Rivelatori a semiconduttore nella fisica di Sapore ( II a parte )

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1 Rivelatori a semiconduttore nella fisica di Sapore ( II a parte ) Marcello A Giorgi Villa Gualino 25-26,02,2010 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 1

2 Outline Motivazioni Inizio dell avventura Principio di funzionamento e caratteristiche rivelatori a strip semiconduttori funzionamento e scelte tecniche Processo di fabbricazione segnale e rumore risoluzione spaziale Esempio di un rivelatori Altri rivelatori a semiconduttore: Pixel, Silicon drift chamber, CCD, 3D, pixel monolitici 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 2

3 Outline Motivazioni Inizio dell avventura Principio di funzionamento e caratteristiche rivelatori a strip semiconduttori funzionamento e scelte tecniche Processo di fabbricazione segnale e rumore risoluzione spaziale Esempio di un rivelatori Altri rivelatori a semiconduttore: Pixel, Silicon drift chamber, CCD, 3D, pixel monolitici 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 3

4 La giunzione p-n Consideriamo 2 pezzi di silicio uno di tipo p e l altro di tipo n e attacchiamoli l uno all altro. Normalmente il p + è più drogato dell n. Valori tipici di drogaggio sono: /cm 3 (n) e /cm 3 (p) (molto minori che nei circuiti integrati e diodi o transistor, nei quali la concentrazione è ~ 10 17(18) /cm 3 ) Nella fabbricazione del silicio utilizzato per rivelatori e fondamentale il controllo del livello di impurezze atomi/cm 3,drogaggio /cm 3 impurezze al di sotto di 1 parte in /25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 4

5 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 5

6 Schema di rivelatore al Silicio -V SiO 2 Contatto A p n Contatto A n type 5k cm 300m SiO 2 0 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 6

7 Giunzione polarizzata inversamente come rivelatore di particelle Polarizzando inversamente il diodo (V B ~100V a n+) la zona di carica spaziale in cui e presente il campo elettrico si estende diodo completamente svuotato d~x n ~(2eV B /qn d ) 1/2 x d 2e V 0.53m ( cm) V( V) Il deposito di energia nella zona completamente svuotata, dovuto al passaggio della particella carica, crea delle coppie libere e-lacuna. Nel campo elettrico, gli elettroni derivano verso il lato n, le lacune verso il lato p inducendo un segnale sugli elettrodi di raccolta corrente rivelabile La zona svuotata dai portatori e la parte attiva del rivelatore perche il campo E 0 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 7

8 Contributi alla corrente di leakage in polarizzazione inversa 1 ma I qv / kt I0( e 1) 1 ua Centri di generazione nel volume I L X d (N d ) 1/2 10 na/cm um Importante la qualita del materiale e del processo di fabbricazione Generazione superficiale: viene ridotta con Ossido di buona qualita Anelli di guardia che la assorbono 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 8

9 Rilascio di carica nel Silicio E I = 3.6 ev (> Eg) transizioni indirette E I E G Valore + probabile Valor medio M.I.P. rilasciano: e- / 300 um Fluttuazioni di Landau Necessita di basso leakage Elettronica a basso rumore n 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 9

10 PLOT I-V 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 10

11 C-V C A e x d 1 V C 1/ C 2 V TD = tensione di svuotamento totale C D = Capacita di lavoro del rivelatore V TD 1pF / cm A 2 C D 33 pf / cm A d 300m d Se gli elettrodi sono suddivisi ci sono altri contributi alla capacita V 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 11

12 Formazione del segnale Il moto della carica induce sugli elettrodi + ++ q( t) 1 exp( t / e) Tempo di raccolta (85% della carica) V 0 d e 2e 10ns Il silicio e veloce! / 3 h e h e e 5k cm 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 12

