Perspectives Tracker au si pour le SLHC
A. Lounis
Quelques chiffres à titre de comparaison
104 Gy/year R=25 cm
LHC SLHC
s 14 TeV 14 TeVL 1034 1035
Bunch spacing t 25 ns 12.5 ns pp (inelastic) ~ 80 mb ~ 80 mbN. interactions/x-ing ~ 20 ~ 100(N=L pp t) dNch/d per x-ing ~ 150 ~ 750<ET> charg. particles ~ 450 MeV ~ 450 MeVTracker occupancy 1 10Pile-up noise in calo 1 ~3Dose central region 1 10
Paramètres expériences
Faisceaux : 2 x 7 TeV en protons
Fréquence de collisions: 40 MHz (LHC) 80 MHz (SLHC)
Luminosité en pic: 1034 cm-2 s-1
1035 cm-2 s-1
Luminosité intégrée: 500 fb-1 2500 fb-1
fluences
Radiations et régions
3 régions :
Région 1 : < 20 cmNouvelle approche requiseR&D concepts nouveaux..
Region 2 : 20 < R (cm) < 60Améliorer la situation existante(pixels..)
Région 3 : R (cm)>60Micropistes
MUON BARREL
CALORIMETERS
Silicon MicrostripsPixels
ECAL Scintillating PbWO4
Crystals
Cathode Strip Chambers (CSC )Resistive Plate Chambers (RPC)
Drift Tube Chambers (DT)
Resistive Plate Chambers (RPC)
SUPERCONDUCTING COIL
IRON YOKE
TRACKERs
MUON ENDCAPS
Total weight : 12,500 tOverall diameter : 15 mOverall length : 21.6 mMagnetic field : 4 Tesla
HCAL Plastic scintillator copper
sandwich
The Compact Muon Solenoid (CMS)
R(cm) Technologie
>50 1013 p-sur-n pistes 500 μm épais, haute resistivité (5 KΩ·cm), pitch 200 μm
20-50 1014 p-sur-n pistes 320 μm épais, basse resistivité (2 KΩ·cm), pitch 80 μm
<20 1015 n-sur-n pixels 270 μm senseurs épais, basse resistivité (2 KΩ·cm) oxygené
R(cm) CCE Technologie
>50 1014 20ke actuellesdurcies (micropistes n-sur-p)
20-50 1015 10ke technosactuellesn+-n LHC pixel (ou n-sur-p)
<20 1016 >5Ke RD !
Au SLHC le taux d’irradiation va augmenter d’un facteur dix d’une région à l’autre
Fluences à titre de comparaison :
Property Si Diamond Diamond 4H SiC Material Quality Cz, FZ, epi Polycrystalline single crystal epitaxial Eg [eV] 1.12 5.5 5.5 3.3 Ebreakdown [V/cm] 3·105 107 107 2.2·106
e [cm2/Vs] 1450 1800 >1800 800
h [cm2/Vs] 450 1200 >1200 115 vsat [cm/s] 0.8·107 2.2·107 2.2·107 2·107 Z 14 6 6 14/6
r 11.9 5.7 5.7 9.7 e-h energy [eV] 3.6 13 13 7.6 Density [g/cm3] 2.33 3.515 3.515 3.22 Displacem. [eV] 13-20 43 43 25 e-h/m for mips 89 36 36 55 Max initial ccd [m] >500 280 550 40 ( = thickness) Max wafer tested 6” 6” 6mm 2” Producer Several Element-Six Element-Six Cree-Alenia, IKZ Max f luence[cm-2] 7x1015 24GeV
p 2x1015 n, , p Not reported 1016 in progress
CERN R&Ds RD50, RD39 RD42 RD42 RD50
Status des matériaux durcis candidats pour le SLHC
Property Diamand GaN 4H SiC Si Eg [eV] 5.5 3.39 3.26 1.12 Ebreakdown [V/cm] 107 4·106 2.2·106 3·105 e [cm2/Vs] 1800 1000 800 1450 h [cm2/Vs] 1200 30 115 450 vsat [cm/s] 2.2·107 - 2·107 0.8·107 Z 6 31/7 14/6 14 r 5.7 9.6 9.7 11.9 e-h energy [eV] 13 8.9 7.6-8.4 3.6 Density [g/cm3] 3.515 6.15 3.22 2.33 Displacem. [eV] 43 15 25 13-20
Matériaux senseurs
Zone interdite bandgap (3.3eV) Courant de fuite plusfaible que le silicium
Signal:Diamand 36
e/mSiC 51e/mSi 89
e/m Plus de charges quele diamand
Seuil de déplacementplus elevé que pour le
Si Meilleure tenue auxradiation que le Si
R&D on diamond detectors:RD42 – Collaboration
http://cern.ch/rd42/
Recent review: P.J.Sellin and J.Vaitkus on behalf of RD50 “New materials for radiation hard semiconductor detectors”
Irradiations sévères
10-1 100 101 102 103
eq [ 1012 cm-2 ]
1
510
50100
5001000
5000
Ude
p [V
] (d
= 3
00m
)
10-1
100
101
102
103
| Nef
f | [
1011
cm
-3 ] 600 V 600 V
1014cm-21014cm-2
