Impact of Irradiations by Protons with di fferent Energies on Silicon Sensors

Author: 
Coralie Neubüser
Date: 
Jan 2013

Thesis Type:

In the frame of the CMS tracker upgrade campaign the radiation damage of oxygen-rich n-type silicon pad diodes induced by 23 MeV and 23 GeV protons was investigated. The diodes were manufactured by Hamamatsu Photonics. After irradiation with 1 MeV neutron equivalent fluences between $1\times10^{11}$ cm$^{-2}$ and $1.5\times10^{15}$ cm$^{-2}$, the sensors were electrically characterized by means of capacitance-voltage (CV) and current-voltage (IV) measurements. Current pulses recorded by the Transient Current Technique (TCT) and Charge Collection Efficiency (CCE) measurements show a dependence of the bulk damage on the proton energy.
At a fluence of $\Phi_{eq}\approx3\times10^{14}$ cm$^{-2}$ oxygen-rich n-type diodes demonstrate clear Space Charge Sign Inversion (SCSI) after 23 MeV proton irradiation. This effect does not appear after the irradiation with 23 GeV protons. Moreover, RD50 pad diodes were irradiated with 23 MeV protons, electrically characterized and compared to results obtained after 23 GeV irradiations. Our previous observation on the energy dependence of the radiation damage could be confirmed. In order to get a deeper understanding of the differences of the radiation induced defects, the Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) and Thermally Stimulated Current Technique (TSC) were utilized. Defects with impact on the space charge could be identified and characterized and it was possible to find some hints for the reason of the SCSI after 23 MeV proton irradiation. Moreover, a dependence on the oxygen concentration of the sensors could be observed.

Es wurde die Strahlenschädigung von n-dotierten sauerstoffreichen Silizium-Flächendioden untersucht. Diese wurden im Rahmen der CMS-Tracker-Upgrade-Kampagne von Hamamatsu Photonics produziert und mit 23 GeV und 23 MeV Protonen im Fluenzbereich von einigen $\Phi_{eq}=10^{11}$ cm$^{2}$ bis $\Phi_{eq}=1.5\times10^{15}$ cm$^{-2}$ bestrahlt. Die induzierten Strahlenschäden wurden mit Hilfe von makroskopischen (CV-/IV-Charakteristiken und Transient Current Technique(TCT)) und mikroskopischen (Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) und Thermally Stimulated Current Technique (TSC)) Messmethoden charakterisiert. Somit konnte die strahleninduzierten Änderungen der effektiven Dotierungskonzentration bzw. der Verarmungsspannung, des Sperrstroms und der Ladungssammlung sowie die Defektkonzentrationen untersucht und verglichen werden.
Während sauerstoffreiche n-dotierte Silizium-Dioden nach einer Bestrahlung mit 23 GeV Protonen eine positive Raumladungsdichte behalten, ändert sich die effektive Raumladung sauerstoffreicher n-Typ Dioden nach 23 MeV Protonen Bestrahlung zu negativen Werten und zeigt somit eine Inversion des Ladungsvorzeichens.
Mit Hilfe von mikroskopischen Messmethoden konnten Defekte mit Einfluss auf die Raumladung identifiziert und charakterisiert werden, auch wenn bis jetzt nur Mutmaßungen über den genauen Grund der Typeninversion angestellt werden können.