[論文レビュー] Recent results of the ATLAS Upgrade Planar Pixel Sensors R&D Project

G. Marchiori|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2011

Particle Detector Development and Performance参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ATLASアップグレード平面ピクセルセンサーリサーチアンドデベロップメントプロジェクトの最新成果を提示しており、平面シリコンピクセルセンサがLHCのフェーズIIアップグレードに必要な2×10¹⁶ neq/cm²の極端な放射線フルエンスに耐えられることを示している。主な進展には、レーザー加工とALD被覆を用いたエッジレスセンサ技術があり、物理的エッジでもほぼ100％の電荷収集効率を達成できる。また、バンプ結合の代替手段として低コストなSLID結合も検討されている。

ABSTRACT

The ATLAS detector has to undergo significant updates at the end of the current decade, in order to withstand the increased occupancy and radiation damage that will be produced by the high-luminosity upgrade of the Large Hadron Collider. In this presentation we give an overview of the recent accomplishments of the R&D activity on the planar pixel sensors for the ATLAS Inner Detector upgrade.

研究の動機と目的

• LHCの高輝度フェーズIIアップグレードで想定される2×10¹⁶ neq/cm²の放射線フルエンスに耐える放射線耐性のある平面ピクセルセンサの開発。
• 6"ウェーハ、n-in-pジオメトリ、およびSLID結合などの代替接続方法の検討により、センサ生産コストの低減。
• ガードリングを排除し、アクティブまたはスリムエッジ（450 µm未満）を実現することで、幾何的非効率を最小限に抑える。これにより、モジュールの重ね合わせ（シャインリング）の必要性を排除。
• 最適化されたガードリング構成と低しきい値動作により、高放射線照射下のセンサにおける信号対雑音比と電荷収集効率の向上。
• 新規エッジレスおよび低エッジ非活性センサ技術の放射線耐性と長期的性能評価。

提案手法

• フェーズIおよびフェーズIIのフルエンスを模擬するため、中性子（トリガ・レアクター、リュブリャーナ）および陽子（CERN PS、カールスルート）ビームを用いて放射線照射済みの平面ピクセルセンサをテスト。
• 電気的特性評価にはIV/CV測定を実施。電荷収集およびヒット効率は、CERNのパイオングレーゾンビームおよびDESYの電子ビームを用いて評価。
• TCADシミュレーションを用いて、高放射線環境下での性能向上を目的に、ガードリングの数、幅、間隔の最適化を実施。
• エッジレスセンサプロトタイプは、レーザー加工と割れ加工を経て、原子層堆積（ALD）を用いてSiO₂、Si₃N₄、またはAl₂O₃で被覆。
• バンプ結合の代替手段としてSLID結合を検討：センサおよびFEI3チップに5 µmのCu層に3 µmのSn被膜を電気めっきし、300 °Cおよび5 barで接合。
• テストダイオードおよびピクセルセンサは複数のファウンドリー（CiS、Micron、ハマムツ、FBK、MPI-HLL）で製造され、放射線照射前後で特性評価を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2×10¹⁶ neq/cm²のフルエンス下でも、平面シリコンピクセルセンサは十分な電荷収集効率と信号対雑音比を維持できるか？
• RQ2 エッジレスセンサ技術により、ガードリングの必要性を排除し、非活性エッジ領域を450 µm未満にまで短縮できるか？
• RQ3 SLID結合は、従来のバンプ結合を代替することでコスト低減が可能となり、ピッチの小型化およびスタッキングを可能にするか？
• RQ4 ALD被覆とレーザー加工を施したエッジレスセンサの放射線耐性は、2×10¹⁶ neq/cm²までに耐えられるか？
• RQ5 6"ウェーハと最適化されたガードリング設計を有するn-in-pセンサは、性能を損なわずにコスト効率を向上できるか？

主な発見

• 平面ピクセルセンサは2×10¹⁶ neq/cm²のフルエンス下でも測定可能な電荷収集効率を示し、フェーズIIの内層に適した可能性を確認した。
• レーザー加工およびALD被覆を施したエッジレスダイオードは、1 kVまで破壊が発生せず、切断エッジから14 µm以内で100％の電荷収集効率を達成。
• ガードリングを設けずに、アクティブ領域とエッジ間の距離を14 µmまで短縮し、エッジ・ツー・エッジピッチ14 µmを実現。
• SLID結合された75 µm厚のn-in-pセンサは、標準バンプ結合センサと同等のしきい値分散、ノイズ、電荷収集効率を示した。
• レーザー加工とAl₂O₃被覆を施したテストダイオードは、フルデプルーション電圧を超える破壊電圧を達成し、低リーク電流を示した。
• 6"ウェーハとn-in-pジオメトリの採用によりセンサコストの低減が見込まれ、SLID結合はバンプ結合の代替として低コストな接続手法を提供する。