16/04/15Matthias Bergholz DESY Zeuthen 1 Untersuchung von strahlenharten...

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

1

Untersuchung von strahlenharten Multigeometrie-Pixelsensoren

für den zukünftigen CMS Spurdetektor im Rahmen

der HPK-Kampagne

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

2

Kurzeinleitung

• Für den CMS-Spurdetektor „HPK*-Kampagne“• Untersuchung verschiedener Substrate

(Float Zone, Magnetic Czochralski und Epitaktisches Silizium); • verschiedener Dicken (320, 200, 120, 100, 50m) • und verschiedener Prozess- und Isolationstechnologien

(p-in-n (N), n-in-p pstop (P), n-in-p pspray (Y)) • produziert von einem Hersteller!!!

– Im Folgenden werden aus dieser Kampagne Messergebnisse für Multigeometry-Pixel (MPIX)-Sensoren vorgestellt

– Namensschema: Material + Dicke + Technologie *Hamamatsu Photonics KK

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

3

12 11 10 9 8 7 6 5 4 123

12 1

Pixel 32…1

8

Line

1

N S

E

W

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

4

Multipixel -2

Bias Ring

Guard Ring

Pixel

PolysiliziumWiderstand

Punch throughTransistor

Isolation

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

5

Besonderheiten• Teststrukturen für Sensoren des innersten Bereich des

zukünftigen Spurdetektors – Hohe Granularität

• Einzige Teststruktur innerhalb der Kampagne mit Punch-through-Transistor– Besonderes Augenmerk bei der Auswertung auf den Vergleich der

beiden Bias-Methoden

• „PT-Modul“

=1 =2

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

6

Messungen

• C/V und I/V Kurve des Biasrings• Pixelstrom und -kapazität• Zwischenpixelkapazität und

-widerstand• Biaswiderstand

• Gemessen wurden bisher 19 FZ, 8 Mcz und 8 Epi Sensoren von allen verfügbaren Dicken und Technologien

• Gute Kenntnis der Eigenschaften der unbestrahlten Sensoren! Diese ist nötig um sie später mit den Ergebnissen von Messungen an bestrahlten Sensoren zu vergleichen zu können. -> Strahlungshärte

C/V Kurve des Biasrings

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

7

0 100 200 300 40020.0p

30.0p

40.0p

50.0p

60.0p

PT

PS

even numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m

C/V Bias Ring -E100N-03-Mpix-2 7-120

8-120 9-100 10-100 11-80 12-80

Cap

acita

nce

[F]

Voltage [V]

0 -100 -200 -300 -400 -5000

1e21

2e21

1/C

2 [1/F

2 ]

Voltage [V]

261V

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

100

200

300Verarmungsspannung

FZ320Y-06-Mpix1 FZ320P-02-Mpix2 FZ200Y-03-Mpix1 FZ200Y-03-Mpix2 FZ200P-03-Mpix1

Volta

ge [V

]

Region number

Verarmungsspannung = Minimale Betriebsspannung

C/V Kurve des Biasrings

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120.0

20.0p

40.0p

60.0p Short Pixel

Average of all FZ - 120m Average of all FZ - 200m Average of all FZ - 320m Average of all MCz - 200m

Cap

acita

nce

[F]

Region

Ctotal

@ 450V

Long Pixel

x2

I/V Kurve des Biasrings

0 -100 -200 -300 -400 -500 -600 -700 -800 -900 -10000.0

-5.0n

-10.0n

-15.0n

even numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m

I/V Bias Ring -FZ320Y-06-Mpix-1

Cur

rent

[A]

12-80

Voltage [V]

- DurchbruchsspannungTypische Werte: FZ320 > 1000VFZ200, M200 > 700VFZ120 > 500V E100 > 500VE50 > 350V

0 100 200 300 400 500 600 7000.0

2.0n

4.0n

6.0n

even numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m

I/V Bias Ring -FZ320P-07-Mpix-1

Cur

rent

[A]

7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80

Voltage [V]

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

9

Durchbruchsspannung= Maximale Betriebsspannung

Zwischenpixelkapazität

Rauschen•CPT > CPS

•C120m < C100m < C80m

•Clang ~ 2*Ckurz

0 100 200 300 4000.0

50.0f

even numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m

7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80

Cint

- M200N-05-Mpix-2

Cap

acita

nce

[F]

Voltage [V]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120.0

50.0f

100.0f

150.0f

Short Pixel

80100

even numbers = poly silicon biased odd numbers = punch through biased

Average of all sensors

M200N M200N-05-Mpix-2 M200N-09-Mpix-1 M200N-10-Mpix-1 M200N-11-Mpix-2

M200P M200P-03-Mpix-1 M200P-04-Mpix-1 M200P-07-Mpix-2

M200Y M200Y-02-Mpix-2 M200Y-05-Mpix-1

Inte

r-pi

xel C

apac

itanc

e [F

]

Region number

Cint

@ 450V

120

Long Pixel

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

10

• Keine Abhängigkeit von der Technologie !!!

