1. Michael Moll CERN - Geneva - Switzerland
EPFL – LPHE, Lausanne, January 29, 2007
Radiation Tolerant Sensors for Solid State Tracking Detectors
- CERN-RD50 project –
Michael Moll CERN - Geneva - Switzerland
Bonjour tout le monde.
Premièrement j'aime vous remercier de l'invitation.
Deuxièmement j'aime dire que je suis désolé pour mon Français
Si vous pensez à un moment qui mon Français est trop mauvais, je m'arrêterai et continuerai en anglais.
Cependant, je voudrais vraiment essayer de donner cette présentation en français
Alors je commence:
Aujourd'hui je voudrais parler au sujet du développement des détecteurs de semi-conducteur pour le futurs générations de collisionneurs avec de très haute luminosité
….et en particulier au sujet des développements pour le remise a niveau (upgrade) du LHC (le Grand Collisionneur Hadronique), le Super LHC.
..la plus grande partie des développements que je vais présenter
.. ont été effectuées par la collaboration CERN-RD50

2. Outline Introduction: LHC and LHC experiment
Motivation to develop radiation harder detectors
Introduction to the RD50 collaboration
Part I: Radiation Damage in Silicon Detectors (A very brief review)
Microscopic defects (changes in bulk material)
Macroscopic damage (changes in detector properties)
Part II: RD50 - Approaches to obtain radiation hard sensors
Material Engineering
Device Engineering
Summary and preliminary conclusion
Je commence ma présentation avec la table des matières:
La première chose que je vais vous présenter est pourquoi nous avons besoin de nouveaux détecteurs: Qu’elle est la motivation de développer de nouveaux détecteurs résistantes au rayonnement intense?
En suite je vais présenter la collaboration CERN-RD50 qui travaille sur ce sujet.
En suite je vais vous donnez une brève revue au sujet des dommages du rayonnement dans les détecteurs au silicium
Je vais commencer par les défauts microscopiques dans le cristal de silicium qui sont produit pendant l'irradiation. La production, la formation et les techniques de mesure des défauts microscopiques. Leur influence sur l'opération des détecteurs
Je vais parler des dommages macroscopiques qui (comme je le disais auparavant) sont provoqué par les dommages microscopiques: les dommages macroscopiques sont: (1) changement de la concentration effective de dopants (changement de la tension de désertion) (2) augmentation du courrant inverse (Ce qui provoque une augmentation du bruit) (3) perte des charges collectées
En suite je vais parler de approches de RD50 pour développer des détecteurs résistant aux rayonnements: comme le « material and device engineering »cela veut dire :
on change la concentration des impuretés dans le cristal (par exemple en augmente la concentration en oxygène)
on change la conception du détecteur (par exemple on construit des détecteurs 3D)
À la fin je vais donner un récapitulatif et la conclusion.
Michael Moll – Lausanne, 29. January

3. LHC - Large Hadron Collider
Start : 2007
Installation in existing LEP tunnel
27 Km ring
1232 dipoles B=8.3T
 4000 MCHF (machine+experiments)
pp s = 14 TeV Ldesign = 1034 cm-2 s-1
Heavy ions (e.g. Pb-Pb at s ~ 1000 TeV) p
27 Km
LHC experiments located at 4 interaction points
Michael Moll – Lausanne, 29. January

4. LHC Experiments CMS + LHCf
Michael Moll – Lausanne, 29. January

5. LHC Experiments
LHCf
CMS
Michael Moll – Lausanne, 29. January

6. LHC example: CMS inner tracker
Outer Barrel (TOB)
Inner Barrel (TIB)
End Cap (TEC)
Inner Disks (TID)
Pixel
93 cm
30 cm
Pixel Detector
Total weight
12500 t
Diameter
15m
Length
21.6m
Magnetic field
4 T
CMS – “Currently the Most Silicon”
Micro Strip:
~ 214 m2 of silicon strip sensors, million strips
Pixel:
Inner 3 layers: silicon pixels (~ 1m2)
66 million pixels (100x150mm)
Precision: σ(rφ) ~ σ(z) ~ 15mm
Most challenging operating environments (LHC)
Michael Moll – Lausanne, 29. January

7. CMS Tracker Outer Barrel
Status December 2006
LHC Silicon Trackers close to or under commissioning
CMS Tracker (12/2006) (foreseen: June 2007 into the pit)
ATLAS Silicon Tracker (08/2006) August 2006 – installed in ATLAS
CMS Tracker Outer Barrel
Michael Moll – Lausanne, 29. January

