Charge Losses in Silicon Sensors and Electric-Field Studies at the Si-SiO2 Interface

Author: 
Thomas Pöhlsen
Date: 
Jun 2013

Thesis Type:

Electric fields and charge losses in silicon sensors before and after irradiation with x-rays, protons, neutrons or mixed irradiation are studied in charge-collection measurements. Electron-hole pairs ($eh$pairs) are generated at different positions in the sensor using sub-ns pulsed laser light of different wavelengths. Light of 1063 nm, 830 nm and 660 nm wavelength is used to generate $eh$ pairs along the whole sensor depth, a few $\mu$m below the surface and very close to the surface, respectively.

Segmented p$^+$n silicon strip sensors are used to study the electric field below the SiO$_2$ separating the strip implants. The sensors are investigated before and after irradiation with 12 keV x-rays to a dose of 1 MGy.
It is found that the electric field close to the Si-SiO$_2$ interface depends on both the irradiation dose and the biasing history. For the non-irradiated sensors the observed dependence of the electric field on biasing history and humidity is qualitatively as expected from simulations of the electrostatic potential for different boundary conditions at the surface.
Depending on the biasing history incomplete collection of electrons, full charge collection or incomplete collection of holes is observed. After the bias voltage is changed, the amount of observed charge losses is time dependent with time constants being a
function of humidity. For the irradiated sensors an increased effective oxide charge density and more electron losses are observed compared to the non-irradiated sensors.

Due to positive oxide charges which are always present at the Si-SiO$_2$ interface an electron-accumulation layer forms, if the oxide charge is not compensated by charges on top of the passivation. If negative charges overcompensate the oxide charge, a hole-accumulation layer forms. In both cases the number of accumulated charges can be temporarily increased by incomplete charge collection of either electrons or holes. How many additional charge carriers can be added to the accumulation layer and when the accumulation layer returns to steady state is investigated.

Irradiated silicon pad sensors are used to study the charge-collection efficiency (CCE) of charge carriers generated using laser light of 1063 nm wavelength, as a function of bulk material, active sensor thickness, voltage, temperature, particle type (for the irradiation) and fluence. As a cross check the CCE is also determined for charge carriers generated by electrons from a $^{90}$Sr-source. A precision of 3 \% in the CCE is achieved. Sensors of n-doped and p-doped silicon are compared, as well as sensors
of different crystal-growing methods (magnetic Czochralski (MCz) and float zone (FZ)). The sensor thickness varies from 200 $\mu$m (MCz and FZ) to 320 $\mu$m (FZ). The 320 $\mu$m thick FZ sensors underwent a dopant-diffusion process (dd-FZ) to reduce the active sensor thickness. For the irradiation both protons of different energies (23 MeV and 23 GeV) and reactor neutrons ($\sim$1 MeV) are used. The achieved fluences are between $3\cdot10^{14}$ cm$^{-2}$ and $1.3\cdot10^{16}$ cm$^{-2}$ 1
MeV-neutron equivalent.

The CCE is used to calculate the signal corresponding to a minimum-ionising particle (mip) traversing the sensor and to calculate
the effective distance the generated charge carriers drift. While little difference in CCE between the 200 $\mu$m thick MCz and FZ
materials is found, the dd-FZ materials of both $\sim$200 $\mu$m and $\sim$300 $\mu$m active thickness have a lower CCE, corresponding also to a shorter effective drift distance. The CCE and the effective drift distance are also calculated for $eh$ pairs generated close to the sensor surface using laser light of 660 nm wavelength. The measurements are not compatible with a position-independent trapping probability, and qualitative agreement with a position-dependent occupation of radiation-induced trapping centres due to the dark current is found.

Elektrische Felder und Ladungsträgerverluste in Siliziumzählern vor und nach Bestrahlung mit Röntgenlicht, Protonen, Neutronen oder gemischter Bestrahlung werden mittels Ladungs-sammlungsmessungen untersucht. Sub-ns gepulstes Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge $\lambda$ wird benutzt, um Elektronen-Loch-Paare (EL-Paare) entlang der ganzen
Zählertiefe ($\lambda = 1063$ nm), wenige $\mu$m unterhalb der Oberfläche ($\lambda = 830$ nm) oder direkt unterhalb der Oberfläche ($\lambda = 660$ nm) zu erzeugen.

