Die Anforderungen, die an die Siliziumdetektoren durch die nächste Generation der Hochenergiephysikexperimente mit ihren intensiven Strahlungsfeldern gestellt werden, können nur durch eine gezielte Beeinflussung der strahleninduzierten Defekterzeugung durch Dotierung des Ausgangsmaterials mit gezielten Verunreinigungen erfüllt werden. Eine deutliche Verbesserung der Strahlenhärte wurde bereits im Rahmen des Forschungsprogramms der CERN RD48 Kollaboration durch eine Sauerstoffanreicherung des Siliziummaterials erreicht.
Einen Schwerpunkt dieser Arbeit stellt die Untersuchung und Analyse zum unterschiedlichen Verhalten von FZ-Silizium, mit Sauerstoff angereichertem FZ-Silizium und hochohmigem Cz-Silizium dar. Eingeschlossen sind neueste Resultate, die an bestrahlten dünnen epitaktischen Siliziumschichten erzielt wurden. Hierbei ergeben sich Effekte, die mit gro&szli;er Wahrscheinlichkeit auf eine Diffusion von Sauerstoff-Dimeren, die aus dem Cz-Substrat während des Kristallwachstums in die epitaktische Schicht hinein diffundierten, zurückgeführt werden können.
Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) und Thermally Stimulated Current Messungen wurden nach Bestrahlung der Detektoren mit γ-Strahlen und Hadronen durchgeführt, um die strahlungsinduzierten Defekte zu charakterisieren. Au&szli;erdem wurde eine neue hochauflösende DLTS-Methode verwendet, mit deren Hilfe es möglich ist Defektniveaus mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften zu trennen.
Durch die mikroskopischen Untersuchungen sind neben den bekannten Defekten wie VOi, V2, CiOi oder VP, vier neue Defekte entdeckt und charakterisiert worden. Zwei dieser neuen Defekte haben einen gro&szli;en Einflu&szli; auf das makroskopische Verhalten der Detektoren: Der I-Defekt, ein tiefer Akzeptor, und ein bistabiler Donator (BD). Die Bildung des I-Defekts ist in sauerstoffreichem Material unterdrückt, während der BD nicht in sauerstoffarmen Material gefunden wurde. Mit Hilfe der neuen Defekte ist es möglich das unterschiedliche Verhalten von sauerstoffarmen und sauerstoffreichem Siliziummaterial nach γ-Bestrahlung zu erklären. Au&szli;erdem ist der BD wahrscheinlich dafür verantwortlich, dass in Cz- und Epi-Dioden keine Inversion des Raumladungsvorzeichens nach Protonenbestrahlung beobachtet wird.
Des Weiteren wurden die
γ-bestrahlten Dioden bei Temperaturen zwischen 100° C und 350° C ausgeheilt, um Informationen über die
Reaktionskinetik der neuen Defekte zu gewinnen. Durch die Ausheilstudien wurden neue Kanäle für die kürzlich
entdeckten Defekte X und IO2 gesehen.
Mit den Ergebnissen der mikroskopischen Defektstudien wurde das Modell der Defektbildung erweitert und
Simulationen durchgeführt, um die Identifizierung der neuen Defekte I und X zu stützen.
The challenge for silicon particle detectors in future high energy physics experiments caused by extreme radiation fields can only be met by an appropriate defect engineering of the starting material. Appreciable improvements had already been obtained by enriching high resistivity float zone silicon with oxygen as demonstrated by the CERN RD48 collaboration.
This thesis will focus on the difference observed after irradiation between standard and oxygenated float zone and detector grade Czochralski silicon. Results obtained with diodes manufactured on epitaxial layers are also included, envisioning effects arising from the possible migration of impurities during the crystal growth from the oxygen rich Czochralski substrate.
Deep level transient spectroscopy (DLTS) and thermally stimulated current (TSC) measurements have been performed for defect characterization after γ- and hadron irradiation. Also a new high resolution DLTS technique has been used for the first time to separate defect levels with similar parameters.
During the microscopic studies additionally to the well known defects like VOi, V2, CiOi or VP, four new radiation induced defects have been discovered and characterized. Two of these defects are closely correlated with the detector performance: A deep acceptor labeled as I-defect, and a bistable donor (BD). The formation of the I-defect is strongly suppressed in oxygen rich materials, while the formation of the BD is suppressed in oxygen lean material. With their properties the I- and the BD-defect are able to explain the different macroscopic behavior of standard and oxygen enriched float zone silicon after γ-irradiation. Furthermore, the BD defect is most probably responsible for the observation that in Cz and Epi diodes space charge sign inversion does not occur even after high fluences of proton irradiation.
Additionally the γ-irradiated diodes were annealed at temperatures between 100° C and 350° C. During these studies some new reaction channels for the recently observed defects IO2 and the X-level have been found.
On the basis of these defect studies simulations of the defect formations after γ-irradiation have been performed and compared with experimental data which support the identification of the unknown defects I and X.