8. Motivation for R&D on Radiation Tolerant Detectors: Super - LHC
LHC upgrade LHC (2007), L = 1034cm-2s f(r=4cm) ~ 3·1015cm-2
Super-LHC (2015 ?), L = 1035cm-2s f(r=4cm) ~ 1.6·1016cm-2
LHC (Replacement of components) e.g. - LHCb Velo detectors (~2010) ATLAS Pixel B-layer (~2012)
Linear collider experiments (generic R&D) Deep understanding of radiation damage will be fruitful for linear collider experiments where high doses of e, g will play a significant role.
10 years
500 fb-1
 5
5 years
2500 fb-1
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9. The CERN RD50 Collaboration http://www.cern.ch/rd50
RD50: Development of Radiation Hard Semiconductor Devices for High Luminosity Colliders
Collaboration formed in November 2001
Experiment approved as RD50 by CERN in June 2002
Main objective:
Development of ultra-radiation hard semiconductor detectors for the luminosity upgrade of the LHC to 1035 cm-2s-1 (“Super-LHC”).
Challenges: - Radiation hardness up to 1016 cm-2 required Fast signal collection (Going from 25ns to 10 ns bunch crossing ?) - Low mass (reducing multiple scattering close to interaction point) - Cost effectiveness (big surfaces have to be covered with detectors!)
Presently 264 members from 52 institutes
Belarus (Minsk), Belgium (Louvain), Canada (Montreal), Czech Republic (Prague (3x)), Finland (Helsinki, Lappeenranta), Germany (Berlin, Dortmund, Erfurt, Freiburg, Hamburg, Karlsruhe), Israel (Tel Aviv), Italy (Bari, Bologna, Florence, Padova, Perugia, Pisa, Trento, Turin), Lithuania (Vilnius), The Netherlands (Amsterdam), Norway (Oslo (2x)), Poland (Warsaw (2x)), Romania (Bucharest (2x)), Russia (Moscow), St.Petersburg), Slovenia (Ljubljana), Spain (Barcelona, Valencia), Switzerland (CERN, PSI), Ukraine (Kiev), United Kingdom (Diamond, Exeter, Glasgow, Lancaster, Liverpool, Sheffield), USA (Fermilab, Purdue University, Rochester University, SCIPP Santa Cruz, Syracuse University, BNL, University of New Mexico)
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10. Outline
Motivation to develop radiation harder detectors
Introduction to the RD50 collaboration
Part I: Radiation Damage in Silicon Detectors (A very brief review)
Microscopic defects (changes in bulk material)
Macroscopic damage (changes in detector properties)
Part II: RD50 - Approaches to obtain radiation hard sensors
Material Engineering
Device Engineering
Summary and preliminary conclusion
Je commence ma présentation avec la table des matières:
La première chose que je vais vous présenter est pourquoi nous avons besoin de nouveaux détecteurs: Qu’elle est la motivation de développer de nouveaux détecteurs résistantes au rayonnement intense?
En suite je vais présenter la collaboration CERN-RD50 qui travaille sur ce sujet.
En suite je vais vous donnez une brève revue au sujet des dommages du rayonnement dans les détecteurs au silicium
Je vais commencer par les défauts microscopiques dans le cristal de silicium qui sont produit pendant l'irradiation. La production, la formation et les techniques de mesure des défauts microscopiques. Leur influence sur l'opération des détecteurs
Je vais parler des dommages macroscopiques qui (comme je le disais auparavant) sont provoqué par les dommages microscopiques: les dommages macroscopiques sont: (1) changement de la concentration effective de dopants (changement de la tension de désertion) (2) augmentation du courrant inverse (Ce qui provoque une augmentation du bruit) (3) perte des charges collectées
En suite je vais parler de approches de RD50 pour développer des détecteurs résistant aux rayonnements: comme le « material and device engineering »cela veut dire :
on change la concentration des impuretés dans le cristal (par exemple en augmente la concentration en oxygène)
on change la conception du détecteur (par exemple on construit des détecteurs 3D)
À la fin je vais donner un récapitulatif et la conclusion.
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11. Radiation Damage – Microscopic EffectsV
Spatial distribution of vacancies created by a 50 keV Si-ion in silicon (typical recoil energy for 1 MeV neutrons)
van Lint 1980
M.Huhtinen 2001
Sur ce transparent une figure simplifiée des dommages microscopiques du rayonnement est montrée.
la figure représente une partie du cristal de silicium  environ 600 Angstroem par 600 Angstroem
Ici, une particule rapide (par exemple un neutron avec de une énergie de 1 MeV) frappe un atome de silicium de cristal de silicium.
les simulations nous indiquent que l'énergie cinétique moyenne donnée à l'atome de silicium est de 50 kev
l'atome, qui a été frappé, ensuite traverse  le cristal et produit d'autres dommages (d'autres déplacements d’atomes)
Un atome qui est déplacé de son endroit de mailles s'appelle un interstitiel (I)
le trou qui rester dans le mailles s'appelle un vacancy (V) 
Ce sont des défaut ponctuelles
si les ions de silicium ont une énergie plus grande que 5 kev ils peuvent également produire des clusters
ceci se produit souvent à l'extrémité de la voie
un cluster est un espace où beaucoup d'atomes sont déplacés dans un petit volume
il y a beaucoup de dommages dans ce petit volume du cristal
le vacancy  et l’interstitiel, tout les deux sont mobiles dans le mailles du cristal,
ils migrent jusqu'à ce qu'ils trouvent des impuretés et forment des défauts (par exemple une vacancy et un atome d'oxygène forment un défaut de Vo
il y a une bonne concordance entre la figure simplifiée ici et une simulation représentée a droite
particle
SiS
Vacancy Interstitial
point defects (V-O, C-O, .. )
point defects and clusters of defects
EK>25 eV
EK > 5 keV V I
Michael Moll – Lausanne, 29. January

