svuotamento - giunzione n + n per il contatto ohmico - Microstrip single e double side - Pixel Le cariche mobili prodotte dalla radiazione ionizzante sono rimosse rapidamente ottimi per esperimenti di fisica delle alte energie 7

8 8 Dottorato in Fisica Maggio 2005 What is a microstrip detector? p-i-n diode Patterned implants as strips One or both sides Connect readout electronics to strips Radiation induced signal on a strip due to passage under/close to strip Determine position from strip hit info

9 Single sided Strip Detector Segmentation of the p+ layer into strips (Diode Strip Detector) and nnection of strips to individual read-out channels gives spatial informatio O 2 readout capacitances Al pitch typical thickness: 300µm ( µm used h + e - p + silicon n-type silicon using n-type silicon with a resistivity of ρ = 5 KΩcm (N D ~ cm -3 ) results in a depletion voltage ~ 100 V 300µm silicon Al 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 µm 50 µm pitch results in 14.4 µm resolution 9

10 Analog readout 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: Charge division readout reduces the number of readout channels as only a fraction of the strips is connected to readout amplifier. Charge collected at the interpolation strips is divided between the two neighboring readout channels according to the relative position. 10

11 n-bulk nice integration more masks, processing steps pin holes 11 Bias resistor and AC coupling Bias resistor Need to isolate strips from each other to collect/measure charge on each strip high impedance bias connection ( 1MΩ resistor) Coupling capacitor Couple input amplifier through a capacitor (AC coupling) to avoid large DC input from leakage current 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) Al SiO 2 Coupling capacitor Bias resistor

12 What does it look like? P+ contact on front of n- bulk Implants covered with thin thermal oxide (100nm) Forms capacitor ~ 10pF/cm Al strip on oxide overlapping implant Wirebond to amplifier Strips surrounded by a continuous p+ ring The guard ring Connected to ground Shields against surface currents Implants DC connected to bias rail Use polysilicon resistors Bias rail DC to ground HV 12

13 13 Basic building blocks

14 1-d vs. 2-d detectors 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 14

15 1-d vs. 2-d detectors 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 15

16 1-d vs. 2-d detector 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! Therefore most of the modern experiments use close to the interaction point silicon pixel detectors 1-d detectors with stereo angle at larger distances 16

17 Double sided silicon strip detector Get a 2 nd coordinate Put n + and p + strips on opposite sides and read them both Al SiO 2 p-stop Problem: Electron accumulation layer n + -strips are not isolated because of an electron accumulation layer at the Si-SiO 2 interface. This effect is due to the presence of positive charge in SiO 2 layer which attracts electrons. p-spray p + Solution: Break accumulation layer field plates - 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. 17

18 Silicon Pixel detectors instead of strips a pixel structure is produced on one side of the silicon plate typical dimensions ~ 50 x 400 µm 2 at least in one dimension resolution as for strip detector 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 18

19 Silicon Pixel detectors bump bonds 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 Disadvantages: very fragile challenging technology 19

20 20 Hybrid Silicon Pixel Detector segment silicon to diode matrix with high granularity ( true 2D, no reconstruction ambiguity)

21 Hybrid Silicon Pixel Detector readout electronic with same geometry (every cell connected to its own processing electronics) connection by bump bonding requires sophisticated readout architecture Hybrid pixel detectors will be used in all LHC experiments: ATLAS, ALICE, CMS and LHCb detector P + e - h + bump + _ electronics Ionizing particle 21

22 Dottorato in Fisica Maggio 2005 Fisica dei rivelatori Rivelatori al silicio (Lezione 2/2) Flip-chip assembly Pb-Sn Bump Bond 22

23 23 1 Elettrodeposizine di SnPb (VTT) fotoresist SnPb passivazione substrato Pad in Al Wafer cleaning 7 8 Cu TiW Deposizione del metallo di campo Fotoresist & fotolitografia Elettrodeposizione di Ni (UBM) & Soldering (SnPb) Ni (UBM) Eliminazione fotoresist Eliminazione del Cu Temperatura di reflow 230 C Reflow Eliminazione del TiW Bumps depositati solo sul lato elettronica (FEE)

