1 MPPC のののののののののの のののの のののの ののののののののの のののののの の 2 のの のの
Dec 30, 2015
1
MPPC の経年変化についての研究連絡
筑波大学 数理物質科学研究科博士前期課程2年
高橋 優介
2
目的
• ILC では光検出器を長期 ( ~ 10 年 ) に渡って使用する。
- 使用期間内で性能が安定しているか調べる。
• 温度加速を用いて長期安定性を測定 - 高温での動作を確認する。 - 長期安定性の測定を行う。
方法
3
原理反応論モデル:
アレニウスモデル:温度による反応依存性
Tk
EL
B
aexp1
Λ :定数 [1/time]L :温度T での寿命 [time]
212
1 11ln
TTk
E
L
L
B
a
拡散、酸化、吸着、転位、電界、腐食クラックの成長などのメカニズムで変化が進行し材料や部品を劣化させ、ある限度を超えると故障に至る。
k B :ボルツマン定数 [eV/K]E a :活性化エネルギー [eV]T :絶対温度 [K]
活性化エネルギー Ea を精度良く測定できればMPPC の寿命が推定できる
温度 1/T ( K-1 )
寿命
(lnL
)
4
測定項目
• Gain• Noise Rate • Cross Talk
Noise Rate が 1MHz 以上になるか、Gain が 105 を下回ったとき故障と見なす。 (ILD 要求
値 )
25um 1600pix sample を Over Voltage = 3V の電圧を印加した状態で 85℃ に加熱し Leakage Current を測定する。2週間に1度 25℃ に戻して以下の測定を行う。
Type B :読み出し回路を含まない試作品
Type A :読み出し回路を含む従来の回路
温度 [℃] 60 85
温度加速定数 11 45
※活性化エネルギーを 0.585 eV 通常動作温度を 25 ℃ と仮定
(Over Voltage = |Vbias - V0| ,V0: ガイガーモード開始電圧 )
d
Pedestal
1p.e.2p.e.
3p.e.
4p.e.
5
Gain の測定方法
Clock
Generator
Gate
Generator
Voltage
source
Voltage
source
LED
driver
ADC
Gate
Analog
In
Delay
AMP×63
Thermostatic chamber
LED
MPPCPC
CAMACWidth55ns1kHz
Set Up (ADC分布)
(p.e.:photoelectron)
LED 発光に同期させ、 ADC 分布をとる
d SGain
e A
S = ADC 分解能 (= 0.25pC/ADCcount)e = 素電荷 (= 1.6 x10-19 C)A = アンプ増倍率 (= 63)
#1102 Type A #1102 Type B
α 0.051± 0.001 V/℃
0.051 ± 0.001 V/℃
β 72.84 ± 0.02 V 72.83 ± 0.02 V
6
)( 0VVe
CGain bias
Vbias [V]
Ga
in (
10
5) ・ 25
・ 30
・ 40
・ 50
・ 60
TTV )(0
CTC )(
・ #1102 Type A
・ #1102 Type B
・ #1103 Type A
・ #1103 Type B
α: 温度係数 [V/℃]β:0℃ のときの V0 [V]
Gain の結果
V0 は温度に対し線形に依存し、
Capacitance は温度に依存しない。#1103 Type A #1103 Type B
α 0.053± 0.001 V/℃
0.051 ± 0.001 V/℃
β 72.82 ± 0.02 V 72.88 ± 0.02 V Temperature[℃]
Capacitance[fF
]V
0 [V
]
Temperature[℃]
7
NoiseRate の測定方法ノイズ:主に熱による電子・正孔対発生によって起こる。
0.5p.e. 以上の信号をノイズとした。
-p
++n
+p+p
.).5.0(
.).5.1(
epVtsscalercoun
epVtsscalercounP
th
thcrosstalk
322
1
2
)30(p
p
pVerfc
ppVtScalerCoun th
th
dttxerfcx
2exp2
Threshold Curve
1.5 p.e.0.5 p.e.