12. Radiation Damage – Microscopic Effects
particle
SiS
Vacancy Interstitial
point defects (V-O, C-O, .. )
point defects and clusters of defects
EK>25 eV
EK > 5 keV V I
Neutrons (elastic scattering)
En > 185 eV for displacement
En > 35 keV for cluster
60Co-gammas
Compton Electrons with max. E 1 MeV (no cluster production)
Electrons
Ee > 255 keV for displacement
Ee > 8 MeV for cluster
Only point defects point defects & clusters Mainly clusters
10 MeV protons GeV/c protons MeV neutrons
Simulation:
Initial distribution of vacancies in (1m)3 after 1014 particles/cm2
[Mika Huhtinen NIMA 491(2002) 194]
Quelle est la différence entre des irradiations avec différentes particules ?
nous avons vu qu'une énergie de 25 eV est nécessaire pour produire un défaut ponctuelle et 5 kev pour former un cluster
une irradiation avec les rayons gamma ne peut pas produire le clusters parce qu’ils produisent des électrons de Compton avec une énergie maximum de 1 MeV. Les électrons avec une énergie de 1 mev peuvent seulement produire des défauts ponctuelles
…..
La différence entre les différentes particules est visualisée dans cette simulation
nous regardons un volume de 1 micromètre Cubique après des irradiations avec différentes particules d'une fluence de 10e14 p/cm2
distribution homogène des trous
Michael Moll – Lausanne, 29. January

13. Primary Damage and secondary defect formation
Two basic defects I - Silicon Interstitial V - Vacancy
Primary defect generation I, I2 higher order I (?)  I -CLUSTER (?) V, V2, higher order V (?)  V -CLUSTER (?)
Secondary defect generation Main impurities in silicon: Carbon (Cs) Oxygen (Oi) I+Cs  Ci  Ci+Cs  CiCS Ci+Oi  CiOi Ci+Ps  CiPS V+V  V2 V+V2  V3 V+Oi  VOi  V+VOi  V2Oi V+Ps  VPs I+V2  V I+VOi  Oi I V
Damage?!
J'ai déjà parlé des deux principaux défauts ponctuelles, l'interstitiel et de vacancy. Mais il y a également l'autre défaut intrinsèque qui sont formés pendant les premières picosecondes après l'irradiation. Ce sont les défauts dans les clusters qui se composent également de V et de I mais d'une manière plus complexe (par exemple le V2 - un défaut composé de deux V)nous savons que les clusters donnent des dommages macroscopiques au détecteur. Un résultat des notre expériences d’irradiation avec des neutrons
il y a également des défauts secondaires. Quelques défauts ponctuelle s'échappent de la région de dommages; ils migres dans le cristal jusqu'à ce qu'ils trouvent les impuretés ou les défauts avec lesquels ils peuvent faire une recombinaison; les impuretés les plus fréquentes dans le silicium sont l'oxygène et le carbone; ce qui peut se produire est qu'un I rencontre un atome de carbone; le I remplacera le carbone dans la mailles- et alors- le carbone devient mobile et commence a migrer dans le cristal - là il peut réagir avec d'autres impuretés comme indiqué ici;le V peut réagir de la même manière
phosphore – dopage
un défaut ponctuelle que nous avons identifié mauvais pour le détecteur est le VVO - deux v et un atomes d'oxygène - un défaut qui a une position au milieu de la bande interdite du semi-conducteur
Damage?! (“V2O-model”)
Michael Moll – Lausanne, 29. January

14. Example of defect spectroscopy - neutron irradiated -
Deep Level Transient Spectroscopy
Introduction Rates
Nt/eq:
Ci : 1.55 cm-1
CiCs : CiOi :
0.40 cm cm-1
J'ai montré beaucoup de réaction de défaut. Vous pourriez demander s'il est possible de voir ces réactions en réalité et je peux vous dire qu'il est possible d'observer certaines de ces réactions .
sur ce graphique vous voyez un spectre de dlts. le signal est dessine par rapport a la température . Le signal pour les défauts qui capturent les électrons est positif; le signal pour les défauts qui capturent les trous est négatif; les signaux à basses températures correspondent aux défauts qui sont près de la bande de conduction ou de la bande de valence du semi-conducteur; les signaux à températures élevées correspondent aux défauts qui sont près du milieu de la bande interdite. l'évolution des spectres de dlts à 20C est montrée de 60 minutes à 170 jours après irradiation. il commence par la ligne bleue a 60minutes et arrive à la ligne rouge après 170 jours. ce que vous pouvez voir est que la crête (le pic) correspondant à l'interstitiel de carbone diminue avec le temps ; en même temps deux nouvelles crêtes se développent; ils correspondent aux défauts Carbone-Carbone et Carbone-Oxygène; analysant les spectres nous pouvons mesurer combien d’interstitiel de carbone est produit et combien de carbone interstitiel entre dans les deux défauts cc et Co;
Ces resultats sont très intéressants et aident à comprendre ce que les dommages du rayonnement font au matériel cependant, bien que ce soient les défauts les plus fréquents après irradiation, ils ne sont pas les plus importants
les défauts qui déterminent les propriétés macroscopiques du détecteur ont de plus petites concentrations et sont cachés le plus probablement au-dessous de un de ces grands défauts.
example : eq = 11014 cm-2
defects  11014 cm-3 space charge  51012cm-3
Introduction rates of main defects  1 cm-1
Introduction rate of negative space charge  0.05 cm-1
Michael Moll – Lausanne, 29. January

