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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-88182
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8818/


Energy-dependent proton damage in silicon

Die Energie-abhängige Strahlenschäden in Silizium

Donegani, Elena Maria

Originalveröffentlichung: (2017) https://bib-pubdb1.desy.de/record/333246/
pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (8.733 KB) 


Freie Schlagwörter (Deutsch): Silizium , Strahlenschäden , Protonen
Freie Schlagwörter (Englisch): Silicon , Detectors , TSC , Proton , Damage
Basisklassifikation: 33.72
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Garutti, Erika (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 29.09.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 09.11.2017
Kurzfassung auf Englisch: Non Ionizing Energy Loss (NIEL) in the sensor bulk is a limiting factor for the lifetime of silicon detectors. In this work, the proton-energy dependent bulk-damage is studied in n- and p-type silicon pad diodes. The samples are thin (200~$mu$m thick), and oxygen enriched (bulk material types: MCz, standard or deep-diffused FZ). Irradiations are performed with 23~MeV, 188~MeV and 23~GeV protons; the 1~MeV neutron equivalent fluence assumes selected values in the range [0.1, 3]$cdot$10$^{14}$~cm$^{-2}$.

In reverse bias, Current-Voltage (IV) and Capacitance-Voltage (CV) measurements are performed to electrically characterise the samples; in forward bias, IV and CV measurements point out the transition from lifetime to relaxation-like semiconductor after irradiation. By means of Thermally Stimulated Current (TSC) measurements, 13 bulk defects have been found after proton irradiation.

Firstly, TSC spectra are analysed to obtain defect concentrations after defect filling at the conventional temperature T$_{fill} =$10~K. Secondly, temperature dependent capture coefficients of bulk defects are explained, according to the multi-phonon process, from the analysis of TSC measurements at higher filling temperatures (T$_{fill} <$ 130~K). Thirdly, a new method based on the SRH statistics and accounting for cluster-induced shift in activation energy is proposed; it allows to fully characterise bulk defects (in terms of activation energy, concentration and majority capture cross-section) and to distinguish between point- and cluster-like defects.

A correlation is noted between the leakage current and the concentration of three deep defects (namely the V$_2$, V$_3$ and H(220K) defects), for all the investigated bulk materials and types, and after all the considered proton energies and fluences. At least five defects are found to be responsible for the space charge, with positive contributions from the E(30K) and B$_i$O$_i$ defects, or negative contributions from three deep acceptors H(116K), H(140K) and H(152K).
Kurzfassung auf Deutsch: Der nicht ionisierende Energieverlust (NIEL) im Sensorsubstrat ist ein limitierender Faktor für die Lebensdauer von Siliziumdetektoren.
In dieser Arbeit werden Kristalldefekte in Abhängigkeit von der Protonenenergie in n- und p-dotierten Flächendioden untersucht.
Die Dioden sind dünn (200~$mu$m dick) und mit Sauerstoff angereichert (Substratmaterial: MCz, Standard oder tief diffundiertes FZ).
Die Bestrahlungen wurden mit Protonen von 23~MeV, 188~MeV und 23~GeV mit Teilchenfluenzen (1~MeV Neutronenäquivalent) im Bereich von [0.1, 3]$cdot$10$^{14}$~cm$^{-2}$ durchgeführt.

Zur elektrischen Charakterisierung der Dioden wurden in Sperrrichtung Strom-Spannungs (IV) und Kapazitäts-Spannungs (CV) Messungen durchgeführt; in Durchlassrichtung zeigen IV- und CV-Messungen den Übergang von
lifetime zu relaxation-artigem Halbleiter nach der Bestrahlung.

Mit Hilfe von Thermally Stimulated Current (TSC) Messungen wurden nach Protonenbestrahlung 13 Kristalldefekte gefunden.
Zuerst werden TSC-Spektren analysiert, um Defektkonzentrationen nach der Defektfüllung bei der konventionellen Temperatur von T$_{fill}=$10~K zu erhalten.
Danach werden temperaturabhängige Einfangskoeffizienten von Kristalldefekten nach dem Multi-Phonon-Prozess aus der Analyse von TSC-Messungen bei höheren Fülltemperaturen (T$_{fill}<$ 130~K) bestimmt.
Zuletzt wird eine neue Methode auf Basis der Shockley-Read-Hall-Statistik unter Berücksichtigung der cluster-induzierten Verschiebung der Aktivierungsenergie vorgeschlagen. Sie erlaubt es, Kristalldefekte in Bezug auf Aktivierungsenergie, Konzentration sowie Wirkungsquerschnitte der Majoritätsladungsträger vollständig zu charakterisieren und zwischen punkt- und clusterähnlichen Defekten zu unterscheiden.

Es ist eine Korrelation zwischen dem Leckstrom und der Konzentration von drei tiefen Defekten (dem V$_2$, V$_3$ und H(220K)) für alle untersuchten Substratmaterialen und -typen und für alle betrachteten Protonenergien und -fluenzen festgestellt worden. Mindestens fünf Defekte sind für die Raumladung verantwortlich, mit positiven Beiträgen aus den E(30K) und B$_i$O$_i$ Defekten sowie negativen Beiträgen von drei tiefen Akzeptoren H(116K), H(140K) und H(152K).

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