Vth [mV]
Sca
ler
coun
ts
2p.e. 以上の信号はノイズ発生に伴うクロストークによるもの
8
Noise Rate の補正Noise Rate が高いとき Discriminator のDead Time を考慮しなくてはならない。
m
mn
1
n = true valuem = observed valueτ= output pulse width (25ns)
]exp[:
])exp[1(:..2
nTnAnCrossTalk
nTnAepAccidental
n = avg of noise
rate T = pulse width (4ns).).5.0(
.).5.1(
epVn
AepVnP
th
thcrosstalk
Noise Rate が高いとき MPPC のシグナルが偶然同時に発生することがある
9
NoiseRate(0.5p.e.) の結果Type ASample
#1102
Sample
#1103
NoiseRate(0.5p.e.) は温度が上がると増加する。
・ 25
・ 30
・ 40
・ 50
・ 60
Type B
No
ise
Ra
te [M
Hz]
OverVoltage [V]
10
Type A Type B・ 25
・ 30
・ 40
・ 50
・ 60
Cross-Talk Probability.).5.0(
.).5.1(
epVn
AepVnP
th
thcrosstalk
Cross-Talk Probability は温度に依存しない。
Sample
#1102
Sample
#1103
OverVoltage [V]
Cro
ssta
lk P
rob
[%]
11
長期安定性試験
○○温度測定値なし
定期測定停電
Sample #1102
Circuit Type A
Sample #1103
Circuit Type B
T ~ 85 ℃ , ⊿V ~ 3 V
45.4 倍加速 (10 年分相当 )
Leakage Current が徐々に上昇している。Time[Day
]
Time[Day]
○ ○○ ○
?!
○
12
長期安定性試験
Sample #1102 Circuit Type A
Sample #1103 Circuit Type B
1102 が上昇したのに対し、 1103 は下降した。Time[Day
]
Time[Day]
?!
○○温度測定値なし
定期測定停電
○ ○○ ○ ○
13
定期測定( Gain )
Gain は ILD の要求値を満たす。
・ #1102
・ #1103・ 0 days
・ 14 days
・ 28 days
・ 42 days
・ 56 days
・ 70 days
・ 84 days ○ #1102
□ #1103
)( 0VVe
CGain bias
(V0: ガイガーモード開始電圧 )
Ga
in (
10
5)
Vbias [V]
Time[Day]
V0 [V
]Capacitance[fF
]
Time[Day]
14
定期測定( NoiseRate )Sample #1102 Sample#1103
NoiseRate も ILD の要求値を満たす。OverV [V]
Cro
ssta
lk P
rob
[%]
No
ise
Ra
te [k
Hz]
OverV [V]
V0: ガイガーモード開始電圧Over Voltage = |Vbias - V0|
・ 0 days
・ 14 days
・ 28 days
・ 42 days
・ 56 days
・ 70 days
・ 84 days
15
ここまでのまとめ• 高温での MPPC 温度依存性を測定した。 - V0 は温度に対して線形に変化する。 ( ~ 0.05 V/℃)
- Capacitance ,Cross-Talk Probability は温度に依存しない。• 温度加速による長期安定性を測定した。 - 85℃ で 84 日間 (10 年分相当 ) では故障しない。
目的• 温度加速によって得られた Current の理解には MPPC
が 25℃ でどのような変化をするのか調べる必要がある。
• 25℃,Over V = 3V で Leakage Current の測定を行う。
方法
count
capacitance[fF] V0 [V]
count
Other Sample’s Performance(Gain)
ILC の要求を十分満たしている。
count
Gain (105)
@ Over V = 3V
)( 0VVe
CGain bias
16
17
ILC の要求を満たさない。
Interpolation
@ Over V = 3V
Other Sample’s Performance(Noise)
Leakage Current
18
T ~ 25 ℃ , ⊿V ~ 3 V
Sample #1089
Circuit Type A
ー 定期測定
Discriminator 故障電圧は印加した状態
?!