Zwischenpixelwiderstand

M

-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

5p

10p

15p

20p

25p

>100Teven numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m

7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80

Voltage [V]

Rint

- E50N-07-Mpix-2

Cur

rent

[A]

>1T

Vbias

=300V

0.0 50.0T 100.0T 150.0T 200.0T 250.0T0

1

2

3

4

5

6

PT

Min : 5.46E12Max : 1.29E15

#

Resistance [Ohm]

Zwischenpixelwiderstand

PS

Epi

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

11

Pixelisolation• Rint(PT) > Rint(PS)• >1T für Epi• >1G für M

Pixelkapazität

0 100 200 300300.0f

350.0f

400.0f

450.0f

500.0f

550.0f

600.0f

even numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m

7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80

CPixel

E50N-07-Mpix-2

Cap

acita

nce

[F]

Voltage [V]

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

12

Rauschen / Elektronik•CPT > CPS

•Abstand: C120m>C100m>C80m

•Dicke : C320m<C200m<C120m

7 8 9 10 11 12250.0f

300.0f

350.0f

400.0f

450.0f

500.0f

550.0f E100N E100P E100Y E50N E50P E50Y

Cap

acita

nce

[F]

Region Number

Pixelkapazität120um

N~Y<P

Pixel Strom

0 100 200 300 400 500 600 7000

5p

10p

15peven numbers = poly siliconodd numbers = punch throughregions 1-6 pixel length = 2421mregions 7-12 pixel length = 1171m

7-120 8-120 9-100 10-100 11-80 12-80

IPixel

FZ320Y-04-Mpix-2

Cur

rent

[A]

Voltage [V]

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

13

7 8 9 10 11 124.0p

5.0p

6.0p

7.0p

8.0p

9.0p

10.0p IPixel

Durchschnitt ueber alle Sensoren

FZ320N FZ320P FZ320Y

Cur

rent

[A]

Region

Leckstrom – “Blindleistung” • IPT > IPS

• I120m > I100m > I80m

• Technologien zeigen gleiches Verhalten

Rbias

-2 -1 0 1 2-1µ

-500n

0

500n

1µ

Polysilicon 2-120 4-100 6-80 8-120 10-100 12-80

RBias

- E50Y-01-Mpix-1

Cur

rent

[A]

Voltage [V]

1E-11 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6

106

107

108

109

Punch through "Widerstand"

Diff

eren

tial R

esis

tanc

e [O

hm]

Current [A]2 4 6 8 10 120

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 M200N (4 sensors) M200P (3 sensors) M200Y (2 sensors) FZ200N (2 sensors) FZ200P (2 sensors) FZ200Y (3 sensors)

Res

ista

nce

[M]

Region number

Poly silicon bias resistor Rbias dIdUdR

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

14

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

15

Zusammenfassung

• Alle untersuchten Mpix-Sensoren liegen im Rahmen der Spezifikationen

• Deutliche Unterschiede der elektrischen Eigenschaften für die verschiedenen Bias-Methoden

• Der Einfluss der Produktionstechnologie konnte z.B. für die Pixelkapazität untersucht werden

Ausblick

• Mpix Sensoren werden derzeitig mit Protonen und Neutronen bestrahlt und werden anschließend erneut gemessen

• Parallel zu den elektrischen Messungen sind Teststrahlmessungen vorgenommen worden und werden derzeitig ausgewertet

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

16

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

17

Anhang

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

18

24/10/11 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

19

1. HPK# Campaign (1)• The goal is to find the best material and geometry choice for the

upgrade of the CMS (silicon) tracker • To achieve this goal one wafer layout was designed and produced with

different substrates, thicknesses and different production technologies but with same production process from one manufacturer! (Hamamatsu)

* Physical thickness is 320m, active thickness is reduced by a “Deep Diffusion” process#

technology / material FZ-320m

FZ-200m

FZ-200m*

FZ-120m

FZ-120m*

MCz-200m

Epi-100m

Epi-50m

P-in-N 6 6 6 6 6 6 6 6

N-in-P pstop 6 6 6 6 6 6 6 6

N-in-P pspray 6 4 6 4 6 6 6 6

2'nd metal P-in-N     6          

2'nd metal N-in-P pstop     6          

2'nd metal N-in-P pspray     6          

FZ – Floating Zone siliconMCz – Magnetic Czochralski siliconEpi – EPItaxial silicon

In total 158 wafers have to be qualified, irradiated and re-qualified.

1. HPK Campaign (3)

24/10/11 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

20

N-irradiation (Ljubljana)

P-irradiation (KIT)P-irradiation (KIT)

N-irradiation (Ljubljana)

Radius [cm]

Protons [1014 neq/cm2]

Neutons [1014 neq/cm2]

Sum [1014neq/cm2]

RatioP/N

5 130 10 140 13

10 30 7 37 4.3

15 15 6 21 2.5

20 10 5 15 2

40 3 4 7 0.75

Corresponding to simulated fluences• Single and mixed particle irradiation for 5 radii• Electrical measurements after each irradiation• Several beam tests • Annealing studies after irradiation

Expected fluences at 3000fb-1 for CMS

26. April 2023 Matthias Bergholz DESY Zeuthen

21

Biasing and isolation technics

22