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

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）

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)

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。

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。

サンプル・測定項目

測定項目① I-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

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

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。

Read out

Bias ・ IV ・CV

sample

I-V ・ C-V 測定　測定方法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。

今回は、 60℃ 、 80 分のアニ－ル後の測定結果

f=1kHz

Bias ring

Vbias = 0 ～－ 1000V

温度－ 20℃

暗電流 @ － 20℃

100 x 1013 n/cm2

60 x 1013

20 x 1013

1 x 1013

0.1 x 1013

proton neutron100 x 1013 n/cm2

50 x 1013

20 x 1013

表面状態の変化による暗電流の増加が 1012 n/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。

non irrad

暗電流 @ － 20℃

4x10-17 A/cm x 1015 n/cm2 x 　　 0.03 cm3 　　 x 　　　　　 0.018 　　　　 = 22A( 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。

予想値

C-V 測定

全空乏化電圧の評価

(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 )

1/C2 はバイアス電圧に比例し、全空乏化後は一定になる。

収集電荷量は空乏層の厚さ d に比例。d2 V∝ Bias 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。

β 測定

Full Depletion Voltage

(Cbulk=εS/d)

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)

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

700V1000V

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。

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

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。

センサー

Sr90Sr90

シンチ

0.5mm0.5mm

アブソーバー

ch1

この領域に入った信号を解析に用いた。

ch2

ch3

ch4

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

シグナル

アルミ 1mm

5x5mm

－ 500V 1e12 n/cm2

ch2+ch3

CC-V 曲線proton neutron

Non irrad2050100 　ｘ 1013 n/cm2

Non irrad0.1102050100 　ｘ 1013 n/cm2

Non irrad2050100 　ｘ 1013 n/cm2

実線： p点線： n

proton & neutron

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。

700V 1000V

(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。

300V 600V200V 800V500V

電荷収集効率

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

－ 500V

S/N>10 S/N>10

－ 800V

全空乏化電圧の評価

(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 )

1/C2 はバイアス電圧に比例し、全空乏化後は一定になる。

収集電荷量は空乏層の厚さ d に比例。d2 V∝ Bias 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。

β 測定

Full Depletion Voltage

(Cbulk=εS/d)

C-V 測定

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。