Étude des détecteurs au silicium à pixels soumis à des rayonnements ionisants dans le cadre du projet ATLAS

Abstract

Les capteurs silicium à pixels planaires actuels du détecteur interne d’ATLAS, au CERN, doivent résister à des flux intégrés supérieurs à 10+16 neutrons équivalents par cm +2. Les détecteurs à pixels n-on-n ont été soumis à nombreux tests d’irradiation et se sont avérés survivre jusqu’à des fluences typiques de 10+15 neutrons équivalents par cm +2. Le piégeage des charges, l'accroissement de la tension de déplétion et du courant de fuite sont les conséquences principales entrainant une perte d'amplitude du signal. De ce fait, divers types de détecteurs sont actuellement en cours de conception et de caractérisation pour le système de suivi des particules chargées. Les substrats de type p ont récemment montré une très bonne tenue aux radiations. Ces capteurs planaires n-on-p sont des candidats prometteurs pour être implémentés dans le détecteur interne dans la prochaine mise à jour du détecteur ATLAS. Dans ce travail, nous présentons une étude comparative à l’aide des outils TCAD Silvaco de trois conceptions différentes de structures multi-gardes n-on-p, avant et après irradiation. Une structure a des anneaux de garde de type p alors que les deux autres ont des anneaux de gade de type n. Pour ces deux dernières, il existe pour chacune d’elle une couche d’isolation entre les implants de type n, pour l’une c’est une couche appelée p-stop et pour l’autre elle est appelée p-spray. Dans la première partie de ce travail, une étude d’optimisation des paramètres de la couche d’isolation a été menée. Ces paramètres sont la profondeur de jonction et la concentration en dopants. Dans la deuxième partie, une étude comparative a été menée pour les trois structures, afin de déterminer l’effet des paramètres technologiques de chaque structure sur leurs performances électriques. Ces paramètres concernent en l’occurrence, le substrat à travers son épaisseur et son dopage, l’anneau de garde à travers sa profondeur de jonction et son dopage et l’oxyde à travers son épaisseur et la charge positive qu’il contient. Les performances visées dans cette étude sont la tension de claquage, le courant de fuite ainsi que la capacité d’isolation entre les implants. Ces performances sont évaluées jusqu’à une fluence de rayonnement de 1×10+16 neutrons équivalents par cm2 à l’aide d’un modèle de pièges à trois niveaux énergétique. Nous avons considéré une quantité croissante de charge d’oxyde avec la dose d’irradiation. Pour une couche de SiO2 de bonne qualité, la densité de charge initiale au niveau de la couche d'interface a été fixée à 5×10+10 cm–2 pour un détecteur non irradié, tandis que pour une structure fortement irradiée, la valeur de la densité de charge est de 1×10+12 cm –2 .