Тестирование полупроводниковых детекторов.

   Лаборатория кремниевых детекторов НИИЯФ МГУ располагает специальным помещением, современным измерительным оборудованием и автоматизированными стендами для исследования основных параметров полупроводниковых детекторов. Имеющееся оборудование также позволяет проводить массовое тестирование больших партий детекторов объёмом до 500 штук в год.  
   Созданная система позволяет надежно разбраковывать изготовленные детекторы сразу после изготовления, что позволяет повысить выход годных изделий на этапе сборки детектора с электроникой считывания. Кроме того, постоянный контроль детекторов и обмен информацией о найденных дефектах с изготовителями повышает качество детекторов. Отметим также, что выработанные в лаборатории методики контроля позволяют уже на этапе изготовления детектора достаточно определять дефектные каналы в многоканальных детекторах и оценивать их количество в конечном устройстве.

Описание тестовой зоны и основных измерительных стендов.

   Тестовая зона представляет собой комнату (40 м2), оборудованную системами термостабилизации (кондиционер/нагреватель) и поддува фильтрованного воздуха. Внутри тестовой зоны имеются шкафы для хранения детекторов в атмосфере сухого азота. Тестовая зона отделена от остальных помещений лаборатории “тамбуром”.
   Внутри тестовой зоны находятся 2 стенда для массового тестирования детекторов на основе автоматизированных зондовых  установок (“А-4Ш” и ”Радар”). Данные установки позволяют перемещать детектор относительно зондов с минимальным шагом 10 мкм и точностью не хуже 5 мкм.
   Также имеется стенд созданный на основе ручной зондовой установки, который используется для проведения выборочных, разовых измерений мелких партий детекторов и различных исследований прототипов.
   Каждая зондовая установка оборудована длиннофокусным микроскопом с увеличением до 350, цветной телекамерой и монитором, что позволяет визуально контролировать качество изготовления детектора, в частности, находить дефекты фотолитографии, и связывать дефекты, найденные в результате тестовых измерений, с дефектами в процессе изготовления.
   Кроме того, в тестовой зоне находится стенд для долгосрочных испытаний, позволяющий отслеживать поведение некоторых параметров детекторов в течении нескольких месяцев работы при различной температуре и влажности.
    Измерительная аппаратура стендов включает следующие приборы:
-    Источник высокого напряжения (до 500В);
-    Высокоточный источник низкого напряжения (до 10В);
-    Высокоточный мультиметр (основная используемая функция - пикоамперметр);
-    Многочастотный измеритель ёмкости;
-    Релейный коммутатор.

Используемые мультиметры также могут использоваться как электрометры с большим входным сопротивлением, позволяющим измерять электро-статический потенциал на некоторых структурах детекторов.
   Все приборы и автоматизированные зондовые установки управляются от персональных компьютеров через стандартные интерфейсы (GPIB, CAMAC, RS-232).
   Так как некоторые параметры полупроводников сильно зависят от температуры, то температура внутри тестовых стендов измеряется в процессе работы. Также контролируется влажность в тестовой зоне.

Основные измерения электрических параметров детекторов.

   Тестовые стенды предназначены для измерения для проведения следующих измерений:
    Определение рабочего напряжения детектора, исходя из величины напряжения полного обеднения. Напряжение полного обеднения определяется по результатам C(V)-измерений  на детекторе или специальных тестовых структурах;
    Измерение токов утечки отдельных p-n переходов детектора (стрипы, пады, охранные кольца) и всего детектора в целом при рабочем напряжении. Обычно повышенные токи утечки приводят к повышению шумов в детекторе;
    Измерение параметров пассивных элементов электронных схем, формируемых на детекторе вместе с p-n переходами в процессе его изготовления. Сюда относится измерение величин резисторов смещения и переходных конденсаторов отдельных структур, а также определение пробитых конденсаторов;
    Поиск дефектов фотолитографии, приводящих к разрывам и замыканиям протяженных структур на детекторе (металлизация стрипов, падов и т.п.). Определение подобных дефектов проводится по результатам измерений ёмкости структур.
  -  измерение параметров влияющих на эффективность работы детектора в том числе:
  -  паразитных емкостей (например, между структурами),
  -  омических сопротивлений между соседними структурами,
  -  омического сопротивления протяженных структур.
 - измерение стабильности токовых характеристик детектора за время от нескольких часов до нескольких месяцев;
 - измерение зависимости токовых характеристик детекторов от температуры и влажности, определение предельно допустимых значений этих параметров.

   Время подобных измерений (кроме измерений стабильности) составляет от нескольких минут до нескольких часов на детектор и определяется в основном количеством отдельно измеряемых структур на детекторе.

Испытания детекторов со считывающей электроникой.

   Кроме измерения электрических параметров детекторов сразу после их изготовления чрезвычайно важным является вопрос о поведении детекторов в сборке со считывающей электроникой при регистрации реальных ионизирующих частиц. Испытания с реальным источником ионизации необходимы не только, чтобы подтвердить правильность результатов электрических измерений детекторов, но и для проверки правильности наших представлений о спектрометрических свойствах регистрирующего тракта в целом. Чтобы получить реальные величины отношения “сигнал/шум”, а так же определить оптимальные величины времен формирования сигнала в системе “детектор-усилитель” желательно иметь возможность испытать систему “детектор-считывающая электроника” с реальными ионизирующими частицами. Лаборатория располагает возможностями для подобных испытаний многоканальных полупроводниковых детекторов.   
   Стенд для испытаний полупроводниковых детекторов с электроникой включает источник излучения, блок триггера, устройство перемещения тестируемого устройство относительно источника и АЦП. В настоящее время стенд предназначен для испытаний кремниевых микростриповых детекторов со считыванием многоканальной микросхемой VA-1 (VIKING).

   В качестве источника сигнала используется полупроводниковый инфракрасный лазер с длиной волны 1060 нм. Излучение данной длины волны проникает в кремний на глубину более 1000 мкм. Также может быть использован узко коллимированный b-источник Sr-90 с энергией ~1 МэВ и полной интенсивностью ~103 c-1, допустимой для работы в лабораторных условиях. Кроме того, возможно тестирование электронами от взаимодействия космических лучей с атмосферой (интенсивность ~10 см-2 в минуту). В последних двух случаях необходим блок триггера. Триггер вырабатывается по совпадению сигналов от нескольких плоскостей (1¸4) триггерных кремниевых детекторов размером 1´1 или 3´3 см2. Отношение “сигнал/шум” в триггере ~10 для сигнала от минимально ионизирующей частицы (~25000 e). Время формирования  не более 50 нс. Устройство перемещения позволяет перемещать тестируемый образец размером до 40´40 см2 под узким лучом источника с минимальным шагом 10 мкм. Сигнал с тестируемого детектора оцифровывается 12-битным АЦП.
   Стенд позволяет находить шумящие и “мертвые” (не работающие) каналы на тестируемых образцах. Проводить физическую калибровку и определять оптимальные временные параметры считывающей электроники.         

Програмное обеспечение. Хранение и презентация данных.

   Управление приборами, считывание и обработка результатов производится с помощью персональных компьютеров. Програмное обеспечение для измерений написано на языках C, С++, LabView, для хранения и презентации данных используется пакет EXCEL.

Технический персонал.

   Технический персонал лаборатории имеет многолетний опыт работы с полупроводниковыми детекторами. В настоящее в работах по тестированию опытных образцов и мелких партий детекторов участвуют 2 инженера-электроника, 2 программиста и 2 техника, кроме того, лаборатория привлекает к этим работам студентов кафедры Экспериментальной Физики Высоких Энергий физического факультета МГУ.