Silizium-Mikrostreifen- und Pixel-Sensoren sind zentrale Komponenten der sowohl für heutige als auch für zukünftige Spurdetektoren in der Hochenergiephysik (HEP). Alle Experimente am Large Hadron Collider (LHC) sind mit derartigen Detektoren ausgestattet. Auch für die Experimente am aufgerüsteten LHC (dem sogenannten S-LHC), mit seiner dann zehnmal höheren Luminosität, oder dem International Linear Collider (ILC) sind Spurdetektoren vorgesehen. In der Nähe der Wechselwirkungszone sind diese Detektoren intensiven Strahlungsfeldern ausgesetzt. Um unter derartigen Bedingungen einsetzbar zu bleiben ist ein angemessenes Defectengeneering für die Siliziummaterialien notwendig. Verbesserungen bezüglich der Strahlenhärte wurden durch Sauerstoffanreicherungen in zonengezogenem Silizium und durch epitaktisches Silizium auf einem Czochralski Siliziumsubstrat erreicht.
Einen Schwerpunkt dieser Arbeit bilden Untersuchungen zu strahlungsinduzierten Defekten und ihre Unterschiede in diversen epitaktischen Materialien. Vergleiche mit zonengezogenem und Czochralski Silizium ergänzen diese Untersuchungen.
Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) und Thermally Stimulated Current (TSC) Messungen wurden zur Defektcharakterisierung nach Gamma-, Elektronen-, Protonen- und Neutronenbestrahlungen durchgeführt.
Die Unterschiede in der Generation von Leerstellen und Zwischengitterplatz- Defekten wie auch von Defektclustern, hervorgerufen durch die jeweiligen Bestrahlungen, wurden untersucht. Neben den gut bekannten Defekten VOi, CiOi, CiCs, VP und V2 wurden mehrere andere Defekte gefunden and untersucht. Außerdem wurden die Materialabhängigkeiten der Genrationsraten und das Ausheilverhalten der Defekte in isothermalen und isochronalen Ausheilexperimenten studiert. Besonders der IO2-Defekt, der ein Indikator für den Gehalt an Sauerstoffdimeren ist, wurde detailliert untersucht.
Auf der Basis der Generation strahlungsinduzierter Defekte, wie einen bistabilen Donator (BD) und einen tiefen Akzeptor, wurde ein Model zur Beschreibung der strahlungsinduzierten Änderung der makroskopischen Detektoreigenschaften eingeführt. Abschließend wurden Messungen zur Ladungssammlung bei hohen Strahlungsdosen durchgeführt.
Silicon microstrip and pixel detectors are vital sensor-components as particle tracking detectors for present as well as future high-energy physics (HEP) experiments. All experiments at the Large Hadron Collider (LHC) are equipped with such detectors. Also for experiments after the upgrade of the LHC (the so-called Super-LHC), with its ten times higher luminosity, or the planned International Linear Collider (ILC) silicon tracking detectors are forseen. Close to the interaction region these detectors have to face harsh radiation fields with intensities above the presently tolerable level. Defect engineering of the used material, e.g. oxygen enrichment of high resistivity float zone silicon and growing of thin low resistivity epitaxial layers on Czochralski silicon substrates has been established to improve the radiation hardness of silicon sensors.
This thesis will focus mainly on the investigation of radiation induced defects and their differences observed in various kinds of epitaxial silicon material. Comparisons with other materials like float zone or Czochralski silicon are added.
Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) and Thermally Stimulated Current (TSC) measurements have been performed for defect characterization after gamma-, electron-, proton- and neutron-irradiation.
The differences in the formation of vacancy and interstitial related defects as well as so-called clustered regions were investigated for various types of irradiation. In addition to the well known defects VOi, CiOi, CiCs, VP und V2 several other defect complexes have been found and investigated. Also the material dependence of the defect introduction rates and the defect annealing behavior has been studied by isothermal and isochronal annealing experiments. Especially the IO2-defect which is an indicator for the oxygen-dimer content of the material has been investigated in detail.
On the basis of radiation induced defects like the bistable donor (BD) defect and a deep acceptor, a model has been introduced to describe the radiation induced changes in macroscopic detector properties as affected by the microscopic defect generation. Finally charge collection measurements have been performed at high radiation doses.