13 Motivazioni scelte tecniche Silicio n-type 5 k cm: Disponibilita e costo Drogaggio n+: definisce la fine della zona svuotata e forma un buon contatto ohmico Drogaggio p+: per fare la giunzione Contatto Al: collegamento elettrico, Al facile da depositare e forma buon contatto Ossido SiO 2 : Passivazione evita che alla superficie del Si restino legami non chiusi che formano centri di intrappolamento e generazione 300 um: tecnologia elettronica OK ( um) 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 13

14 Primi rivelatori a strip L uso dei primi rivelatori a silicio e stato il trigger per lo sviluppo di rivelatori a strip 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 14

15 Primi rivelatori a strip L uso dei primi rivelatori a silicio e stato il trigger per lo sviluppo di rivelatori a strip 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 15

16 Primi rivelatori a strip L uso dei primi rivelatori a silicio e stato il trigger per lo sviluppo di rivelatori a strip (M.A.G/. Proc. Miniaturization of High Energy Physics Detectors Plenum Press) 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 16

17 Primi rivelatori a strip L uso dei primi rivelatori a silicio e stato il trigger per lo sviluppo di rivelatori a strip. Primo rivelatore a strip a barriera di superficie con divisione di carica..... First Pisa meeeting on advanced Detectors (Elba series).. (M.A.G/. Proc. Miniaturization of High Energy Physics Detectors Plenum Press) 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 17

18 Schema rivelatore a strip 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 18

19 Dal telescopio NA1 alla strip target E Silicon telescope 300mm pitch 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 19

20 Dal telescopio alla strip target E Ma perche non eliminare gli spazi inutili? Silicon telescope 300mm pitch 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 20

21 Dal telescopio alla strip target E Ma perche non eliminare gli spazi inutili? Silicon telescope 300mm pitch 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 21

22 Dal telescopio alla strip target E Ma perche non eliminare gli spazi inutili? Silicon telescope 300mm pitch E 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 22

23 Dal telescopio alla strip target E Ma perche non eliminare gli spazi inutili? Silicon telescope 300mm pitch E BUT. C e bisogno di un materiale a piu alta densita Ge 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 23

24 Dal telescopio alla strip target E Ma perche non eliminare gli spazi inutili? Silicon telescope 300mm pitch E BUT. Monolithic Ge Detector strip 25 m (50 m pitch) C e bisogno di un materiale a piu alta densita Ge 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 24

25 (1982) NA1 una migliore misura della vita media del charm 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 25

26 In vista di LEP Rivelatori a doppia faccia!! SLD -SLAC 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 26

27 Ma anche al Tevatron CDF 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 27

28 ALEPH 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 28

29 ALPEH VDET (the upgrade) 2 silicon layers, 40cm long, inner radius 6.3cm, outer radius 11cm 300m Silicon wafers giving thickness of only 0.015X 0 S/N rf = 28:1; z = 17:1 s rf = 12m; s z = 14m 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 29

30 Risoluzione sul parametro d impatto per tracce ricostruite con 2 hits nel rivelatore di vertice (ALEPH) s b 95m 25m p( GeV / c) 1 Senza hit in VDET tracce a 45 GeV/c sb 110m 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 30

31 Risoluzione sulla lunghezza di decadimento con e senza VDET (ALEPH) 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 31

32 LEP: Aleph started the game first, immediately followed by the others ALEPH VDETII DELPHI Si Tracker OPAL μvtx3 L3 SMD K.Österberg, Performance of the vertex detectors at LEP2, NIM A435 (1999) 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 32

33 Riassunto proprieta del Si Nel silicio puro E g =E c -E v =1.12 ev ed n i =1.45x10 10 cm -3 a temperatura ambiente. Nei silici drogati (n o p) anche compensati (n=nd-na) non si riesce a ridurre la densita di portatori al di sotto di cm -3 In un silicio di superficie 1cm 2 e spessore 300m abbiamo 4.5x10 8 portatori di carica, ma una particella al minimo (MIP) crea circa 2.4x10 4 coppie e-h S/N~10-4 impossibile vedere un segnale. Il controllo del leakage non e possibile con il drogaggio uniforme Si può migliorare la situazione raffreddando il silicio (non molto pratico) o svuotandolo (depleting) nella regione di svuotamento o di carica spaziale la densita di portatori liberi e molto ridotta 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 33

