X-ray Radiation Damage Studies and Design of a Silicon Pixel Sensor for Science at the XFEL

Author: 
Jiaguo Zhang
Date: 
May 2013

Thesis Type:

Experiments at the European X-ray Free Electron Laser (XFEL) require silicon pixel sensors which can withstand X-ray doses up to 1 GGy. For the investigation of Xray radiation damage up to these high doses, MOS capacitors and gate-controlled diodes built on high resistivity n-doped silicon with crystal orientations <100> and <111> produced by four vendors, CiS, Hamamatsu, Canberra and Sintef, have been irradiated with 12 keV X-rays at the DESY DORIS III synchrotron-light source. Using capacitance/conductance-voltage, current-voltage and thermal dielectric relaxation current measurements, the densities of oxide charges and interface traps at the Si-SiO2interface, and the surface-current densities have been determined as function of dose. Results indicate that the dose dependence of the oxide-charge density, the interfacetrap density and the surface-current density depend on the crystal orientation and producer.
In addition, the influence of the voltage applied to the gates of the MOS capacitor and the gate-controlled diode during X-ray irradiation on the oxide-charge density, the interface-trap density and the surface-current density has been investigated at
doses of 100 kGy and 100 MGy. It is found that both strongly depend on the gate voltage if the electric field in the oxide points from the surface of the SiO2 to the Si-SiO2 interface.
To verify the long-termstability of irradiated silicon sensors, annealing studies have been performed at 60 ◦C and 80 ◦C on MOS capacitors and gate-controlled diodes irradiated to 5 MGy as well, and the annealing kinetics of oxide charges and surface
current were determined.
Moreover, the macroscopic electrical properties of segmented sensors have also been investigated as function of dose. It is found that the defects introduced by X-rays increase the full depletion voltage, the surface leakage current and the inter-electrode
capacitance of the segmented sensor. An electron-accumulation layer at the Si-SiO2 interface is observed. Its width increases with dose and decreases with applied bias voltage. The electron-accumulation layer is relevant for the change of the electrical
properties of segmented sensors.
Finally, according to the optimum parameters of silicon pixel sensors from TCAD simulations taking the damage-related parameters into account, a radiation-hard silicon pixel sensor for the AGIPD Project has been designed.

Die an dem European X-ray Free Electron Laser (XFEL) geplanten Experimente werden Silizium-Pixel-Sensoren erfordern, die Röntgen-Dosen bis zu 1GGy standhalten können. Für die Untersuchung der Strahlenschäden bei solch hohen Dosen wurden
MOS-Kondensatoren sowie Gate-gesteuerte Dioden mit 12 keV Röntgenstrahlen der DESY DORIS-III Synchrotronquelle bestrahlt. Die verwendeten Strukturen wurden auf n-dotiertem Silizium mit hohem Widerstandswert und mit den Kristallorientierungen
<100> sowie <111> von vier verschiedenen Herstellern gefertigt (CiS, Hamamatsu, Canberra und Sintef). Mit Hilfe von Messungen der Kapazität, der Konduktivität und des Stroms als Funktion der angelegten Spannung, sowie TDRCMessungen
(Thermal Dielectric Relaxation Current), wurden die Dichten von Oxydladungen und Interface-Traps an dem Si-SiO2 Übergang, sowie die Oberflächen Stromdichten als Funktion der Strahlendosis bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die
Dosisabhängigkeit der Oberflächendichte, der Oxydladungen und der Oberflächen Stromdichte von der Kristallorientierung und dem Hersteller abhängen.
Darüber hinaus wurde der Einfluss der während der Röntgenbestrahlung an den Gates des MOS-Kondensators und an der Gate-gesteuerten Diode anliegenden Spannung auf die Oxid-Ladungsdichte, auf die Dichte der Traps an der Grenzfläche sowie
auf die Oberflächen-Stromdichte im Dosisbereich von 100 kGy bis 100MGy untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass diese stark von der angelegten Spannung abhängen, falls das elektrische Feld in dem Oxid von der Oberfläche des SiO2 zu der Si-SiO2 Grenzfläche zeigt. Um die langfristige Stabilität der bestrahlten Silizium-Sensoren zu überprüfen, wurden annealing-Studien bei 60 ◦C und 80 ◦C mit bis zu 5MGy bestrahlten MOS Kondensatoren und Gate-gesteuerten Dioden durchgeführt und so das Ausheilverhalten der Oxidladungen und des Oberflächenstroms bestimmt.
Weiter wurden die makroskopischen elektrischen Eigenschaften von segmentierten Sensoren als Funktion der Dosis untersucht. Es wurde dabei festgestellt, dass die durch Röntgenstrahlung verursachten Schäden die Verarmungsspannung, den Oberflächen
Leckstromund die Kapazität zwischen den Elektroden des segmentierten Sensors erhöhen. Eine Elektron-Akkumulationsschicht an der Si-SiO2 Schnittstelle wurde beobachtet. Dessen Breite wächst mit der Dosis und nimmt mit der angelegten Spannung
ab. Die Elektron-Akkumulationsschicht ist von Bedeutung für die Veränderung der elektrischen Eigenschaften von segmentierten Sensoren.
Die somit gewonnenen Erkenntnisse zu Strahlenschäden in Silizium-Pixel-Sensoren erlaubten das Optimieren der relevanten Paramter mit Hilfe von TCAD-Simulationen und letztendlich die Entwicklung eines strahlenharten Pixel-Sensors für das AGIPDProjekt.

AttachmentSize
PDF icon Jiaguo_Zhang_PhD_2013.pdf18.22 MB