15. Impact of Defects on Detector properties
Inter-center charge transfer model (inside clusters only)
Shockley-Read-Hall statistics (standard theory)
charged defects  Neff , Vdep e.g. donors in upper and acceptors in lower half of band gap
Trapping (e and h)  CCE shallow defects do not contribute at room temperature due to fast detrapping
generation  leakage current Levels close to midgap most effective
enhanced generation  leakage current  space charge
Quelles sont les impact des défauts sur les propriétés du détecteur ?
les défauts sont les niveaux dans la bande interdite du semi-conducteur (situé entre la bande de valence et la bande de conduction)
ils peuvent être chargés et changer la tension de désertion / la concentration effective de dopage
ils peuvent attraper des porteurs de charge -- ce qui mène à une réduction du signal. Les défauts peut profonds ne signifient aucun mal dans ce sens puisqu'ils libèrent la charge très rapidement
ils peuvent produire un courant de fuite; ce sont les défauts au milieu de la bande interdite, qui sont les plus efficace dans ce sens; ils émettent un trou et après un électron
ont a proposé qu'il y ait un mécanisme spécial à l'intérieur des cluster qui peuvent produire des charger des défauts et le courant de fuite; mais ce mécanisme doit toujours être vérifié et est seulement une hypothèse
on peut calculer la charge et le courant de fuite si on sait les paramètres suivant
les cross section pour les électrons et les trous
l'énergie pour l'ionisation (la position énergétique dans la bande interdite) et – bien sur la concentration des défauts
Impact on detector properties can be calculated if all defect parameters are known: n,p : cross sections E : ionization energy Nt : concentration
Michael Moll – Lausanne, 29. January

16. Reverse biased abrupt p+-n junction
Positive space charge, Neff =[P] (ionized Phosphorus atoms)
Poisson’s equation
Electrical charge density
Electrical field strength
Electron potential energy
Full charge collection only for VB>Vdep !
depletion voltage
Maintenant un transparent pour ceux qui ne sont pas des experts. Il explique ce que c'est la tension de désertion totale.
Tout commence par l'équation de Poisson; ce qui fait un lien entre le potentiel électrique et la concentration effective de dopage. Dans le détecteur non irradie le concentration effective de dopage est équivalent à la concentration en phosphore.
Si vous résolvez l'équation de Poisson vous obtenez la distribution du potentiel électrique et la distribution du champ électrique. Si vous appliquez une certaine tension vous obtenez une certaine profondeur de désertion. Il y a une région avec le champ électrique et une région sans champ électrique. la région avec le champ électrique est déserte des porteurs libres de charge, mais la région sans champ électrique n'est pas déserte des porteurs libres de charge. Si un MIP (particule au minimum de ionisation) croise le détecteur il crée des paires électron - trou. Dans la région déserte le électron et le trou sont séparées par le champ électrique et ils donnent un signal en dehors du détecteur. Dans la région non déserte le électron et le trou sont séparées par le champ électrique et ils donnent pas un signal en dehors du détecteur. Donc, pour obtenir un signal de tous des paires électron - trou vous en a besoin de déserte tout le volume de détecteur. Alors, vous devez appliquer une tension qui est assez haut pour avoir un champ électrique dans tout le détecteur. cette tension est la tension de tension de désertion totale. Il est directement proportionnel au concentration effective de dopage et il est proportionnel à l'épaisseur de détecteur carrée
région de charge spatiale
effective space charge density
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17. Macroscopic Effects – I. Depletion Voltage
Change of Depletion Voltage Vdep (Neff) …. with particle fluence:
• Short term: “Beneficial annealing” • Long term: “Reverse annealing” - time constant depends on temperature: ~ 500 years (-10°C) ~ 500 days ( 20°C) ~ 21 hours ( 60°C) - Consequence: Detectors must be cooled even when the experiment is not running!
…. with time (annealing):
• “Type inversion”: Neff changes from positive to negative (Space Charge Sign Inversion)
sur l’axe x ..il diminue ..il augmente avant derrière composants court terme à long terme
région de charge spatiale
before inversion p+ n+ p+ n+
after inversion
Michael Moll – Lausanne, 29. January

18. Radiation Damage – II. Leakage Current
Change of Leakage Current (after hadron irradiation) …. with particle fluence:
Leakage current decreasing in time (depending on temperature)
Strong temperature dependence
Consequence: Cool detectors during operation! Example: I(-10°C) ~1/16 I(20°C)
80 min 60C
…. with time (annealing):
80 min 60C
Damage parameter  (slope in figure) Leakage current per unit volume and particle fluence
 is constant over several orders of fluence and independent of impurity concentration in Si  can be used for fluence measurement
pente - ordres de grandeur - dosimètre
Michael Moll – Lausanne, 29. January

19. Radiation Damage – III. CCE (Trapping)
Deterioration of Charge Collection Efficiency (CCE) by trapping
Trapping is characterized by an effective trapping time eff for electrons and holes:
where
Increase of inverse trapping time (1/) with fluence
….. and change with time (annealing):
efficacité de collection de charge influencé par deux mécanisme
piégeage – porteurs de charge sont pièges par les défaut profond
déficit de collection de charge augmente en fonction de la fluence
Michael Moll – Lausanne, 29. January