34 Fabrication Key to use of Si is the processing Photolithography Photoresist forms a layer a few microns thick in 30s Organic Photoresist usually spun on 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 34

35 Patterning Photoresist exposed using a mask Mask contains the design and is produced with e- beam lithography feature size down to 0.25microns Negative or Positive In the following slides negative process shown (yellow mask region exposed to light) 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 35

36 Etching Negative Process Chemical etch exposed part unaffected by etch 1 Dark photoresist protect the region underneath Exposed pattern may be removed later second etch 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 36

37 Example: Aluminium line Deposizione Alluminio Deposizione Fotoresist Esposizione pattern su fotoresist Rimozione: resist, Alluminio non ricoperto, resist residuo 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 37

38 Fabrication steps Nella fabbricazione del silicio utilizzato per rivelatori e fondamentale il controllo del livello di impurezze atomi/cm 3,drogaggio /cm 3 impurezze al di sotto di 1 parte in Normalmente il p + è più drogato dell n. Valori tipici di drogaggio sono: /cm 3 (n) e /cm 3 (p) (molto minori che nei circuiti integrati e diodi o transistor, nei quali la concentrazione è ~ 10 17(18) /cm 3 ) 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 38

39 Simple Strip Detector Oxide passivation Windows Doping B As Al Metallization Al patterning Rear Contact SiO 2 n+ p+ Al 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 39

40 2D strips Al Si 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 40

41 Risoluzione (90 0 ) Lettura digitale (SI/NO) Distribuzione uniforme nell area sottesa da una striscia s Probabilita di avere ( =x mis -x inc ), con illuminazione uniforme Divisione di carica con lettura analogica p 12 -P/2 pitch +P/2 2 p p / NF s Permette di avere S N buone 12 risoluzioni senza divergere con i canali di lettura 2 2 N F strisce flottanti pitch 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 41

42 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 42

43 Rivelatori a doppia faccia Si raccolgono sia buche che elettroni Minor materiale a parita di informazioni Maggiore complessita tecnica Maggior costo Non basta suddividere l elettrodo sul lato posteriore a causa dell accumulo di carica superficiale n n+ Soluzione sviluppata a Pisa ( 86): strip p+ per interrompere lo strato di accumulazione di e- che cortocircuiterebbe tutte le strip n+ p-stops 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 43

44 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 44

45 Applicazione per CPV. Es : Babar &Belle CPV in the interference decay-mixing: e f f q p m 0 e A A f f For example: decays to CP eigenstates t ( 4s) B B One B decays into CP state es: J/ Y Ks, the other aloows identification via flavour of being particle or antiparticle dg Asymmetric machine for large boost Time decay measurement Identification of flavour dt 0 0 P phys fcp dg dt Pphys fcp 0 P f dg dt P f f CP 0 dg dt phys CP phys f CP CP 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 45

46 Experimental ingredients: optimized for time dependent CP asymmetries - e bg (4S) = s + e Coherent BB pair t B 0 B 0 z bg z B tag 1 c B rec z Start the Clock K 0 K s Flavor Tagging Tag vertex reconstruction p J/Y p Exclusive B Meson and Vertex Reconstruction ERICE 29 August 7 September 2003 From Quarks Holes Marcello A. Giorgi 46

47 SVT Module / Layer: L 1-2 : 6 L 3 : 6 L 4A+B: L 5A+B: /25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 47

48 Trackers for the B-factories: the BaBar Silicon Vertex Tracker 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 48

49 B-factories primary goal: - Study of CP asymmetries in B decays (Branching Ratios ~ ) - Overconstrain CKM matrix parameters Physics Requirements Main SVT physics requirements: - SVT standalone tracking for p t < 120 MeV/c with high efficiency - Single vertex resolution along z-axis better than 80 m (<z> of B mesons about 250 m) - Radiation hard up to 2 Mrad 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 49