指数関数的に減少している。
定期測定によるデータの断絶は十分に小さい ( ~ 4h/ 回 )
Leakage Current
19
T ~ 25 ℃ , ⊿V ~ 3 V
Sample #1089
Circuit Type A
(1時間平均)
2]1
exp[0)( pp
tptCurrent
時定数は 28 日程度 , 定数項は 28nA 程度。
20
定期測定 (Gain)
Gain に大きな変化は見られなかった。
)( 0VVe
CGain bias
Time[Day]
V0 [V
]Capacitance[fF
]
Time[Day]
ttV )(0
ttC )(
V0 C
α 0.000± 0.001 V/t -0.003± 0.006 fF/t
β 74.242 ± 0.021 V 24.896 ± 0.175 fF/t
・ 0 days
・ 14 days
・ 28 days
・ 42 days
Sample #1089
Circuit Type A T = 25 ℃
21
定期測定 (Noise Rate)
・ 0 days
・ 14 days
・ 28 days
・ 42 days
・ 0 days
・ 14 days
・ 28 days
・ 42 days
0 days 14 days 28 days 42 days
Ical [nA] 95± 1 68 ± 1 53 ± 1 42 ± 1
Iexp [nA] 99 ± 1 69 ± 1 53 ± 1 42 ± 1
)1( robCrossTalkPNoiseRateGaineIcal
Leakage Current の変化は Noise Rate の減少が原因。Noise Rate の減少は現在調査中
※Iexp は 1h の平均をとった
22
加熱試験結果
Gain は変わらず、 Noise Rate は減少した。
・ Before
・ AfterSample #1090
Circuit Type A T = 25 ℃
電圧を印加せずに 85℃ で加熱試験を 28 日間行った
・ Before
・ After
・ Before
・ After
New Sample’s Performance
count
V0 [V]capacitance[fF]
count
Gain (105)
count
ILC の要求を十分満たしている。
)( 0VVe
CGain bias
@ Over V = 3V
24
Noise Rate
ILC の要求を十分満たしている。
Interpolation
@ Over V = 3V
Leakage Current (new sample)
25
T ~ 25 ℃ , ⊿V ~ 3 V
Sample #9235
Circuit Type A
電圧は安定して供給されている。
Leakage Current
26
T ~ 25 ℃ , ⊿V ~ 3 V
Sample #9235
Circuit Type A
(1時間平均 )
Leakage Current は変化しなかった。
10)( ptptCurrent
27
まとめ• 25℃ において MPPC の基礎特性を測定した。 - Gain において ILC の要求を十分に満たしていた。 - new sample に関して Noise Rate は ILC の要求を満たした。
• Old Sample で Leakage Current を 50 日間測定した。 - 50 日間で Current が指数関数的に減少した。
(時定数 28 日 , 定数項 28nA )• Old Sample を 28 日間 85℃ に加熱した。 - Noise Rate が加熱前の半分まで減少した。
• New Sample で Leakage Current を 8 日間測定した。 - 8 日間で Current は変化しなかった。
28
教えて頂いたこと• 旧サンプル出荷時のデータシート - データを頂きました。( Back Up 参照)
• 新旧のサンプルでの Capacitance の違いの理由 - 厚さが違う。 これはウェハ購入時に ±10% のばらつきがあるため。 Rq も同様の理由から ±20% のばらつきがある。
• 活性化エネルギー Ea の値 - 浜ホトでは Ea = 0.7 [eV] を使用している。 どのように測定したかは不明だが、 浜松ホトも温度 60℃,湿度 90% で 1000h (2年分相当)の耐久テストを行っている。
29
議論したこと• 温度加速試験サンプルの Current が二成分になる原因 - 不明
• Leakage Current のシフトと急激な減少の原因 - 85℃ の高温に晒され、熱膨張を起こす。このとき、絶縁体などの界面で膨張率が異なるためボンディング等の接触が悪くなり断線状態となると考えられる。
定期測定で観測できないのは 25℃ では元の状態に戻ってしまうためと考えられる。