20. Summary: Radiation Damage in Silicon Sensors
Two general types of radiation damage to the detector materials:
 Bulk (Crystal) damage due to Non Ionizing Energy Loss (NIEL) displacement damage, built up of crystal defects –
Change of effective doping concentration (higher depletion voltage, under- depletion)
Increase of leakage current (increase of shot noise, thermal runaway)
Increase of charge carrier trapping (loss of charge)
 Surface damage due to Ionizing Energy Loss (IEL) accumulation of positive in the oxide (SiO2) and the Si/SiO2 interface – affects: interstrip capacitance (noise factor), breakdown behavior, …
Impact on detector performance and Charge Collection Efficiency (depending on detector type and geometry and readout electronics!) Signal/noise ratio is the quantity to watch
 Sensors can fail from radiation damage !
Same for all tested Silicon materials!
Influenced by impurities in Si – Defect Engineering is possible!
efficacité de collection de charge influencé par deux mécanisme
piégeage – porteurs de charge sont pièges par les défaut profond
déficit de collection de charge augmente en fonction de la fluence
Can be optimized!
Michael Moll – Lausanne, 29. January

21. Outline Part II: RD50 - Approaches to obtain radiation hard sensors
Motivation to develop radiation harder detectors
Introduction to the RD50 collaboration
Part I: Radiation Damage in Silicon Detectors (A very brief review)
Microscopic defects (changes in bulk material)
Macroscopic damage (changes in detector properties)
Part II: RD50 - Approaches to obtain radiation hard sensors
Material Engineering
Device Engineering
Summary and preliminary conclusion
Je commence ma présentation avec la table des matières:
La première chose que je vais vous présenter est pourquoi nous avons besoin de nouveaux détecteurs: Qu’elle est la motivation de développer de nouveaux détecteurs résistantes au rayonnement intense?
En suite je vais présenter la collaboration CERN-RD50 qui travaille sur ce sujet.
En suite je vais vous donnez une brève revue au sujet des dommages du rayonnement dans les détecteurs au silicium
Je vais commencer par les défauts microscopiques dans le cristal de silicium qui sont produit pendant l'irradiation. La production, la formation et les techniques de mesure des défauts microscopiques. Leur influence sur l'opération des détecteurs
Je vais parler des dommages macroscopiques qui (comme je le disais auparavant) sont provoqué par les dommages microscopiques: les dommages macroscopiques sont: (1) changement de la concentration effective de dopants (changement de la tension de désertion) (2) augmentation du courrant inverse (Ce qui provoque une augmentation du bruit) (3) perte des charges collectées
En suite je vais parler de approches de RD50 pour développer des détecteurs résistant aux rayonnements: comme le « material and device engineering »cela veut dire :
on change la concentration des impuretés dans le cristal (par exemple en augmente la concentration en oxygène)
on change la conception du détecteur (par exemple on construit des détecteurs 3D)
À la fin je vais donner un récapitulatif et la conclusion.
Michael Moll – Lausanne, 29. January

22. Approaches of RD50 to develop radiation harder tracking detectors
Defect Engineering of Silicon
Understanding radiation damage
Macroscopic effects and Microscopic defects
Simulation of defect properties and defect kinetics
Irradiation with different particles at different energies
Oxygen rich silicon
DOFZ, Cz, MCZ, EPI
Oxygen dimer enriched silicon
Hydrogen enriched silicon
Pre-irradiated silicon
Influence of processing technology
New Materials
Silicon Carbide (SiC), Gallium Nitride (GaN)
Diamond: CERN RD42 Collaboration
Device Engineering (New Detector Designs)
p-type silicon detectors (n-in-p)
Thin detectors
3D and Semi 3D detectors
Cost effective detectors
Simulation of highly irradiated detectors
Scientific strategies:
Material engineering
Device engineering
Variation of detector operational conditions
CERN-RD39 “Cryogenic Tracking Detectors”
Michael Moll – Lausanne, 29. January

23. Defect Engineering of Silicon
Influence the defect kinetics by incorporation of impurities or defects
Best example: Oxygen Initial idea: Incorporate Oxygen to getter radiation-induced vacancies  prevent formation of Di-vacancy (V2) related deep acceptor levels Observation: Higher oxygen content  less negative space charge (less charged acceptors)
One possible mechanism: V2O is a deep acceptor O VO (not harmful at room temperature) V VO V2O (negative space charge)
V2O(?) Ec EV VO
V2 in clusters
aussi grand source
Michael Moll – Lausanne, 29. January

24. Spectacular Improvement of g-irradiation tolerance
Leakage increase not linear and depending on oxygen concentration
Leakage Current
Depletion Voltage
No type inversion for oxygen enriched silicon!
Slight increase of positive space charge (due to Thermal Donor generation?)
augmentation pas linéaire
[E.Fretwurst et al. 1st RD50 Workshop] See also: - Z.Li et al. [NIMA461(2001)126] - Z.Li et al. [1st RD50 Workshop]
Michael Moll – Lausanne, 29. January

25. Characterization of microscopic defects - g and proton irradiated silicon detectors -
2003: Major breakthrough on g-irradiated samples
For the first time macroscopic changes of the depletion voltage and leakage current can be explained by electrical properties of measured defects !
since 2004: Big steps in understanding the improved radiation tolerance of oxygen enriched and epitaxial silicon after proton irradiation
[APL, 82, 2169, March 2003]
[I.Pintilie, RESMDD, Oct.2004]
Levels responsible for depletion voltage changes after proton irradiation:
Almost independent of oxygen content:
Donor removal
“Cluster damage”  negative charge Influenced by initial oxygen content:
I–defect: deep acceptor level at EC-0.54eV (good candidate for the V2O defect)  negative charge Influenced by initial oxygen dimer content (?):
BD-defect: bistable shallow thermal donor (formed via oxygen dimers O2i)  positive charge
I-defect
BD-defect
Michael Moll – Lausanne, 29. January

