Martin Kuhnke, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2001

"Microscopic investigations on various silicon materials irradiated with different Particles with the DLTS method"

Schlagwörter: Silicon, Radiation damage, Defects, DLTS, Silicon detectors, Radiation hardness

PACS: 61.82.Fk, 81.40.Wx


Summary

Kurzfassung

Während der Bestrahlung von kristallinen Silizium mit hochenergetischen Teilchen werden Siliziumatome aus ihren Gitterplätzen versetzt und die primären Defekte, Zwischengitteratome und Leerstellen, bilden Defekte mit den Fremdatomen Sauerstoff und Kohlenstoff. Die strahleninduzierten Defekte ändern die makroskopischen Eigenschaften von Siliziumdetektoren, den Leckstrom und die Verarmungsspannung. In dieser Arbeit wurden die mikroskopischen Eigenschaften von strahleninduzierten Defekten mit der DLTS Methode untersucht, um die Änderung der makroskopischen Parameter von Siliziumdetektoren nach Teilchenbestrahlung zu verstehen.

Verschiedene Siliziummaterialen wurden mit nieder- und hochenergetischen Protonen, hochenergetischen Pionen, Neutronen und 60Co g -Photonen bestrahlt, um die Abhängigkeit der Defektgeneration von Teilchen- und Materialtyp zu untersuchen. Die variierten Parameter der Siliziummaterialen sind die Konzentrationen der flachen Dotierung Phosphor und der Fremdatome Sauerstoff und Kohlenstoff.

Die Generationsraten von isolierten Punktdefekten VOi, CiCs and CiOi sind höher für geladene Teilchenbestrahlungen verglichen mit Neutronenbestrahlungen, weil mehr isolierte Einzelversetzungen aufgrund von Coloumbstreuung vorkommen. Die Defektkinetik der Punktdefekte wird durch die Verunreinigungen Sauerstoff und Kohlenstoff beeinflußt. Der Defekt VOi wird während Neutronenbestrahlung in der Nähe der Kollisionskaskaden erzeugt und während geladener Teilchenbestrahlung mehr homogen im Strukturvolumen. Es wird angenohmen, daß der Defekt V2O mit der Strahlenresistenz von sauerstoffangereicherten Silizium zu tun hat. Die Generation von V2O ist unterdrückt in sauerstoffreichen Silizium. Die Generationsrate der Clusterdefekte VV+? ist unabhängig von Teilchen- und Materialtyp. Die Doppelleerstellen entstehen hauptsächlich in den Clustergebieten nach Teilchenbestrahlung. Zusätzlich wird ein breites Signal E4a auf der linken Seite und ein Signal E4b auf der rechten Seite des Signals VV-/0+? beobachtet. Die Kohlenstoffdefekte CiOi und CiCs entstehen in der Umgebung der Cluster. Auch eine Erzeugung von CiCs an den Rändern der Cluster ist möglich. Es werden keine Cluster während 60Co g -Photonenbestrahlung erzeugt. Das Fehlen von Zwischenstellendefekten wird durch die Oberflächenannihilation von Zwischengitteratomen erklärt.

Die exponentielle Stromausheilung wird durch den Defekt E4b verursacht. Die logarithmische Stromausheilung und die Kurzzeitausheilung der effektiven Raumladungsdichte ist nicht verstanden. Die Abnahme der flachen Donatorkonzentration wird durch die Erzeugung von VPs Defekten erklärt. Die stabile akzeptorartige Schädigung wird durch den Akzeptor V2O und durch negativ geladene Doppelleerstellen in den Clustern erklärt. Die Langzeitausheilung der effektiven Raumladungsdichte wird möglicher Weise durch eine Kohlenstoffdefektschale um die Cluster verursacht.

Titel

 Kurzfassung

Summary

During irradiation of crystalline silicon with high energy particles silicon atoms are displaced out of their lattice sites and the primary defects silicon interstitials and vacancies form defects with the impurities oxygen and carbon. The radiation induced defects change the macroscopic parameters of silicon detectors, the leakage current and the full depletion voltage. The item of this thesis is to study the microscopic properties of radiation induced defects with the DLTS method and to understand the change of the macroscopic parameters of silicon detectors after particle irradiation.

Various silicon materials were irradiated with low and high energy protons, high energy pions, neutrons and 60Co g -photons to investigate the dependence of the introduction rates of the radiation induced defects on particle and material type. The varied parameters of the silicon material are the shallow doping concentration phosphorous and the concentrations of the impurities oxygen and carbon.

The introduction rates of isolated point defects VOi, CiCs and CiOi are higher for charged particle irradiations in comparison to neutron irradiation, because more isolated single displacements are produced due to Coulomb scattering. The defect kinetic of point defects is influenced by the impurities oxygen and carbon. The defect VOi is created near the cascade collision regions during neutron irradiation and more homogeneously in the sample volume during charged particle irradiation. The defect V2O is assumed to be responsible for the radiation hardness of oxygen enriched silicon. The generation of the acceptor V2O is suppressed in oxygen rich silicon. The introduction rate of the cluster defects VV+? is independent on the particle and material type. Divacancies are mainly generated in the terminal cluster regions after particle irradiation. But also a broad signal E4a on the left hand side and a signal E4b on the right hand side of the cluster signal VV-/0 +? is observed. The carbon defects CiOi and CiCs are created in the environment of the terminal clusters. Also the generation of CiCs at the terminal cluster peripheries is assumed to occur. No clusters are created during 60Co g -photon irradiation. The leak of silicon interstitial related defects after particle and 60Co g -photon irradiation is explained with the surface annihilation of silicon interstitials.

The exponential annealing of the current related damage rate is correlated with the annealing of the defect E4b. The logarithmic annealing of the current related damage rate and the short term annealing of the effective space charge density is not understood. The donor removal is explained with the creation of VPs defects. The stable acceptor damage is explained with the acceptor V2O and negative charged divacancies in the terminal clusters due to inter-centre-charge-transfer. The reverse annealing of the effective space charge density is suggested to be due to higher order carbon defects which envelope the terminal clusters after high fluence irradiation.