"p - type""p - type"
type inversiontype inversion
n - typen - type
[Data from R. Wunstorf 92]
1011 1012 1013 1014 1015
eq [cm-2]
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
I /
V
[A/c
m3 ]
n-type FZ - 7 to 25 Kcmn-type FZ - 7 Kcmn-type FZ - 4 Kcmn-type FZ - 3 Kcm
n-type FZ - 780 cmn-type FZ - 410 cmn-type FZ - 130 cmn-type FZ - 110 cmn-type CZ - 140 cm
p-type EPI - 2 and 4 Kcm
p-type EPI - 380 cm
[M.Moll PhD Thesis][M.Moll PhD Thesis]
Courants de fuitestension désertion, Neff
L’efficacité de collection de charges
trap Q Q depo
W
ddep
t
c
etrap
W: épaisseur totaled: épaisseur Active c : temps de Collection t : Temps de piégeage (trapping)
desertion partielle piégeage à des niveaux profonds inversion de type
Piégeage diminue avec l’irradiation:Krasel et al. (RD50)
Charge collectée:
Limitations
Dommages dûe à l’irradiation des Senseurs au Si
Deux types de dommages aux irradiations aux matériaux des détecteurs
dommages substrat Bulk (Crystal) dus à perte d’énergie non ionisante (NIEL)Non Ionizing Energy Loss (IEL)
déplacements , défauts dans le crystal .... I. Changement de la concentration effective du dopage
(tension de désertion plus élevée, sous-desertion) II. Augmentation du courant de fuite (augmentation du bruit
de grenaille, bruits thermiques..) III. Augmentation du taux de piégeage de porteurs de charge
(perte de charges) dommages de Surface dûs à la perte d’énergie ionisante Ionizing Energy
Loss (IEL)
- accumulation de charges positives dans oxide (SiO2) et entre interface Si/SiO2
- affecte: capacités interpistes (bruit ), claquages, …Ceci a un impact direct sur la performance et l’efficacité de collection de charge
conséquence sur le rapport signal/bruit !
Quelques candidats potentiels?
Silicium 3D Silicium epitaxial Pixel hybrides SOI
détecteurs -3D - détecteurs -3D - Bords actifs, peu de zones mortes (sensitibilité aux bords <
10µm) courte distance de collection
V depletion petit (~10V)
rapide collection de charges(1 – 2 ns) épaisseur reste à 300 µm (signal) Durcissement aux radiations à étudier
2
0
0
2dN
qV effdepletion
n+p+
depletion
MIP
300 m
3D are currently processed at the Stanford 3D are currently processed at the Stanford Nanofabrication FacilityNanofabrication Facility
S.I. Parker C.J. Kenney and J. Segal, NIMA 395 (1997) 328
Détecteurs fins: pourquoi ?
Simulation
silicium epitaxial
-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
spectrum fit Deconvoluted Landau 2100e
Gaussian noise 425e
# o
f e
ven
ts
Collected charge (e)
Q~2200e corresponding to CCE 100%at Vdep= 60V
Data from F. Nava, S. Sciortino, M. Bruzzi et al., IEEE Trans. Nucl. Sci, (2004)
circular Schottky contactNi
2Si = 1.5 mm
Ohmic contact Ti/Pt/Au
n+ , 4H – SiC, 360 m
substrate
n, 4H – SiC, 40 mepitaxial
Si-face
C-face
Modena& alenia systemsItaly
RD 50
120 V 160 V
Data From G.Lindstrom et al.
Utilisation de détecteurs fins (50-100 mm) avec une basse resistivité
épitaxiale Si 50m, 50cm on CZ Si
Silicium épitaxial
ITME Varsovie
Pixels Hybrides
Hybrid Pixels Sensors: Détecteur soudé sur son électronique
Détecteur: Silicium de haute résistivité
système: Silicium + “électronique” au dessus du détecteur
Micro-Soudure par billes d’Indium ou SnPb
Résolution: pixels 100 m, résolution ~15 mTrès bonne tenue aux radiations: 1015 neq/cm2 60 Mrad @ -6°C Transparence: 0.2-0.4% X0
Capteurs CMOS
Technique empruntée aux caméras digitales (visible) appliquée au domaine desparticules ionisantes ou aux rayons X.