26. Oxygen enriched silicon – DOFZ - proton irradiation -
DOFZ (Diffusion Oxygenated Float Zone Silicon)
1982 First oxygen diffusion tests on FZ [Brotherton et al. J.Appl.Phys.,Vol.53, No.8.,5720]
1995 First tests on detector grade silicon [Z.Li et al. IEEE TNS Vol.42,No.4,219]
1999 Introduced to the HEP community by RD48 (ROSE)
ROSE RD48
Later systematic tests reveal strong variations with no clear dependence on oxygen content
First tests in 1999 show clear advantage of oxygenation
However, only non-oxygenated diodes show a “bad” behavior.
[RD48-NIMA 465(2001) 60]
Michael Moll – Lausanne, 29. January

27. Silicon Growth Processes
Floating Zone Silicon (FZ)
Czochralski Silicon (CZ)
The growth method used by the IC industry.
Difficult to produce very high resistivity
Single crystal silicon
Poly silicon
RF Heating coil
Float Zone Growth
Czochralski Growth
Epitaxial Silicon (EPI)
Chemical-Vapor Deposition (CVD) of Si
up to 150 mm thick layers produced
growth rate about 1mm/min
Basically all silicon detectors made out of high resistivety FZ silicon
Michael Moll – Lausanne, 29. January

28. Oxygen concentration in FZ, CZ and EPI
Epitaxial silicon
DOFZ and CZ silicon
EPI layer
DOFZ: inhomogeneous oxygen distribution
DOFZ: oxygen content increasing with time at high temperature
CZ substrate
CZ: high Oi (oxygen) and O2i (oxygen dimer) concentration (homogeneous)
CZ: formation of Thermal Donors possible !
[G.Lindström et al.,10th European Symposium on Semiconductor Detectors, June 2005]
diffusion surface
EPI: Oi and O2i (?) diffusion from substrate into epi-layer during production
EPI: in-homogeneous oxygen distribution
Michael Moll – Lausanne, 29. January

29. Silicon Materials under Investigation by RD50
standard for particle detectors
Material
Symbol
 (cm)
[Oi] (cm-3)
Standard FZ (n- and p-type) FZ
1–710 3
< 51016
Diffusion oxygenated FZ (n- and p-type)
DOFZ
~ 1–21017
Magnetic Czochralski Si, Okmetic, Finland (n- and p-type)
MCz
~ 110 3
~ 51017
Czochralski Si, Sumitomo, Japan (n-type) Cz
~ 8-91017
Epitaxial layers on Cz-substrates, ITME, Poland (n- and p-type, 25, 50, 75, 150 mm thick)
EPI
50 – 400
< 11017
Diffusion oxygenated Epitaxial layers on CZ
EPI–DO
50 – 100
~ 71017
used for LHC Pixel detectors
“new” material
DOFZ silicon - Enriched with oxygen on wafer level, inhomogeneous distribution of oxygen
CZ/MCZ silicon - high Oi (oxygen) and O2i (oxygen dimer) concentration (homogeneous) - formation of shallow Thermal Donors possible
Epi silicon - high Oi , O2i content due to out-diffusion from the CZ substrate (inhomogeneous) - thin layers: high doping possible (low starting resistivity)
Epi-Do silicon - as EPI, however additional Oi diffused reaching homogeneous Oi content
Michael Moll – Lausanne, 29. January

30. Standard FZ, DOFZ, Cz and MCz Silicon
24 GeV/c proton irradiation
Standard FZ silicon
type inversion at ~ 21013 p/cm2
strong Neff increase at high fluence
Oxygenated FZ (DOFZ)
reduced Neff increase at high fluence
CZ silicon and MCZ silicon
no type inversion in the overall fluence range (verified by TCT measurements) (verified for CZ silicon by TCT measurements, preliminary result for MCZ silicon)  donor generation overcompensates acceptor generation in high fluence range
Common to all materials (after hadron irradiation):
reverse current increase
increase of trapping (electrons and holes) within ~ 20%
Michael Moll – Lausanne, 29. January

31. EPI Devices – Irradiation experiments
Epitaxial silicon
Layer thickness: 25, 50, 75 m (resistivity: ~ 50 cm); 150 m (resistivity: ~ 400 cm)
Oxygen: [O]  91016cm-3; Oxygen dimers (detected via IO2-defect formation)
G.Lindström et al.,10th European Symposium on Semiconductor Detectors, June G.Kramberger et al., Hamburg RD50 Workshop, August 2006
105V (25mm)
230V (50mm)
320V (75mm)
Only little change in depletion voltage
No type inversion up to ~ 1016 p/cm2 and ~ 1016 n/cm2 high electric field will stay at front electrode! reverse annealing will decreases depletion voltage!
Explanation: introduction of shallow donors is bigger than generation of deep acceptors
CCE (Sr90 source, 25ns shaping):  6400 e (150 mm; 2x1015 n/cm-2)  3300 e (75mm; 8x1015 n/cm-2)  2300 e (50mm; 8x1015 n/cm-2)
Michael Moll – Lausanne, 29. January

32. Fully depleted detector (non – irradiated):
Advantage of non-inverting material p-in-n detectors (schematic figures!)
Fully depleted detector (non – irradiated):
Michael Moll – Lausanne, 29. January

