Kurzfassung
In dieser Arbeit wird die Strahlenhärte von Silizium-Teilchendetektoren im
Hinblick auf ihren Einsatz in heutigen und zukünftigen Experimenten der
Hochenergiephysik untersucht. Die Detektoren werden zum Nachweis der
Teilchenspuren im Innendetektor eingesetzt, wo sie einem hohen
Strahlungsniveau ausgesetzt sind. Dies führt sowohl zu Versetzungs- (bulk)
als auch Ionisationsschäden (Oberflächen). Der durch bulk-Schäden bewirkte
Anstieg des Sperrstroms kann durch den Betrieb bei moderat tiefen
Temperaturen ( ( 0°C) umgangen werden, wohingegen die Änderung der
Dotierung einen bedeutenden Anstieg der Betriebsspannung verursacht,
der durch Langzeiteffekte noch verstärkt wird. Obgleich hinsichtlich
dieser Effekte weitere Aspekte untersucht werden, liegt der Schwerpunkt
der Arbeit auf der mikroskopischen Analyse der Versetzungsdefekte und der
Darlegung ihrer Beziehung zu den makroskopischen Eigenschaften.
Zuerst werden die aus hochohmigem Silizium gefertigten Teststrukturen mit
Kapazitäts/Strom-Spannungs Kennlinien (CV/IV) charakterisiert, wobei
Besonderheiten, verknüpft mit der Ausdehnung der elektrischen Feldzone,
im Zusammenhang mit Protonen-Mikrostrahlmessungen diskutiert werden.
Zusätzlich wird die Feldverteilung mit laserinduzierten Stromimpulsen
bestimmt, wodurch die Überprüfung der aus CV Daten gewonnenen
Dotierungskonzentrationen ermöglicht wird.
Das Ausheilverhalten des Sperrstroms und der Dotierung bei erhöhten
Temperaturen wurde an schwach und stark bestrahlten Proben untersucht,
woraus eine kritische Revision der Modellbeschrei-bungen der
schädigungsinduzierten Änderungen der Betriebsparameter resultiert. Die
Konstanten in diesen Modellen werden systematisch als Funktion des Typs
des schädigenden Teilchens (n, p, (, 60Co-() und der Eigenschaften des
Ausgangmaterials bestimmt. Ersteres liefert Kalibrierungsfaktoren für die
einzelnen Quellen, während letzteres sowohl als eine experimentelle Suche
nach strahlenhärterem Material, als auch als ein Versuch, die makroskopischen
Größen mit der mikroskopischen Zusammensetzung der Dotierung zu korrelieren,
aufgefaßt werden kann. Insbesondere wird niederohmigerem n-Silizium eine
größere Strahlenhärte bescheinigt.
Das TSC Verfahren (Thermally Stimulated Current) erweist sich als das
Erfolgreichste beim Nachweis der mikroskopischen Eigenschaften der
Versetzungsschäden und wird im Detail behandelt. Beträchtliche
Anstrengungen wurden unternommen, um den Einfluß der experimentellen
Bedingungen zu analysieren und somit eine eindeutige Interpretation der
Spektren zu erlangen. Weiterhin werden Ionisierungsenergien und
Wirkungsquerschnitte von Störstellen bestimmt. Reichhaltigere Ergebnisse
wurden hier mit dem Strom-DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy)
Verfahren erzielt, welches im Gegensatz zu TSC auch die Untersuchung von
Niveaus nahe der Bandlückenmitte und den Bandkanten erlaubt. Schließlich
werden Stromimpulsmessungen zur spektroskopischen Charakterisierung
besonders tiefer Haftstellen in Neutronen- und 60Co-( bestrahlten Proben
benutzt.
Es wird gezeigt, daß die vorwiegend auftretenden strahleninduzierten
Defekte (VOi , Ci Oi , VV und Ci Cs ) nicht für die Schädigungseffekte in
den Detektoreigenschaften verantwortlich sein können, so daß anderweitig
übersehene Störstellen in diesem Zusammenhang diskutiert werden müssen.
Schlußfolgerungen bezüglich ihrer bislang unbekannten chemischen
Zusammensetzung können aus den Beobachtungen nach 60Co-( Bestrahlung
gezogen werden. Das TSC Verfahren wurde benutzt, um Defektumwandlungen
bei isochronaler Ausheilung zu messen, was eine Korrelation mit den
gleichzeitig ablaufenden makroskopischen Prozessen erlaubt. Erstmals
konnte ein einzelnes metastabiles Defektniveau mit negativer Raumladung
in Verbindung gebracht werden. Dieser Defekt könnte auch für die
Langzeitausheilung der Dotierung von Bedeutung sein.