• 旧サンプルの Noise Rate が増加した原因 - 不明。 #1000番台では製造法が確立しておらず、 何が起こっていても不思議ではない。
Back UP
30
31
データシート型名 Serial No. Vop[V] Gain dark(0.5thr)[kcps] dark(1.5thr)[kcps]
S10362-11-025MK 1076 75.85 2.75E+05 318 2
S10362-11-025MK 1077 75.82 2.75E+05 294 2.1
S10362-11-025MK 1078 75.87 2.75E+05 316 2.1
S10362-11-025MK 1079 75.86 2.76E+05 304 0.6
S10362-11-025MK 1080 75.86 2.75E+05 335 2.5
S10362-11-025MK 1081 76.37 2.75E+05 376 3
S10362-11-025MK 1082 76.32 2.75E+05 377 3.3
S10362-11-025MK 1083 76.26 2.75E+05 349 3
S10362-11-025MK 1084 76.36 2.76E+05 336 2.7
S10362-11-025MK 1086 76.29 2.76E+05 335 3
S10362-11-025MK 1087 76.28 2.76E+05 365 3.2
S10362-11-025MK 1088 76.25 2.75E+05 348 3
S10362-11-025MK 1089 76.33 2.75E+05 327 2.4
S10362-11-025MK 1090 76.26 2.75E+05 343 2.8
S10362-11-025MK 1091 76.32 2.74E+05 334 3.2
S10362-11-025MK 1092 76.35 2.75E+05 322 2.8
S10362-11-025MK 1093 76.29 2.75E+05 339 2.2
S10362-11-025MK 1094 76.34 2.75E+05 350 2.8
S10362-11-025MK 1095 76.27 2.76E+05 315 2.8
S10362-11-025MK 1096 76.32 2.76E+05 308 2.7
S10362-11-025MK 1097 76.25 2.75E+05 315 1.5
S10362-11-025MK 1098 76.26 2.74E+05 311 3.2
S10362-11-025MK 1099 76.22 2.76E+05 273 2.8
S10362-11-025MK 1100 76.24 2.75E+05 307 2.7
S10362-11-025MK 1101 76.29 2.76E+05 287 1.5
S10362-11-025MK 1102 76.2 2.74E+05 301 2.5
S10362-11-025MK 1103 76.28 2.76E+05 281 2.6
32
#1089 Type A , T = 25℃ V0
74.259 ± 0.027 VCapacitance 24.845 ± 0.220 fF
)( 0VVe
CGain bias
V0: ガイガーモード開始電圧Over Voltage = |Vbias - V0|
GainNo.1089Circuit Type AT = 25 ℃
33
Noise Rate
No1102,1103 に比べ、Noise Rate が非常に高い ( ~ 3,4 倍 ) 。
No.1089Circuit Type AT = 25 ℃
0 day
2
2
2
2
2
2
82
7exp6
52
4exp3
22
1exp0
p
pxp
p
pxp
p
pxp
34
No.1089Circuit Type AT = 25 ℃Over V ~ 3 V
Scaler counts
Vth [mV]
322
1
2
)30(p
p
pVerfc
ppVtScalerCoun th
th
14 days
35
No.1089Circuit Type AT = 25 ℃Over V ~ 3 V
Vth [mV]
Scaler counts
28 days
36
No.1089Circuit Type AT = 25 ℃Over V ~ 3 V
Vth [mV]
Scaler counts
42 days
37
No.1089Circuit Type AT = 25 ℃Over V ~ 3 V
Vth [mV]
Scaler counts
49 days
38
No.1089Circuit Type AT = 25 ℃Over V ~ 3 V
Vth [mV]
Scaler counts
Candidate
• Random telegraph signals
- Current が2成分に分離する(原因は未だ不明)
39