33. Fully depleted detector (non – irradiated):
Advantage of non-inverting material p-in-n detectors (schematic figures!)
Be careful, this is a very schematic explanation, reality is more complex !
Fully depleted detector (non – irradiated):
heavy irradiation
non-inverted, under-depleted:
Limited loss in CCE
Less degradation with under-depletion
non inverted
inverted
inverted to “p-type”, under-depleted:
Charge spread – degraded resolution
Charge loss – reduced CCE
Michael Moll – Lausanne, 29. January

34. Epitaxial silicon - Annealing
50 mm thick silicon detectors: - Epitaxial silicon (50Wcm on CZ substrate, ITME & CiS) - Thin FZ silicon (4KWcm, MPI Munich, wafer bonding technique)
[E.Fretwurst et al.,RESMDD - October 2004]
Thin FZ silicon: Type inverted, increase of depletion voltage with time
Epitaxial silicon: No type inversion, decrease of depletion voltage with time  No need for low temperature during maintenance of SLHC detectors!
Michael Moll – Lausanne, 29. January

35. New Materials: Epitaxial SiC “A material between Silicon and Diamond”
Wide bandgap (3.3eV)
lower leakage current than silicon
Signal: Diamond 36 e/mm SiC e/mm Si 89 e/mm
more charge than diamond
Higher displacement threshold than silicon
radiation harder than silicon (?)
densité mobilités naturellement
R&D on diamond detectors: RD42 – Collaboration
Michael Moll – Lausanne, 29. January

36. SiC: CCE after neutron irradiation
CCE before irradiation
100 % with a particles and MIPS
CCE after irradiation (example)
material produced by CREE
55 mm thick layer
neutron irradiated samples
tested with b particles
Conclusion:
SiC is less radiation tolerant than expected
Consequence:
RD50 will stop working on this topic
[F.Moscatelli, Bologna, December 2006]
Michael Moll – Lausanne, 29. January

37. Outline Part II: RD50 - Approaches to obtain radiation hard sensors
Motivation to develop radiation harder detectors
Introduction to the RD50 collaboration
Part I: Radiation Damage in Silicon Detectors (A very brief review)
Microscopic defects (changes in bulk material)
Macroscopic damage (changes in detector properties)
Part II: RD50 - Approaches to obtain radiation hard sensors
Material Engineering
Device Engineering
Summary and preliminary conclusion
Je commence ma présentation avec la table des matières:
La première chose que je vais vous présenter est pourquoi nous avons besoin de nouveaux détecteurs: Qu’elle est la motivation de développer de nouveaux détecteurs résistantes au rayonnement intense?
En suite je vais présenter la collaboration CERN-RD50 qui travaille sur ce sujet.
En suite je vais vous donnez une brève revue au sujet des dommages du rayonnement dans les détecteurs au silicium
Je vais commencer par les défauts microscopiques dans le cristal de silicium qui sont produit pendant l'irradiation. La production, la formation et les techniques de mesure des défauts microscopiques. Leur influence sur l'opération des détecteurs
Je vais parler des dommages macroscopiques qui (comme je le disais auparavant) sont provoqué par les dommages microscopiques: les dommages macroscopiques sont: (1) changement de la concentration effective de dopants (changement de la tension de désertion) (2) augmentation du courrant inverse (Ce qui provoque une augmentation du bruit) (3) perte des charges collectées
En suite je vais parler de approches de RD50 pour développer des détecteurs résistant aux rayonnements: comme le « material and device engineering »cela veut dire :
on change la concentration des impuretés dans le cristal (par exemple en augmente la concentration en oxygène)
on change la conception du détecteur (par exemple on construit des détecteurs 3D)
À la fin je vais donner un récapitulatif et la conclusion.
Michael Moll – Lausanne, 29. January

38. Device engineering p-in-n versus n-in-p detectors
n-type silicon after high fluences:
p-type silicon after high fluences:
p+on-n
n+on-p
p-on-n silicon, under-depleted:
Charge spread – degraded resolution
Charge loss – reduced CCE
n-on-p silicon, under-depleted:
Limited loss in CCE
Less degradation with under-depletion
Collect electrons (fast)
Be careful, this is a very schematic explanation, reality is more complex !
Michael Moll – Lausanne, 29. January

39. n-in-p microstrip detectors
n-in-p: - no type inversion, high electric field stays on structured side collection of electrons
n-in-p microstrip detectors (280mm) on p-type FZ silicon
Detectors read-out with 40MHz
no reverse annealing visible in the CCE measurement !
e.g. for 7.5  1015 p/cm2 increase of Vdep from Vdep~ 2800V to Vdep > 12000V is expected !
CCE ~ 6500 e (30%) after p cm-2 at 900V
Michael Moll – Lausanne, 29. January

40. Introduced by: S.I. Parker et al., NIMA 395 (1997) 328
3D detector - concepts
Introduced by: S.I. Parker et al., NIMA 395 (1997) 328
“3D” electrodes: - narrow columns along detector thickness, - diameter: 10mm, distance: mm
Lateral depletion: - lower depletion voltage needed - thicker detectors possible - fast signal - radiation hard p+ - +
300 mm n+
50 mm 3D
PLANAR
n-columns
p-columns
wafer surface
n-type substrate
Michael Moll – Lausanne, 29. January