In segmentierten p$^+$n Siliziumstreifenzählern wird das elektrische Feld unterhalb des SiO$_2$ untersucht, welches die
Streifenimplantierungen trennt. Zähler vor und nach Bestrahlung mit 12 keV Röntgenlicht werden untersucht und es werden Abhängigkeiten der Bestrahlungsdosis, der Luftfeuchtigkeit und der Spannungshistorie festgestellt. Für den nicht-bestrahlten Zähler werden die Effekte durch Simulationen erklärt, in denen verschiedene Randbedingungen an der Zähleroberfläche angenommen werden. Dabei wird sowohl unvollständige Sammlung von Elektronen, vollständige Ladungssammlung und unvollständige Sammlung von Löchern beschrieben.
Nachdem die angelegte Spannung geändert wird, entwickeln sich die Ladungsverluste zeitlich mit Zeitkonstanten, die von der
Luftfeuchtigkeit abhängen.

Aufgrund der positiven Oxidladung, die sich immer an der Si-SiO$_2$-Grenzschicht befindet, bildet sich eine Elektronenakkumulationsschicht, falls die Oxidladung nicht durch Oberflächenladungen auf der Passivierung kompensiert wird. Falls
negative Ladungen die Oxidladung überkompensieren, bildet sich eine Löcherakkumulationsschicht. In beiden Fällen kann die Anzahl der akkumulierten Ladungsträger zeitweise erhöht werden. Es wird untersucht, wie viele Ladungsträger zur Akkumulationsschicht hinzugefügt werden können und wie lange es dauert bis die Akkumulationsschicht wieder ihren
Gleichgewichtszustand erreicht.

In bestrahlte Siliziumflächenzählern wird die Ladungssammlungseffizienz (CCE) von Ladungsträgern, die mit Laserlicht der Wellenlänge 1063 nm erzeugt werden, in Abhängigkeit des Siliziummaterials, der aktiven Zählerdicke, der angelegten Spannung der Temperatur, der zur Bestrahlung verwendeten Teilchenart und der Fluenz bestimmt.
Als Gegenprobe wird die CCE auch in einem weiteren Versuchsaufbau bestimmt, in dem die Ladungsträger durch Elektronen einer
$^{90}$Sr-Quelle erzeugt werden. Die erreichte Genauigkeit auf die Werte der CCE beträgt 3 \%.
Sowohl n-dotiertes und p-dotiertes Silizium, als auch unterschiedlicheMethoden Siliziumkristalle herzustellen (Magnetic-Czochralski (MCz) und Float-Zone (FZ)) werden verglichen. Die verwendeten Zählerdicken sind 200 $\mu$m (MCz, FZ) und 320 $\mu$m (FZ). Auf die 320 $\mu$m FZ-Zähler wurde zusätzlich ein Diffusionsprozess von Dotierungsatomen angewendet (dd-FZ), um die aktive Zählerdicke zu reduzieren. Für die Bestrahlung der Zähler werden sowohl Protonen unterschiedlicher Energien
(23 MeV und 23 GeV) also auch Reaktorneutronen ($\sim$1 MeV) verwendet. Die erreichten Fluenzen liegen zwischen $3\cdot10^{14}$ cm$^{-2}$ und $1.3\cdot10^{16}$ cm$^{-2}$ in 1 MeV Neutronenäquivalent.

Aus der CCE wird das Signal berechnet, das einem minimal-ionisierenden Teilchen entspricht, welches den Zähler durchquert. Während für die 200 $\mu$m dicken MCz- und FZ-Zähler kaum Unterschiede beobachtet werden, ist die CCE für die 200 $\mu$m dicken dd-FZ-Zähler niedriger. Dies entspricht einer kürzeren effektiv zurückgelegten Strecke der Ladungsträger. Die CCE und die effektiv zurückgelegte Strecke werden auch für EL-Paare berechnet, die direkt unterhalb der Zähleroberflächen durch Licht der
Wellenlänge 660 nm erzeugt werden. Die Messungen sind nicht mit einer positionsunabhängigen Ladungseinfangswahrscheinlichkeiten vereinbar und die Abweichungen stimmen qualitativ mit unterschiedlichen
Besetzungswahrscheinlichkeiten der einfangenden Defekte aufgrund des Dunkelstroms überein.

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