Strahlenschäden und Strahlenhärte von Halbleiterdetektorenhebbeker/lectures/sem0607/hansen.pdf ·...

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Ein Vortrag von Wencke Hansen

im Rahmen des Seminars„Hadron-Kollider-Experimente bei hohen Energien“

der RWTH Aachen, WS 06/07

Mit freundlicher Unterstützung von Lutz Feld

Strahlenschäden und Strahlenhärtevon Halbleiterdetektoren

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Motivation

60 kGyin

10 Jahren

StrahlenresistenteEigenschaften

Möglichst lange,funktionstüchtige

Lebensdauer

Anforderungen an Detektor:

6 Gy → menschl. Überlebenschance: 1%

CMS - Endcap

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1. HL-Detektoren

2. Strahlenschäden

3. Substratschäden

4. Oberflächenschäden

5. Ausblick

6. Zusammenfassung

Procedere

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Halbleiter-Detektoren

Pixel

Streifen

Funktionsweise

1. HL-Detektoren2. Strahlenschäden3. Substratschäden4. Oberflächenschäden5. Ausblick6. Zusammenfassung

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Allgemein

Einsatz in der Teilchenphysik:• Ortsmessung

Vorteile von HL-Detektoren:• hohe Dichte• hohe Ortsauflösung (<10µm)• geringe Ionisationsenergie• schnelles Signal • schnelle Signalauslesung• MIP-Signal in 300µm Si:

Signalstärke ~24000e

Vorteile von Silizium:• preisgünstig• bekannt aus Industrieforschung• fast selbsttragend

HL-Detektoren

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• Pixellänge/breite: 50-500µm• 2D: gute Koordinatenbestimmung• Pro Pixel Ausleseelektronik → gute Auflösung• Kleine Kapazität/Rauschen, kleiner Dunkelstrom• Hoher Leistungsbedarf pro Fläche• Alternativlos in Vertexnähe

• Streifenlänge bis zu 20 cm• Streifenabstand (pitch): 20 – 200 μm• Signal/Noise > 10:1• Weniger Ausleseelektronikkanäle• 1D• 2D: Doppelseitiger Streifenzähler

Pixel oder Streifen?HL-Detektoren

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CMSHL-Detektoren

8

7 TeV Proton 7 TeV Proton

CMSHL-Detektoren

Spurdetektor:1. Si-Pixel-Detektor2. Si-Streifen-Detektor

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HL-Detektoren

2,3 m

5,4 m

Gesamter Spurdetektor hat über 200m² Siliziumfläche.

Inner Barrel TIBOuter Barrel TOB

Endkappe TECInner Discs TID

CMS-Spurdetektor

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Tracker - EndkappeHL-Detektoren

Durchmesser: ~2,5m

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Tracker - RadHL-Detektoren

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Tracker - PetalHL-Detektoren

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CMS - Streifendetektor

Silizium Auslese-Elektronik mit6 Auslesechips

HL-Detektoren

10cm

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CMS - Streifendetektor

20 – 200 μm

HL-Detektoren

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pn-Übergänge

E

HL-Detektoren

p-dotierter HL n-dotierter HLVerarmungszone

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Durchlassrichtung

Sperrrichtung

Breite der Depletionszone

Externe Spannung V

Vdeple

2 r 0Neff d²

HL-Detektoren

Na … eff. Akzeptorkonzentration im p-Bereich, Nd … eff. Donatorkonzentration im n-BereichV0 … Diffusionsspannung, εr … relative Dielektrizitätε0 … Vakuums-Dielektrizität

Sperrrichtung

Durchlass-richtung

W2 r 0

eV 0 V 1

N a

1N d

Depletionsspannung

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Sperrrichtung

Dunkelstrom I(T)

Eg...Energie der Bandlückek...Boltzmann KonstanteV...Volumen

I T T² eE g

2kT V

HL-Detektoren

Dunkelstrom eines CMS-Streifendetektors(bei Raumtemperatur)

Dunkelstrom stammt von thermisch generierten Elektron/Loch-Paaren.

Dun

kels

trom

[µA]

T [°C]

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Aufbau

Einkristalliner Wafer aus leicht dotiertemReinstsilizium.