50 Performance hit resolution TDR target for perpendicular tracks p > 1 GeV: Layer m Layer m 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 50

51 Performance hit efficiency Hit efficiency is typically 98% Slow pion efficiency > 70% for p t >80 MeV/c 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 51

52 Performance de/dx Use pulse height measurements to determine ionization de/dx 2 s separation between kaon and pions up to momentum of 500 MeV/c and between kaons and protons up to 1 GeV/c Risultato : Misura di, b e g del triangolo di unitarieta 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 52

53 Great success of BaBar and Belle Sides and angles only angles 2 nd workshop on SuperB 16.03,2006 LNF Marcello A Giorgi 53

54 Now CDF :SVXII (double side as in the old report 1981) 10.6 cm 2.5 cm y x Note wedge symmetry 5 double sided layers Z 5 axial + 3 x 90 o, 2 x 1.2 o Very compact Tight alignment tolerances For the trigger Very symmetric 12 fold in F 6 barrels in Z 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 54

55 SVXII Ladders Layer 1 Quarter Ladder Jumper Silicon Sensors chips Hybrids (phi and z sides) SVXII Barrels 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 55

56 ISL Intermediate Silicon Layer One central ( h <1) layer Link tracks from COT to SVXII Two forward (1< h <2) layers (1.9 m long) Si-tracking in forward regions (COT stops at 1) Simpler design Not used on the trigger (relaxed alignment) Hybrids mounted OFF silicon A single double-sided silicon sensor flavour 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 56

57 ISL Construction 1.9 m 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 57

58 Rivelatore a silicio Run Ia Primo rivelatore di questo tipo ad un collider adronico Grosso contributo italiano 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 58

59 COT L1 tracking trigger Offline track XFT Efficiency curve: XFT cut at P T = 1.5 GeV/c XFT: L1 trigger on tracks full design resolution p T /p 2 T = 1.8% (GeV -1 ) f = 9 mrad 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 59

60 L2 SVT trigger 8 VME crates Find tracks in Si in 20 s with offline accuracy Online track impact param. s=48 m Secondary VerTex L2 trigger Online fit of primary Vtx Beam tilt aligned Observed D resolution 48 m (33 m beam spot transverse size) Efficiency 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 60

61 Example of b production event 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 61

62 Segnature per analisi del top Leptoni Elettroni Muoni Getti adronici Energia mancante B-tagging 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 62

63 Esempio di produzione di top Jet 1 MET Jet 2 Jet 3 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 63

64 (à la SLD) 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 64

65 (à la ATLAS) 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 65

66 Gatti& Rehak z 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 66

67 The 3-D device Promising future (Fnal, INFN:Bo,Pi,Pv,Ts) Co-axial detector Arrayed together Micron scale USE Latest MEM techniques Pixel device Readout each p+ column Strip device Connect columns together 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 67

68 Operation of 3D SiO 2 +ve -ve +ve -ve -ve -ve p + h + h + Bulk n E e - e - W 2D W 3D Carriers swept horizontally Travers short distance between electrodes E n + Equal detectors thickness W 2D >>W 3D +ve Carriers drift total thickness of material Proposed by S.Parker, Nucl. Instr. And Meth. A 395 pp (1997). 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 68

69 Advantages of 3D If electrodes are close Low full depletion bias Low collection distances Thickness NOT related to collection distance No charge spreading Fast charge sweep out 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 69

70 CMOS MAPS Use epitaxial layer of CMOS low-resistivity substrate to collect charge (thermal diffusion) Potential for low cost and very small thickness (reduced substrate). Radiation hard if using sub-micron CMOS process Promising future : many groups: Strasbourg, RAL, (INFN:Bo,Pi,Pv,Ts)+ Low power-consumption (circuitry active only during read-out) Until now: miniscule pixel size (a few um) prevents usage in large system 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 70