24 24 Evaporazione di In (AMS) In Wafer Cleaning 5 Fotoresist & fotolitografia Plasma activation Deposizione Id No reflow, temperatura < 100 C Lift off Bumps depositati su entrambi i substrati

25 25 Silicon Pixel Detector WA97/NA57 fixed target experiments at CERN SPS Readout chips Ladder supports Detector ladders Thin ceramic (300µm Kapton

26 26 Silicon Pixel Detector Reconstructed tracks in WA97 silicon pixel telescope

27 ALICE Inner Tracking System and Silicon Pixel Detector ALICE B-field < 0.5 T 2 strips Silicon Pixel Detector 2 drifts 2 pixels arameter Pixels Drifts Strips dius (inner plane) cm dius (outer plane) cm ll size (rϕ z) µm solution (rϕ) µm solution (z) µm ax. occupancy % ax. expected dose (10 years) krad tal area m tal no. of channels 9.8 M 133 k 2.6 M R out =43.6 cm Inner SPD layer pseudorapidity coverage: η <

28 ALICELHCb1 pixel ASIC 13.5 mm 15.8 mm 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 ~1000 e - mean threshold (~200 e - RMS) - 28

29 29 SPD detector ladder p-in-n silicon sensor (Canberra): 200µm thick readout chips: 750µm native thickness thinned to 150µm after bump deposition bump bonds I V fd =15V -Measurements : Chip43 Chip46 Chip42 Chip32 Chip30 orking pixels 99.7% 99.95% 99.98% 99.98% 100% issing pixels Chip 43 Chip 46 Chip 42 Chip 32 Chip 30

30 30 SPD module assembly

31 Rivelatori a memoria: CCD e Drift

32 Rivelatori a memoria Rivelatori a memoria giunzioni rettificanti p + n su entrambe le superfic - 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 piccole dimensioni dell anodo piccola capacità anodica ridotto contributo al rumore del preamplificatore struttura degli elettrodi più complessa dei rivelatori classici principali tipi di rivelatori a memoria: - Charge Coupled Devices (CCD) - Silicon Drift Detectors (SDD) 32

33 Charge Coupled Devices (CCD) CCD completamente svuotati: - particella ionizzante coppie e-h 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 ) 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 33

34 Charge Coupled Devices (CCD) 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 accuratezza spaziale 10 µm - tempi di lettura molto lunghi 10 msec impiego limitato in esperimenti di fisica delle alte energie pile up! - buona risoluzione energetica e spaziale utilizzati per videocamere e in astronomia per spettroscopia di raggi X 34

35 35 Charge Coupled Devices (CCD)

36 36 Silicon Drift Detectors 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 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 Analogo alle camere a deriva a gas: - elettroni derivano all interno del rivelatore e sono raccolti da un elettrodo segmentato anodi -2 coordinate spaziali anodi e tempo di deriva

37 37 Silicon Drift Detectors Principle of sideways depletion p+ segmentation on both sides of n-type silicon sensor complete depletion of wafer from segmented n+ anodes located at one side of sensor electrons drift parallel to substrate surface to n+ anodes voltage divider network (resistors) for Potential energy p-strips to provide uniform drift field x z y

38 Silicon Drift Detectors x z y 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 ove φ(x,y) è il potenziale negativo, δ(x,y) la densità di carica spaziale 38

39 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 soluzione dell eq. di Poisson in una dimensione (coord. x) - Termine lineare campo di deriva E d (coord. y) Espressione del potenziale: Silicon Drift Detectors ε r = 11.9 per Si e z 0 = z al minimo del potenziale negativo - termine parabolico focalizzazione degli e - nel piano mediano - termine lineare deriva degli e - verso gli anodi di raccolta 39

40 40 Silicon Drift Detectors 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. Potential energy 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 anodi al minimo di energia potenziale anode

