Разработка и применение планарных кремниевых детекторов для экспериментов с высокими радиационными потоками

• Автор: Замятин, Николай Иванович
• Шифр специальности: 01.04.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 93 с. : ил

Содержание:
Введение.
Глава 1. Кремниевые детекторы и современные требования для их применения в физике высоких энергий.
1.1. Высокоомный монокристаллический кремний ~ основной материал для изготовления детекторов.

1.2. Основные принципы работы кремниевых планарных детекторов.

1.3. Основные параметры кремниевых планарных детекторов.

1.3.1. Темновойток.

1.3.2. Напряжение полного обеднения детектора.

1.3.3. Ёмкость детектора.

1.3.4. Напряжение пробоя детектора.

1.3.5. Последовательное сопротивление детектора.

1.3.6. Быстродействие кремниевого детектора.
1.3.7. Энергетическое разрешение детектора.
1.4 Стриповые кремниевые детекторы.
1.5. Радиационные повреждения кремниевых детекторов.
1.6. Выводы.
Глава 2. Исследование и выбор кремния для изготовления детекторов по планарной технологии.
2.1. Основные процессы планарной технологии кремниевых детекторов.
2.2. Исходные параметры кремния п-типа проводимости.
2.3. Влияние высокотемпературных технологических операций на параметры кремния.
2.4. Параметры кремния после облучения быстрыми нейтронами.
2.4.1, Время жизни носителей заряда.
2.4.2. Основные типы радиационных дефектов в объёме кремния.
2.5. Выводы.
Глава 3. Кремниевые детекторы до облучения и после облучения быстрыми нейтронами.
3.1. Методика облучения детекторов.
3.2. Методика измерения основных параметров детекторов.
3.2.1. Статические характеристики - (С-У, 1-У).
3.2.2. Динамические характеристики детекторов.
3.2.3. Технологические параметры детекторов.
3.3. Особенности методики измерения параметров детекторов после облучения.
3.3.1. Эффект разогрева и тепловой пробой детектора.
3.3.2. Эффект самоотжига облучённых детекторов.
3.3.3. Рост объёмного тока детектора при облучении.
3.3.4. Уменьшение эффективности сбора заряда в облучённых детекторах.
3.4. Инверсия типа объёмной проводимости п-кремния после облучения детекторов быстрыми нейтронами.
3.4.1. Прямой метод определения «точки инверсии» типа
объёмной проводимости.
3 .4.2. Измерение величины заряда ионизации для детекторов до и
после инверсии.
3.5. Выводы.
Глава 4. Разработка серийных кремниевых детекторов для торцевой предливневой части (ПЧ) электромагнитного калориметра установки CMS.
4.1. Топология серийных стриповых детекторов.
4.2. Зависимость напряжения электрического пробоя от качества
поверхности кремниевых пластин и типа кристаллографической ориентации.
4.3. Влияние толщины п+ омического контакта на параметры детектора.
4.4. Темновые токи и шумы необлучённых и облучённых детекторов.
4.5. Напряжение полного обеднения и рабочее напряжение детектора в зависимости от флюенса быстрых нейтронов и протонов.
4.6. Эффективность собирания заряда (ССЕ) ионизации в необлучённых и облучённых детекторах.
4.6.1. Зависимость ССЕ от напряжения.
4.6.2. Геометрическая однородность ССЕ.
4.7. Выводы.
Глава 5. Исследование прототипов предливневой части на основе стриповых кремниевых детекторов для установки CMS.
5.1. Назначение и основные параметры торцевой предливневой части
калориметра.
5.2. Выбор толщины поглотителя.
5.3. Микромодуль детектора и схема включения с электроникой.
5.4. Исследование прототипов предливневой части (ПЧ) калориметра на пучках заряженных частиц.
5.4.1. Прототип ПЧ для калориметра SHASHLIK.
5.4.2. Прототип ПЧ для калориметра на основе монокристаллов PbWCL.
5.5. Выводы.
Заключение.
Список литературы.

