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