Kurzfassung
Silicon detectors operated at collider experiments like for instance the Large Hadron Collider at CERN, experience radiation damage due to the intense flux of charged and neutral particles through them. In the innermost part of the detector, the particle fluence can reach up to Φeq = 3.5 × 10^{16} cm^{−2}.
To increase radiation tolerance, the silicon sensors currently developed for the LHC detectors upgrade are boron-doped p-type silicon, in contrast to the n-type sensors currently in operation. In addition to planar pixel sensors, also devices with an additional gain layer, under the name of Low Gain Avalanche Detectors (LGADs), will be employed in the upgraded LHC detectors. These devices feature a p-type layer with higher boron concentration than in the bulk of p-type sensors.
This work focuses on one particular radiation damage effect in p-type silicon sensors known as the boron removal effect. This effect is characterized by the removal of boron dopants from their lattice sites, causing them to lose their acceptor properties. The boron removal effect is particularly significant for p-type silicon sensors. For example,
the reduction in gain value observed in LGADs after radiation exposure is commonly attributed to the deactivation of boron dopants during the initial irradiation. This effect is closely associated with radiation-induced defects.
In general, the types of bulk defects induced by radiation, whether point-like or cluster-related, can vary depending on the type of radiation. For example, both hadrons and leptons can induce either defect type, but leptons are more likely to introduce point defects, while high-energy photons only generate point-like defects. The properties of
these defects are determined by their components, i.e. the elements that make up the defect, and these elements strongly depend on the concentration of dopants and impurities like Oxygen or Carbon.
In this work, diodes with different dopants and impurities concentrations (boron, oxygen and carbon) were studied after being exposed to three different types of radiation (23 GeV protons, 5.5 MeV electrons and 60Co γ-ray). The microscopic techniques of Thermally Stimulated Current (TSC) and Thermally Stimulated Capacitance (TS-Cap) were
employed to characterize radiation-induced defects, especially focusing on Bi Oi (boron interstitial and oxygen interstitial) and Ci Oi (Carbon interstitial and Oxygen interstitial) defects. The presented results include the analysis of defect concentrations, energy levels within the band gap, and their charged states at room temperature. The changes
in macroscopic properties, such as leakage current and space charge density, after irradiation, are evaluated through current-voltage (I–V ) and capacitance-voltage (C–V)measurements, respectively. To assess the impact of microscopic defects on macroscopic properties, isothermal annealing experiments at a temperature of 80 ◦ C with varying annealing times, and isochronal annealing experiments for a duration of 15 minutes with varying annealing temperatures up to 300 ◦ C have been performed. In the end, the development of the boron removal rate with initial doping concentration, irradiation fluence (for different radiation sources) and impurities are presented and discussed together with the radiation-induced defects in chapters 6-8. Besides that, the annealing behaviour of BiOi including the candidate state of Bi Oi after it anneals out is given.