41 41 rincipio di funzionamento: Silicon Drift Detectors e- di ionizzazione focalizzati dal campo E nel piano mediano del ivelatore e trasportati verso gli anodi dal campo parallelo alla superficie Tempo di deriva degli e- misurato come ritardo del segnale indotto ugli anodi dalla nube di e- di ionizzaqzione rispetto al tempo di ttraversamento della radiazione incidente tempo di deriva alla istanza tra anodi e punto di attraversamento Anodo segmentato rivelatore bidimensionale: coordinata erpendicolare alla direzione di drift centroide della distribuzione ell ampiezza dei segnali agli anodi Repulsione coulombiana, collisioni, etc. diffusione trasversa: istribuzione (quasi) gaussiana degli e- di ionizzazione agli anodi e solo per impatti olto vicini agli anodi la raccolta avviene su un solo anodo

42 ommenti: Silicon Drift Detectors Correnti di fuga e fluttuazioni statistiche della forma del segnale imitano l accuratezza spaziale ottenibile Diffusione e repulsione elettrostatica dispersione degli e- agli anodi funzione del t drift ( per un singolo e- la dispersione del punto di arrivo è pari a 150µm per un t drift 1µm) Ridotte dimensioni degli anodi piccola capacità anodica ( 0.1 pf) raticamente indipendente dalle dimensioni del rivelatore Integrazione di uno stadio di preamplificazione sul substrato ad alta esistività per eliminare la capacità di connessione, molto più grande ella capacità anodica. SDD consente la misura di posizione e di energia con precisione tipica ei rivelatori a silicio ma con un numero di canali di lettura ordini di randezza minore a parità di area sensibile. 42

43 43 Silicon Drift Detectors ommenti: 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

44 44 Silicon Drift Detectors n sintesi: 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 Fornisce una elevata precisione spaziale con un numero ridotto di canali, ma: - lento t drift µsec - calibrazione frequente ed accurata - stabilità della temperatura 0.1 C (µ T -2.4 ) Applicazioni in High Energy Physics: STAR at RHIC and ALICE at LHC

45 viluppi in corso: MAPS, DEPFET, 3-D,

46 46 Monolithic silicon pixel detector (MAPS)

47 47 DEPleted Field Effect Transistor (DEPFET)

48 48 New detector concepts: 3D detectors

49 3-D device Co-axial detector Arrayed together Micron scale Pixel device Readout each p+ column Strip device Connect columns together 49

50 SiO 2 Operation +ve -ve +ve -ve -ve -ve p + h + h + e - Bulk n e - W 2D E arriers swept rizontally rift short distance tween electrodes W 3D E n + Equal detectors thickness W 2D >>W 3D +ve - Carriers drift total thickness of material Advantegs: if electrodes are close - Low full depletion bias - Low collection distances - No charge spreading - Fast charge sweep out 50

51 51 A 3-D device Form an array of holes Fill them with poly-silicon Add contacts Can make pixel or strip devices Bias up and collect charge

52 Cenni sui danni da radiazione

53 53 Radiation level at LHC and SLHC

54 54 Microscopic defects Radiation Damage Particle dependence

55 55 Impact of defects on detector properties

56 56 Radiation Damage in Silicon Sensors

57 57 Radiation Damage I. Depletion Voltage

58 58 Radiation Damage II. Leakage Current

59 59 Radiation Damage III. CCE

60 60 R&D : Radiation tolerant tracking detectors

61 61 New Material: Oxygen enriched silicon DOFZ

62 62 n-in-n vs p-in-n

63 Extra: wire-bonding

64 64 Wire-bonding

65 65 Wire-bonding of the SPD module Wire bonder: FEK Delvotec 6400 ~1200 Wire bonds/half-stave 25µm diameter wire Fast-OR Bonding pads on the bus: 80 x 300µm 2 Reference & JTAG DATA Control signals DATA Step height: 40-60µm VCC Layer 1.8 (V) GND Layer

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