• マイクロクラック現象 - 経年変化(クラックの成長)でノイズの発
生源が増加し、 Current が増加する。 (クラックが発生しても当初は電気的には異状が認められな
い。しかし、クラックを介して腐食性イオンが侵入することにより、チップ内の回路が腐食・破壊する。)
(確認が困難)
40
ILC実験
目的:ヒッグス粒子の精密測定 , 超対称性粒子などの標準理論を超える物理の探索
ILC(International Linear Collider) 電子・陽電子衝突型線形加速器 - 全長:約 31km - 重心系エネルギー: 0.5 ~ 1TeV
ILD は ILC の検出器案の 1つILD の構成は e+e-衝突点を中心に内側から • 崩壊点検出器
• シリコン飛跡検出器• 中央飛跡検出器• 電磁カロリメータ• ハドロンカロリメータ• ソレノイドコイル• μ 粒子検出器
41
Slide Title
42
ILD カロリメータ
ILD カロリメータ・サンプリング型カロリメータ ・検出部:ストリップシンチレータ・吸収層:タングステン
•電磁カロリメータ
•吸収体: W
•吸収体タングステ
ン
特徴:カロリメータまでの半径を大きくとり、ジェット内の粒子エネルギーを個別に測定→ エネルギーの再構成の精度を向上
○チャンネル数 : ~1千万 ch
○3 .5T の磁場中に置かれる 従来の PMT は ILD に使えない。ILD カロリメータに適した新しい光検出器が必要
43
MPPC
43
• Multi-Pixel Photon Counter (MPPC)ガイガーモード APD(Avalanche Photo Diode) を 2次元に並列接続した構造。各ピクセルの信号和を読み出す半導体光検出器1pix が hit したとき 1p.e. 相当の信号を出す。( ガイガー増幅はクェンチ抵抗により終結させる )コンパクトで磁場の影響を受けにくく、安価である
biasV
25μmクェンチ抵抗
Al Wire
Quenching+p-p
++n
resistor
ピクセル拡大写真
2 p.e.
3 p.e.
1 p.e.
(p.e.:photoelectron)
V0: ガイガーモード開始電圧Over Voltage = |Vbias - V0|
44
原理(Ⅱ)
アレニウスモデルを用いた温度加速
121
2 11exp
TTk
E
L
LK
B
a
K :温度加速定数L 1 :通常動作時の寿命L 2 :温度加速時の寿命T 1 :通常動作温度 [K]T 2 :温度加速時温度 [K]k B :ボルツマン定数 [eV/K]E a :活性化エネルギー[eV]
温度 [℃] 35 60 80 85 100
温度加速定数 2 11 35 45 97
※活性化エネルギーを 0.585 eV 通常動作温度を 25 ℃ と仮定
45
46
Slide TitleType A Type B
MPPC
Pulse
shape
average
Peak が変形している。ケーブルの長さを変えたりターミネートをしても変化しなかった
47
Gain
Type A Type B
Sample
#1102
Sample
#1103
・ 25
・ 30
・ 40
・ 50
・ 60
)( 0VVe
CGain bias
48
Noise Rate の Set Up
Clock
GeneratorGate Generator
Width 0.5s
Voltage
source
Discriminator
Thermostatic
chamber(25℃)
MPPC AMP×63×10
Coincidence
25ns
Vth
1HzPC
Scaler
GPIB
CAMAC
10MHz
Discriminator
Digital
Multi Meter
ECL
to
NIM
20ns
hoge
Noise
RS232C
25ns
49
Dead time correction
]exp[11
nnmn
nm
n = true valuem = observed valueτ= output pulse width (15ns)
ー
ー
←1MHz で 2% 程度の補正を受ける。
3MHz 程度までなら 2 つの補正で違いはない。
50
NoiseRate 補正前後Type A
Sample
#1102
Sample
#1103
● 補正前
□ 補正後
NoiseRate(0.5p.e.) は温度が上がると増加する。
Type B・ 25
・ 30
・ 40
・ 50
・ 60
51
#1103Type A
・ 25
・ 30
・ 40
・ 50
・ 60
52
NoiseRate(1.5p.e.) の結果
Type A
Sample
#1102
Sample
#1103
・ 25
・ 30
・ 40
・ 50
・ 60
NoiseRate(1.5p.e.) も温度が上がると増加する。
● 補正前□ デッドタイム補正後△ アクシデンタル補正後
Type B