Im Zuge des Ausbaus des Large Hadron Collider (LHC) am CERN zum High Luminosity LHC (HL-LHC) mit einer instantanen Spitzenluminosität von etwa 7, 5×10^{34} cm^{−2}s^{−1} werden auch die Siliziumspur-Systeme der Experimente aufgerüstet, um dem extrem intensiven Strahlungsfeld mit Fluenzen von bis zu Φeq = 3, 5 × 10^{16} cm^{−2} für die innerste Schicht der Pixel-Detektoren gewachsen zu sein. Insbesondere werden die neuen Sensoren, die derzeit entwickelt werden, aus Bor-dotiertem p-Typ-Silizium hergestellt im Gegensatz zu den vorhandenen n-Typ-Detektoren, um eine höhere Strahlungstoleranz zu erreichen. Diese Arbeit konzentriert sich auf einen speziellen Strahlungsschadenseffekt in p-Typ-Siliziumsensoren, der als ”Boron removal” Effekt bekannt ist. Dieser Effekt zeichnet sich durch die Entfernung von Bor-Dotierungsatomen von ihren Gitterplätzen aus, wodurch sie ihre Akzeptoreigenschaften verlieren. Der ”boron removal” Effekt ist besonders signifikant für p-Typ-Siliziumsensoren, insbesondere im Fall von Low-Gain Avalanche Detektoren (LGADs). Die beobachtete Verringerung des Verstärkungswerts bei LGADs nach Strahlenexposition wird üblicherweise auf die Deaktivierung von Bor-Dotierstoffen während der anfänglichen Bestrahlung zurückgeführt. Dieser Effekt ist eng mit strahlenin-duzierten Defekten verbunden. Im Allgemeinen können die Arten von Volumendefekten, die durch Strahlung verursacht werden, je nach Art der Strahlung variieren, ob es sich um Punktdefekte oder Cluster-Defekte handelt. Zum Beispiel können sowohl Hadronen als auch Leptonen beide Arten von Defekten verursachen, aber Leptonen neigen eher dazu, Punktdefekte zu generieren. Die Eigenschaften dieser Defekte werden durch ihre Bestandteile bestimmt, d.h. die Elemente, aus denen der Defekt besteht, und diese Elemente hängen stark von der Konzentration Konzentration der Dotierung und von Verunreinigungen im Silizium Material wie Sauerstoff oder Kohlenstoff ab. In dieser Arbeit wurden drei Gruppen von Dioden nach Exposition von verschiedenen Arten von Strahlung untersucht. Die erste Gruppe, die 23 GeV Protonen ausgesetzt war, bestand aus EPI-Dioden mit Bor-Dotierungskonzentrationen im Bereich von 6 × 10^{12} bis 1 × 10^{15} cm^{−3} und wurde mit einer Fluenz von Φp = 7 × 10^{13} cm^{−2} bestrahlt. Die zweite Gruppe, die 5,5 MeV Elektronen ausgesetzt war, umfasste sowohl EPI-Dioden als auch Cz-Dioden mit derselben Bor-Dotierungskonzentration von 1 × 1015 cm−3, aber die Fluenz variierte von Φe− = 1 × 10^{15} bis 6 × 10^{15} cm^{−2}. Die dritte Gruppe, die 60Co-Gammastrahlenbestrahlung ausgesetzt war, bestand aus FZ-Dioden mit einer Bor-Dotierungskonzentration von 3, 5 × 10^{12} cm^{−3}. Die Dosis variierte von D = 0, 1 bis 2 MGy. Die Konzentrationen der Hauptverunreinigungen, Sauerstoff und Kohlenstoff, wurden durch die Wachstumstechniken (Czochralski (Cz), Float Zone (FZ) und Epitaxie (EPI)) und die Herstellungsprozesse der Sensoren bestimmt. Zur Charakterisierung strahleninduzierter Defekte wurden die mikroskopischen Techniken der Thermisch Stimulierten Strommessung (TSC) und der Thermisch Stimulierten Kapazitätsmessung (TS-Cap) eingesetzt. Dabei lag der Fokus insbesondere auf den BiOi - Defekten (Bor-Interstitial und Sauerstoff-Interstitial) sowie den Ci Oi-Defekten (Kohlenstoff Interstitial und Sauerstoff Interstitial). Die präsentierten Ergebnisse umfassen die Analyse der Defektkonzentrationen, der Energielevel innerhalb der Bandlücke und ihrer geladenen Zustände bei Raumtemperatur. Die Veränderungen der makroskopischen Eigenschaften wie Leckstrom und Raumladungsdichte nach Bestrahlung werden jeweils durch Strom-Spannungs-(I-V)- und Kapazitäts-Spannungs-(C-V)-Messungen bewertet. Um den Einfluss mikroskopischer Defekte auf makroskopische Eigenschaften zu beurteilen, wurden isothermale Ausheilungsexperimente bei einer Temperatur von 80 ◦C mit variierenden Ausheilzeiten sowie isochronale Temperungen für eine Dauer von 15 Minuten pro Temperaturschritt bis zu einer Temperatur von 300 ◦C durchgeführt.