71 The trackers were also upgraded during the lifetime of the experiments detectors (all s-s) 288 detectors (all s-s) 288 detectors (96 s-s, 192 d-s) readout channels readout channels readout channels From A. Zalewska 888 detectors, readout channels: 736 strip detectors with readout channels pixels 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 71

72 The trackers were also upgraded during the lifetime of the experiments detectors (all s-s) 288 detectors (all s-s) 288 detectors (96 s-s, 192 d-s) readout channels readout channels readout channels From A. Zalewska 888 detectors, readout channels: 736 strip detectors with readout channels pixels 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 72

73 The trackers were also upgraded during the lifetime of the experiments detectors (all s-s) 288 detectors (all s-s) 288 detectors (96 s-s, 192 d-s) readout channels readout channels readout channels From A. Zalewska 888 detectors, readout channels: 736 strip detectors with readout channels pixels 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 73

74 Large Silicon Detector Systems. LEP Tevatron LHC Whoops P.Collins, ICHEP /25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 74

75 Back Up 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 75

76 Fabrication Tricks for low leakage currents low temperature processing simple, cheap marginal activation of implants, can t use IC tech gettering very effective at removal of contaminants complex 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 76

77 V Sorgenti di rumore R Schema di lettura Det C D I L P peaking time Shot Noise ENC I L q P Andamento con p Thermal Noise ENC kt R P Preamplifier Noise ENC a b b 1 P 10 30e / pf 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 77 C D

78 Perche il silicio per la tracciatura? Permette elevata segmentazione e precisione di pochi um sul punto Alta velocita (raccolta di carica in ~10 ns) Bassa energia (3.6 ev) per creare coppia elettrone- lacuna (~30 ev gas) Alta densita e numero atomico: g / cm de/ dxmin 1.66MeV / g cm rilascio di energia in 300 um di Si ~ e-h Solido e compatto 2 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 78

79 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 79

80 Densita di portatori in semiconduttori drogati Legge di azione di massa sempre valida n p=n i 2 Livello di Fermi nei semiconduttori drogati si sposta verso Ec(conduction) (tipo n) o verso Ev (valence) (tipo p): n=ni exp[(e F -Ei)/kT] p=ni exp[(ei-e F )/kt] con Ei livello di Fermi intrinseco a meta del gap tra bande val. Conduz. Assunzioni: Semiconduttori tipo n: Livelli donori tutti ionizzati n=n D =portatori maggioritari n=elettroni in b. conduzione, N D =densita di drogante donore Densita di lacune (portatori di minoranza) p=n i2 /N D Semiconduttori tipo p: Livelli accettori tutti occupati p=n A =portatori maggioritari p=lacune in b. valenza, N A =densita di drogante accettore Densita di elettroni (portatori di minoranza) n=n i2 / N A 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 80

81 Riassunto proprieta del Si Nel silicio puro E g =E c -E v =1.12 ev ed n i =1.45x10 10 cm -3 a temperatura ambiente. Nei silici drogati (n o p) anche compensati (n=nd-na) non si riesce a ridurre la densita di portatori al di sotto di cm -3 In un silicio di superficie 1cm 2 e spessore 300m abbiamo 4.5x10 8 portatori di carica, ma una particella al minimo (MIP) crea circa 2.4x10 4 coppie e-h S/N~10-4 impossibile vedere un segnale. Il controllo del leakage non e possibile con il drogaggio uniforme Si può migliorare la situazione raffreddando il silicio (non molto pratico) o svuotandolo (depleting) nella regione di svuotamento o di carica spaziale la densita di portatori liberi e molto ridotta 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 81

82 The timescale of evolution H. Sadrozinski, Application of Silicon Detectors, IEEE Trans NS-48, nr. 4 (2001), 933 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 82

83 Gli elettroni diffondono nel p, le lacune nell n si crea una differenza di potenziale la diffusione si ferma Regione di svuotamento non ci sono portatori di carica liberi. Nessuna carica libera nella regione di svuotamento (A. Peisert, Instrumentation In High Energy Physics, World Scientific) 2/25/2010 M.A.Giorgi Villa Gualino 83