Ionisationsschädigung wurde untersucht mit 20 keV Elektronen aus einem
Elektronenmikroskop und 60Co-( Strahlung. Sowohl die positive Oxidladung
als auch die Grenzflächenrekombinations-geschwindigkeit steigen als
Funktion der Dosis an und nähern sich einem Sättigungswert.
Schließlich wird die Schädigung der Siliziumkomponenten im genehmigten
ATLAS Experiment beim LHC vorausgesagt. Diese Rechnungen, welche ein
wesentliches Designkriterium im Technical Proposal waren, stützen sich
auf eine Sammlung aller experimentellen bulk-Schädigungsdaten, die zu
dem Zeitpunkt verfügbar waren. Die Ableitung der Weltmittelwerte der
Schädigungskonstanten und die Implementierung der numerischen Modelle
werden vorgestellt. Die Resultate der Simulationen werden im Rahmen des
jetzigen Verständnisses der Strahlenschädigungsprozesse diskutiert.
This work provides a study on the radiation tolerance of silicon particle detectors in the light of their application in present-day and future high-energy physics (HEP) experiments. These devices are typically placed close to the interaction points where they have to face high radiation levels inducing both displacement (bulk) and ionization (surface) damage. While the problems connected with the reverse currents can be circumvented by operation at reduced temperatures ( ( 0°C), the bulk damage induced change in the doping concentration causes a serious increase in the operational voltage, even enhanced by long term annealing. Further aspects are elucidated in this field, however, the focus of the thesis is on the new approach to examine the displacement damage defects on the microscopic scale and to explore their relation to the macroscopic properties. Firstly, the test structures fabricated from high resistivity float zone silicon are characterized by standard capacitance/current voltage (CV/IV) curves, and peculiarities related to the shape of the electric field zone are discussed in conjunction with results from proton micro-beam studies. Further, laser-induced current pulse shapes are used to determine the field distribution in the detectors, allowing for the verification of the doping concentrations as inferred from CV data. The elevated temperature annealing behavior of the leakage current and the doping concentration in weakly and heavily damaged devices has been investigated, giving rise to a critical revision of the model descriptions of the damage-induced changes in the operational parameters. The constants characterizing these models are studied as function of the type of the damaging particle (n, p, (, 60Co-() and of the properties of the starting material. While the former allows for an intercalibration of the different sources, the latter is considered as both an experimental search for a material of improved radiation hardness and an effort to correlate the macroscopic damage effects with the microscopic composition of the doping. In particular, lower resistivity n-type silicon is found to be more radiation hard. A full account is given of the measurement of Thermally Stimulated Currents (TSC) which has proven to be the most successful method of recognizing the microscopic features of the displacement damage. However, an unambiguous interpretation of the spectra is not straight-forward, and considerable efforts have been made to unveil the influence of the experimental conditions, chiefly aiming at an accurate extraction of the defect concentrations. Concerning the effect of the filling temperature, the carbon-oxygen complex is found to play a major role. Moreover, deep level ionization energies and cross sections have been evaluated. In this respect more plentiful data have been obtained by means of current Deep Level Transient Spectroscopy (I-DLTS), which in contrast to TSC even allows for the examination of close-to-midgap and very shallow defect levels. Finally, current pulse shape measurements were employed to characterize close-to-midgap traps in neutron and 60Co-gamma damaged samples. It is shown that none of the usually encountered damage-induced defects (VOi , Ci Oi , VV, and Ci Cs ) can account for the observed deterioration of the silicon detectors. Thus less abundant and otherwise overlooked traps have been considered. The observations made on 60Co-gamma damaged samples allow for conclusions regarding their presently unknown chemical nature. TSC has been used to monitor the defect evolution during isochronous annealing, allowing a correlation with the simultaneous macroscopic changes. For the first time evidence is provided for the connection of a sole defect level, exhibiting a metastable behavior, with negative space charge. The defect might also play a role in the long term annealing of the doping concentration. Ionization damage has been investigated using 20 keV electrons from an electron microscope and 60Co-gammas. Both the positive oxide charge and the interface recombination velocity are found to be growing as function of the ionization dose and to approach a saturation level. Finally, the deterioration of the silicon devices to be expected in the inner detector of the approved ATLAS experiment at the LHC is predicted. These calculations, which have been a key design consideration in the ATLAS Technical Proposal, are based on a compilation of all experimental bulk damage data available at that time. The derivation of the world average damage constants and the implementation of the numerical models is presented, and the simulation results are discussed in the framework of the current understanding of the radiation damage processes.