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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-85379
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8537/


Surface Effects in Segmented Silicon Sensors

Oberflächeneffekte in segmentierten Silizium-Sensoren

Kopsalis, Ioannis

Originalveröffentlichung: (2017) Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY-THESIS-2017-022
pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (19.458 KB) 


Freie Schlagwörter (Englisch): silicon sensors , ionizing radiation effects , oxide charge , interface traps , border traps
Basisklassifikation: 33.05 , 33.46 , 33.50 , 33.68 , 33.72
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Garutti, Erika (Prof. Dr.) , Klanner, Robert (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.02.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 06.06.2017
Bemerkung: DESY-THESIS : ISSN 1435-8085
Kurzfassung auf Deutsch: Siliziumdetektoren für die Forschung mit Photonen und für die Teilchenphysik benötigen Siliziumsensoren, die sehr hohe Anforderungen erfüllen müssen. Neue Beschleuniger, wie der European X-ray Free-Electron Laser (EuXFEL) und das High Luminosity-Upgrade des Large Hadron Collider (HL-LHC), stellen insbesondere im Hinblick auf Strahlungshärte neue Herausforderungen für Siliziumsensoren dar. Hohe Strahlungsdosen und -flüsse schädigen den Siliziumkristall sowie die SiO2-Schichten an der Oberfläche, wodurch sich die Sensoreigenschaften ändern und ihre Lebensdauer beschränkt wird. Nicht-ionisierender Energieverlust (NIEL) der einfallenden Teilchen verursacht Schäden im Siliziumkristall. Ionisierender Energieverlust (IEL) der einfallenden Teilchen erhöht die Dichte der Oxidladung im SiO2 sowie die Dichte der Grenzflächenhaftstellen am Si-SiO2 Übergang.
In dieser Arbeit wurde die Schädigung der Oberfläche des Si-SiO2-Systems von hochohmigem Si unter Verwendung kreisförmiger MOSFETs, die in Akkumulation und Inversion bei einem elektrischen Feld im SiO2 von etwa 500 kV/cm vorgespannt sind, untersucht. Die MOSFETs wurden mit Röntgenstrahlen aus einer Röntgenröhre bis zu einer Dosis von etwa 17 kGy(SiO2) in verschiedenen Bestrahlungsschritten bestrahlt.
Vor und nach jedem Bestrahlungsschritt wurde die Gate-Spannung von Inversion zu Akkumulation und zurück durchlaufen. Aus der Abhängigkeit des Drain-Source-Stroms von der Gate-Spannung wurden die Schwellenspannung des MOSFET sowie die Löcher- und Elektronenbeweglichkeit an der Si-SiO2- Grenzfläche bestimmt. Zusätzlich wurde aus dem gemessenen Drain-Source-Strom die Änderung der Oxidladungsdichte während der Bestrahlung bestimmt. Die Dichte der Grenzflächenhaftstellen und die Dichte der Oxidladung wurden separat bestimmt. Hierzu wurde die subthreshold current Technik, basierend auf dem Brewsschen charge sheet Modell, zum ersten Mal auf MOSFETs angewandt, die aus hochohmigem Si hergestellt wurden. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Feldrichtungsabhängigkeit der Parameter der Oberflächenstrahlungsschädigung. Die gewonnenen Parameter und das erworbene Wissen können zur Verbesserung der Simulation der Oberflächenstrahlungsschädigung von Siliziumsensoren verwendet werden.
Kurzfassung auf Englisch: Silicon detectors in Photon Science and Particle Physics require silicon sensors with very demanding specifications. New accelerators like the European X-ray Free Electron Laser (EuXFEL) and the High Luminosity upgrade of the Large Hadron Collider (HL-LHC), pose new challenges for silicon sensors, especially with respect to radiation hardness. High radiation doses and fluences damage the silicon crystal and the SiO2 layers at the surface, thus changing the sensor properties and limiting their life time. Non-Ionizing Energy Loss (NIEL) of incident particles causes silicon crystal damage. Ionizing Energy Loss (IEL) of incident particles increases the densities of oxide charge and interface traps in the SiO2 and at the Si-SiO2 interface. In this thesis the surface radiation damage of the Si-SiO2 system on high-ohmic Si has been investigated using circular MOSFETs biased in accumulation and inversion at an electric field in the SiO2 of about 500 kV/cm. The MOSFETs have been irradiated by X-rays from an X-ray tube to a dose of about 17 kGy(SiO2) in different irradiation steps. Before and after each irradiation step, the gate voltage has been cycled from inversion to accumulation conditions and back. From the dependence of the drain-source current on gate voltage the threshold voltage of the MOSFET and the hole and electron mobility at the Si-SiO2 interface were determined. In addition, from the measured drain-source current the change of the oxide charge density during irradiation has been determined. The interface trap density and the oxide charge has been determined separately using the subthreshold current technique based on the Brews charge sheet model which has been applied for first time on MOSFETs built on high-ohmic Si. The results show a significant field-direction dependence of the surface radiation parameters. The extracted parameters and the acquired knowledge can be used to improve simulations of the surface radiation damage of silicon sensors.

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