В диссертации описаны исследования, выполненные автором в Объединённом институте ядерных исследований (г. Дубна). Основные результаты этих исследований опубликованы в работах /1+9/. Проведённый цикл работ посвящён разработке планарных кремниевых детекторов для применения в экспериментах с высокими радиационными потоками.
Введение.
Развитие кремниевых детекторов происходило параллельно с развитием и совершенствованием транзисторов и микросхем. Изобретение транзистора (1948 год) и создание теории транзисторов W.Shockley, J.Bardin, W.Brattein было удостоено Нобелевской премии в 1956 году. Разработка полупроводниковой электроники на основе транзисторов потребовала развития и создания новых направлений в науке и технике. Первые транзисторы изготавливались методом "сплавной технологии", затем была создана планарная технология на основе диффузионных процессов легирования. После этого было предложено создавать области с повышенной концентрацией различных химических элементов методом ионной имплантации или ионного легирования полупроводниковых (п/п) материалов. Для ионного легирования были разработаны ионно-лучевые установки (ИЛУ). ИЛУ - это ионные ускорители с большим током в несколько десятков мкА и с высокой однородностью при сканировании по п/п пластине. Обычно энергия ускоренных ионов в таких ИЛУ находится в диапазоне 10+150 кэВ, при этом создаются легированные области глубиной не более 1 мкм на кремнии. Для создания легированных слоев на глубину в несколько микрон применяются установки с энергией выше 1 МэВ, это очень дорогие установки. Измерение профиля легирования потребовало создания аналитического оборудования для элементного анализа в виде установок ВИМС (вторичная ионная масспектроскопия). Для исследования профиля концентрации и типа электрически активных центров в полупроводниках было разработано и создано направление в физике п/п - релаксационная ёмкостная спектроскопия глубоких уровней (DLTS).
Создание микроэлектронной технологии и появление на мировом рынке по коммерчески доступным ценам монокристаллов (Wacker - Германия, Topsill - Дания, Shinitsu - Япония, в СССР - ЗТМК, Запорожье), так называемого “детекторного кремния”, позволило разрабатывать и изготавливать современные планарные кремниевые детекторы. Для экспериментов CMS и ATLAS на ускорительном комплексе LHC (CERN) необходимо более 300 м2 активной площади кремниевых детекторов - это на порядок больше, чем было разработано и изготовлено во всем мире прежде. "Детекторный кремний" - это высокоомный кремний с удельным сопротивлением р > 1 кОмхсм и временем жизни носителей заряда т>1 мсек, получаемый методом “бестигельной зонной плавки - БЗП-кремний” (термин принятый у нас) или в английском варианте - FZ (float zone)-silicon.
С изобретением в 1952 году метода зонной очистки Ge в горизонтальном тигле (W.Pfann)/10/ и затем с предложенным (P.Keck, M.Golay)'"7 в 1953 году ещё более оригинальным методом БЗП или “плавающей зоны” стало возможным получение монокристаллов, пригодных для изготовления детекторов. Монокристаллы кремния выращивают и очищают от примесей в вертикальном положении без контакта жидкой фазы со стенками реактора. Расплавленная зона кремния висит между верхней и нижней твердыми частями кристалла внутри высокочастотного индуктора-нагревателя с меньшим диаметром, чем у кристалла. С появлением монокристаллического кремния с удельным сопротивлением больше 1 кОмхсм стало возможным изготавливать детекторы с обедненной областью (область с электрическим полем внутри детектора) 100+500 мкм для применения сначала в ядерной физике (альфа-, гамма-, ионная - спектроскопия, детектирование электронов, нейтронные счетчики), а затем и в физике высоких энергий (ФВЭ) появились п/п

актуальной и сегодня при изготовлении больших серий детекторов. На Рис. 16 показаны 1-У (графики-1) и С-У (графики-2) характеристики для обоих типов детекторов, разница в напряжении полного обеднения (начало плоского участка на С-У кривых-2) объясняется разбросом удельного сопротивления по пластинам. Из 1-У характеристик (Рис. 16а) видно, что детектор, изготовленный по имплантационной технологии, имеет напряжение пробоя выше на 100 В напряжения полного обеднения. Для детектора на основе поверхностного барьера напряжение пробоя близко к напряжению полного обеднения (Рис. 166). Это связано с наличием п+ омического контакта для детектора по имплантационной технологии и его отсутствием у детектора с поверхностным барьером.
2.4. Параметры кремния после облучения быстрыми нейтронами/2/.
Измерения концентрации свободных носителей заряда в облучённых образцах проводились прямым методом Холла. Для измерений были приготовлены и облучены холловские образцы двух типов:
образцы из исходного материала, не прошедшего через технологические высокотемпературные операции;
- образцы, подготовленные (химическим травлением удалены были имплантированные п+ и р+ слои и метализация) из облучённых детекторов, после того, как у них были измерены (1-У) и (С-У) характеристики и сбор заряда от а частиц.
Для первого типа образцов можно было измерить концентрацию носителей только методом Холла. Для второго типа измерялась концентрация сначала из (С-У) зависимости при комнатной температуре, а потом снималась температурная зависимость из измерений методом Холла. Такой подход позволял проверить корректность результатов, т.к. измерения облучённого быстрыми нейтронами высокоомного кремния имеют ряд особенностей, например: что считать точкой инверсии типа объёмной проводимости.
Особенностью повреждений при облучении быстрыми нейтронами (в отличии от заряженных частиц и фотонов) объёма кремния является преимущественное образование дефектов типа вакансий (нет атома кремния в узле кристаллической решётки) и междуузлий (атом кремния смещён и занимает положение между узлами кристаллической решётки). Эти дефекты имеют свойство аккумулироваться внутри повреждённой области, образуя кластер, с размерами в десятки межатомных расстояний 50+100 А°
2.4.1. Время жизни носителей заряда.
Время жизни носителей заряда это основной параметр материала, который определяет объёмный термогенерационный ток детектора.
^ = е П; 8 ХУ/ТеД,

е - заряд электрона,
П) - собственная концентрация для кремния,
Б - площадь (р-п) перехода,
XV - толщина области объёмного заряда, теГГ - эффективное время жизни носителей.
Согласно теории Шокли-Рида-Холла скорость генерации носителей заряда глубокими центрами можно рассчитать из следующего выражения для генерационного эффективного
Времени ЖИЗНИ Те1Г '
Тед =(ап ехр(Е| - Е,)/кТ + ор ехр(Е* - Е,)/кТ)/ о„ ар У,ь Н,