"Einfluss von strahleninduzierten Defektregionen auf Silizium Teilchendetektoren"

"Influence of radiation induced defect clusters on silicon particle detectors"

Kurzfassung

Der Large Hadron Collider (LHC) am European Organization for Nuclear Research (CERN) versucht elementare Fragen der Teilchenphysik zu klären, wie die Existenz des Higgs-Bosons oder der Super-Symmetrie. Dafür untersuchen zwei Experimente (ATLAS, CMS) die Produkte von hochenergetischen Proton-Proton und Nukleon-Nukleon Kollisionen. Aufgrund ihrer gut ausgereiften Technologie und Verbreitung sind Siliziumsensoren die erste Wahl für Spurdetektoren, besonders im innersten Bereich der Experimente. Durch den Ausbau zum high luminosity LHC wird die Luminosität auf L = 10³⁵ cm⁻² s⁻¹ erhöht und die zumeist hadronische Strahlenbelastung der innersten Siliziumsensoren auf Φ_eq = 10¹⁶ cm⁻² gesteigert.

Während der Betriebszeit führen strahleninduzierte Kristalldefekte zu einer Verschlechterung der Sensoreigenschaften. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit die Verbesserung der Strahlenhärte unterschiedlicher Materialien (Float Zone, Magnetic Czochralski, epitaktisches Silizium) anhand einer Auswertung von strahleninduzierten Defekten im Silizium-Gitter untersucht. Die Defekte werden mittels Deep Level Transient Spectroscopy und Thermally Stimulated Current charakterisiert. Anders als in früheren Studien, in denen hauptsächlich Auswirkungen von Punktdefekte analysierten wurden, steht in dieser Arbeit die aussergewöhnliche Rolle von Regionen mit hohen Defektdichten, den sogenannten cluster im Fokus der Untersuchungen. Hauptsächliche Verantwortung für die Generation von Dunkelstrom tragen zwei Defekte, zum einen der E5-Defekt mit einem Niveau in der Bandlücke bei E_C-0,460 eV zum anderen der E205a bei E_C-0.395 eV, wobei E_C die Energie der Kante des Leitungsbandes darstellt. Die chemische Struktur des E5-Defektes kann der tri-vacancy (drei Leerstellen V₃) zugeordnet werden. Isochronale Ausheilstudien haben eine Bistabilität des V₃-Defektes aufgezeigt, die ebenso für den Dunkelstrom beobachtet werden kann. V₃ wandelt sich in sauerstoffreichem Material (Migrations-Aktivierungsenergie E_a = 1, 77 ± 0, 08 eV) in den V₃O-Defekt (L-Defekt) um.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Änderung der effektiven Dotierungskonzentration auf drei tiefe Akzeptorniveaus (H(116K), H(140K), H(151K)), zwei Donatorniveaus (BD and E(30K)) und den Leerstelle-Phosphor-Komplex VP zurückgefürt. Die Änderung der Dotierungskonzentration während des sogenannte reverse annealing wird für Neutronenbestrahlungen bis zu Fluenzen von Φ = 10¹⁵ cm⁻² präsentiert. Die gemessenen Defektkonzentrationen reproduzieren die Werte der effektive Dotierungskonzentration aus Kapazitäts-Charakteristika während der Ausheilstudie. Im letzten Teil dieser Arbeit wird Float Zone Material für den Ausbau des CMS- Spurdetektors untersucht. Aufgrund eines neuartigen Produktionsprozesses wurden Materialdefekte gebildet, deren Analyse die unerwartete elektrische Eigenschaften in abgedünnten Sensoren erklären.

Titel

Kurzfassung

Summary

The Large Hadron Collider (LHC) at the European Organization for Nuclear Research (CERN) addresses some of today’s most fundamental questions of particle physics, like the existence of the Higgs boson and supersymmetry. Two large general-purpose experiments (ATLAS, CMS) are installed to detect the products of high energy proton- proton and nucleon-nucleon collisions. Silicon detectors are largely employed in the innermost region, the tracking area of the experiments. The proven technology and large scale availability make them the favorite choice. Within the framework of the LHC upgrade to the high-luminosity LHC, the luminosity will be increased to L = 10³⁵ cm⁻² s⁻¹. In particular the pixel sensors in the innermost layers of the silicon trackers will be exposed to an extremely intense radiation field of mainly hadronic particles with fluences of up to Φ_eq = 10¹⁶ cm⁻².

The radiation induced bulk damage in silicon sensors will lead to a severe degradation of the performance during their operational time. This work focusses on the improve- ment of the radiation tolerance of silicon materials (Float Zone, Magnetic Czochralski, epitaxial silicon) based on the evaluation of radiation induced defects in the silicon lattice using the Deep Level Transient Spectroscopy and the Thermally Stimulated Current methods. It reveals the outstanding role of extended defects (clusters) on the degrada- tion of sensor properties after hadron irradiation in contrast to previous works that treated effects as caused by point defects.

It has been found that two cluster related defects are responsible for the main gener- ation of leakage current, the E5 defects with a level in the band gap at E_C-0.460 eV and E205a at E_C-0.395 eV where E_C is the energy of the edge of the conduction band. The E5 defect can be assigned to the tri-vacancy (V₃) defect. Furthermore, isochronal annealing experiments have shown that the V₃ defect exhibits a bistability, as does the leakage current. In oxygen rich material the defect transforms (V₃ activation energy for migration E_a = 1.77 ± 0.08 eV) to the L defect, which can be assigned to the V₃O defect.

In the second part of this work, it is demonstrated that the radiation induced effective doping concentration can be attributed to the generation of three deep acceptors (H(116K), H(140K), H(151K)), two donors (BD defect and E(30K)) and the vacancy- phosphorus defect VP. The reverse annealing of the effective doping concentration is presented for samples irradiated with neutrons for fluences up to Φ = 10¹⁵ cm⁻². From defect concentrations it is possible to reproduce the effective doping concentration as extracted from capacitance-voltage characteristics.