41. C.Piemonte et al., STD06, September 2006
3D detector - concepts
“3D” electrodes: - narrow columns along detector thickness, - diameter: 10mm, distance: mm
Lateral depletion: - lower depletion voltage needed - thicker detectors possible - fast signal - radiation hard
n-columns
p-columns
wafer surface
n-type substrate
Simplified 3D architecture
n+ columns in p-type substrate, p+ backplane
operation similar to standard 3D detector
Simplified process
hole etching and doping only done once
no wafer bonding technology needed
Simulations performed
Fabrication:
IRST(Italy), CNM Barcelona
metal strip
hole
[C. Piemonte et al., NIM A541 (2005) 441]
hole
Hole depth mm
Hole diameter ~10mm
C.Piemonte et al., STD06, September 2006
First CCE tests under way
Michael Moll – Lausanne, 29. January

42. Be careful: Values obtained partly under different conditions
Comparison of measured collected charge on different radiation-hard materials and devices
In the following: Comparison of collected charge as published in literature
Be careful: Values obtained partly under different conditions
irradiation
temperature of measurement
electronics used (shaping time, noise)
type of device – strip detectors or pad detectors  This comparison gives only an indication of which material/technology could be used, to be more specific, the exact application should be looked at!
Remember: The obtained signal has still to be compared to the noise
Acknowledgements:
Recent data collections: Mara Bruzzi (Hiroschima conference 2006) Cinzia Da Via (Vertex conference 2006)
Michael Moll – Lausanne, 29. January

43. Comparison of measured collected charge on different radiation-hard materials and devices
Michael Moll – Lausanne, 29. January

44. Comparison of measured collected charge on different radiation-hard materials and devices
Michael Moll – Lausanne, 29. January

45. Comparison of measured collected charge on different radiation-hard materials and devices
Michael Moll – Lausanne, 29. January

46. Diamond quality increasing [2000-2006]
Comparison of measured collected charge on different radiation-hard materials and devices
Diamond quality increasing [ ]
Michael Moll – Lausanne, 29. January

47. Comparison of measured collected charge on different radiation-hard materials and devices
Michael Moll – Lausanne, 29. January

48. Comparison of measured collected charge on different radiation-hard materials and devices
Michael Moll – Lausanne, 29. January

49. Comparison of measured collected charge on different radiation-hard materials and devices
Michael Moll – Lausanne, 29. January

50. Comparison of measured collected charge on different radiation-hard materials and devices
Michael Moll – Lausanne, 29. January

51. Comparison of measured collected charge on different radiation-hard materials and devices
Michael Moll – Lausanne, 29. January

52. Signal Charge / Threshold
Do not forget: The signal has still to be compared to the noise (the threshold)
Michael Moll – Lausanne, 29. January

53. Summary – Radiation Damage
Radiation Damage in Silicon Detectors
Change of Depletion Voltage (type inversion, reverse annealing, …) (can be influenced by defect engineering!)
Increase of Leakage Current (same for all silicon materials)
Increase of Charge Trapping (same for all silicon materials)
Signal to Noise ratio is quantity to watch (material + geometry + electronics)
Microscopic defects
Good understanding of damage after g-irradiation (point defects)
Damage after hadron damage still to be better understood (cluster defects)
CERN-RD50 collaboration working on:
Material Engineering (Silicon: DOFZ, CZ, EPI, other impurities,. ) (Diamond)
Device Engineering (3D and thin detectors, n-in-p, n-in-n, …)
To obtain ultra radiation hard sensors a combination of material and device engineering approaches depending on radiation environment, application and available readout electronics will be best solution
Michael Moll – Lausanne, 29. January

54. Summary – Detectors for SLHC
At fluences up to 1015cm-2 (Outer layers of SLHC detector) the change of the depletion voltage and the large area to be covered by detectors are major problems.
CZ silicon detectors could be a cost-effective radiation hard solution no type inversion (to be confirmed), use cost effective p-in-n technology
oxygenated p-type silicon microstrip detectors show very encouraging results: CCE  6500 e; Feq= 41015 cm-2, 300mm
At the fluence of 1016cm-2 (Innermost layers of SLHC detector) the active thickness of any silicon material is significantly reduced due to trapping. The two most promising options besides regular replacement of sensors are: Thin/EPI detectors : drawback: radiation hard electronics for low signals needed (e.g. 2300e at Feq 8x1015cm-2, 50mm EPI) D detectors : looks very promising, drawback: technology has to be optimized
SiC and GaN have been characterized and abandoned by RD50.
Further information:
Michael Moll – Lausanne, 29. January

55. M. Bruzzi, Presented at STD6 Hiroshima Conference,
Comparison of measured collected charge on different radiation-hard materials and devices
Line to guide the eye for planar devices
pixels
strips
160V
[1] G. Casse et al. NIM A (2004)
[2] M. Bruzzi et al. STD06, September 2006
[3] G. Kramberger, RD50 Work. Prague 06
[4] W: Adam et al. NIM A (2006)
[5] F. Moscatelli RD50 Work.CERN 2005
[6] C. Da Vià, "Hiroshima" STD (charge induced by laser)
M. Bruzzi, Presented at STD6 Hiroshima Conference,
Carmel, CA, September 2006
Thick (300mm) p-type planar detectors can operate in partial depletion, collected charge higher than 12000e up to 2x1015cm-2.
Most charge at highest fluences collected with 3D detectors
Silicon comparable or even better than diamond in terms of collected charge (BUT: higher leakage current – cooling needed!)
Michael Moll – Lausanne, 29. January

56. Comparison of measured collected charge on different radiation-hard materials and devices
Michael Moll – Lausanne, 29. January