La collection de charge est obtenue par diffusion
Le capteur est fabriqué utilisant les moyens « low cost » industriels selons lesprocess CMOS
La charge génerée par la particule incidente est collectée par un puit n dans la zone epitaxiale p
La zone active est située juste en dessous de l’électronique de lecture ce qui permet d’avoir une zone efficace la plus grande possible (100% fill factor)
Capteurs CMOS ILC
Metal layers
Polysilicon
P-Well N-Well P-Well
N+ N+ P+ N+
Dielectric for insulation and passivation
Potential barriers
epi
sub
N
Nln
q
kTV
Charged particles
100% efficiency.
Collection mainly by diffusion
Radiation
--
--
--
- ++
++
++
+
- +- +
- +
(NIM A 458 (2001) 677-689)
substratp: 2 à 20m
substrat p++>100 m
Silicium sur Oxyde : une voie d’avenir ?
Avantages :-Monolithique-épaisseur totale réduite-évite les problèmes de bondings(réduit la capa, le bruit..)
A condition de :-Réduire l’épaisseur du substrat -incorporer une électronique discriminante et amplificatrice(aller dans le sens la techno 130 nm ou plus ?)
Un travail conséquent sur la tenue aux radiation de matériaux adaptés à un fonctionnement au SLHC a éte mené jusqu’à présent:
Silicium oxygéné , diamand (poly- and mono- crystal ) et epitaxial SiC
Des études supplémentaires sont encore en cours (si epitaxial, diamand)
Les contraîntes en termes d’irradiation et taux de multiplicité élevé au SLHC nous force à aller vers des structures innovantes et granulaires
Pixels hybrides progrès dans le bump bonding...?
Silicium sur oxyde
électronique techno 130 nm ... intelligence sur site (discriminateurs; amplificateurs) effort global accéder à la techno, aux outils ...
Dix années nécessaires pour mener à bien ce nouveau challenge !
Résumé
time scale of LHC upgrade
L at end of year
time to halve error
integrated L
radiationdamage limit~700 fb-1
(1) life expectancy of LHC IR quadrupole magnets is estimated to be <10 years due to high radiation doses
(2) the statistical error halving time will exceed 5 years by 2011-2012(3) therefore, it is reasonable to plan a machine luminosity upgrade based on new
low-ß IR magnets before ~2014
design luminosity
ultimate luminosity
courtesy J. Strait
Calendrier:
Upgrade possible ~2015
Prévisions : 5 à 6 ans de Recherche et
développement 3 à 4 ans de construction
2008-2011 : Montée en lumi du LHC2011-2014 : Régime pleine luminosité
On doit commencer maintenant !!
FIN
Phase 1: steps to reach maximum performance with only IR changes:
1) modify the SC insertion quadrupoles and/or layout ß* = 0.25 m2) increase crossing angle c by √2 c = 445 µrad3) increase Nb up to ultimate luminosity L = 3.3 1034 cm-2s-1
4) halve z with high harmonic RF system L = 4.6 1034 cm-2s-1
5) double the no. of bunches nb (increasing c ) L = 9.2 1034 cm-2s-1
step 4) is not cheap: it requires a new RF system in LHC providing an accelerating voltage of 43MV at 1.2GHz a power of about 11MW/beam estimated cost 56 MCHF a longitudinal beam emittance reduced to 1.78 eVs horizontal Intra-Beam Scattering (IBS) growth time will decrease by about
√2operational consequences of step 5) ( exceeding ultimate beam intensity)
upgrade LHC cryogenics, collimation and beam dump systems upgrade the electronics of beam position monitors possibly upgrade the SPS RF system and other equipments in the injector
chain
scenarios for the luminosity upgrade
Front-End Chip
Sensor
Phase 2: steps to reach maximum performance with major hardware changes:
equip the SPS with SC magnets, upgrade transfer lines to LHC and the injector chain, to inject into the LHC at 1 TeV ( super-SPS option)
beam luminosity should increase first step in view of an LHC energy upgrade
for a given mechanic and dynamic apertures at injection, this option can double the beam intensity (at constant beam-beam parameter Qbb Nb/n) increasing the LHC peak luminosity by nearly a factor two, in conjunction with long range beam-beam compensation schemes
LHC energy swing is reduced by a factor 2, hence the SC transient phenomena should be smaller and the turnaround time to fill LHC should decrease
interesting alternative cheap, compact low-field booster rings in the LHC tunnel
install in LHC new dipoles with a operational field of 15 T considered a reasonable target for 2015 ÷ 2020 beam energy around 12.5 TeV
luminosity should increase with beam energy major upgrade in several LHC hardware components
luminosity and energy upgrade