Oberflächenpassivierung

Photolithographie undÄtzen

Dotieren

Annealing

Metallisierung der Vorderseite

Strukturierung durch Photolithographie&Metallisierung der Rückseite

HL-Detektoren

Fertiger Streifendetektor mit Ausleseelektronik

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• Komplett verarmter Halbleiter (hohe Sensitivität)• Strahlung erzeugt Elektron/Loch (eh) - Paare• Ladungsträger werden von Elektronik als Signal ausgelesen

Funktionsprinzip eines Detektors

Sperrrichtung

HL-Detektoren

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AuslesechipHL-Detektoren

Verstärker

Pulsformer

Komparator

Pipeline

Datenreduktion

Ausleseregister

Steuerlogik

digital analog

128 Kanäle

• 128 Kanäle• Auslese

• ATLAS/CMS: binär / analog• Pulsformung

• ATLAS/CMS: ~25ns / 25ns–50ns• Pipeline mit

• ATLAS: 132 Zellen → ~3µs• CMS: 192 Zellen → ~4µs

• Datenreduktion• ATLAS/CMS: ja / nein

•Leistung• ATLAS/CMS: 3.0 / 2.3 [mW/Kanal]

• Strahlenharter Prozess • ATLAS/CMS: DMILL / CMOS

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Strahlenschäden


Strahlenbelastung

Schäden allgemein

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Strahlenbelastung am LHC• ~1000 Teilchen / 25ns

• Strahlendosen & -flüsse:• ionisierender Energieverlust

→Dosis [Gy]• nicht-ionisierender Energieverlust

→Teilchenfluss [cm-2]

• Streifen-Detektoren nach 10 Jahren~ 60 kGy~ 1.5x1014 1-MeV-Neutronen/cm²

• Pixel-Detektoren nach 10 Jahren~ 600 kGy~ 1015 1-MeV-Neutronen/cm²

• Beschädigungsfaktoren:• Dosis / Fluss• Bestrahlungsdauer• Betriebsspannung• Betriebstemperatur• Detektordesign

• Qualifizierungstests der Komponenten mit• Protonen-, Neutronen-, Pionen-Strahlung

Strahlenschäden

Strahlenbelastung des Pixeldetektors im CMS Tracker

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Substratnicht-ionisierend

Oberflächeionisierend

Strahlenschäden• primär

• sekundär

Detektor

Elektronik

Detektor

SchädenStrahlenschäden

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Substratschäden

Defekte

Auswirkungen

Annealing


Strahlenschäden

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Punkt-DefekteStrahlenschäden

1 bis 2 keV

→ Fehlstellen

→ Zwischengitteratome

→ Frenkel-Defekt

PKA

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2 bis 12 keV → Clusters• 5 nm Durchmesser• 100 Gitterversetzungen

Cluster - Defekte

Versetzungen haben neue Energieniveaus in der Bandlücke zur Folge!

Strahlenschäden

1 bis 2 keV

→ Fehlstellen

→ Zwischengitteratome

→ Frenkel-Defekt

PKA

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Non-Ionising-Energy-Loss – Hypothese:Strahlenschädigung des Gitters ~ nicht-ionisierenden Energieverlust

~ Versetzungsenergie aller Versetzungen

Schadenwirkungen durch 1 MeV Neutronen als Normierung: “Äquivalenter Fluss” Φeq

D E E0

ER,max

f E,ER P ER dER

NIEL / Äquivalenter Fluss Φeq

Schädigungs-Funktion

ν...alle möglichen Reaktionen zw. Teilchen & Gitteratomσ... Wirkungsquerschnitt der Reaktionen νf...WS für Erzeugung von PKA mit ERE...Energie des einfallenden. TeilchensER...Stoß-Energie des PKAsP...Verteilungsfunktion

Strahlenschäden

D (En=1 MeV) = 95 MeVmb

NIEL D E

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Härte Faktor κ erlaubt Vergleich von Schadenswirkungen.Vergleich mit Schaden von Fluss von 1 MeV Neutronen.

Härte Faktor

D(24GeV p) ≈ 60 MeV mb→ NIEL=1,265 keV cm²/g

D(1MeV n) ≈ 100 MeV mb→ NIEL=2,144 keV cm²/g

Strahlenschäden

eq

NIEL 24 GeV pNIEL 1 MeV n

0,63

Beispiel: Ein Fluss von 1,5 ⋅ 1014 1-MeV-n/cm² entspricht dann:

eq 1,5 1014

0,6324GeV p

cm²2,38 1014 24GeV p

cm²

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Auswirkungen

1. Änderung der effektiven DotierungE-Niveaus nahe der Bandkante

2. Höherer DunkelstromE-Niveaus nahe der Bandmitte

3. Vermehrung von Trapping Centers

• Defekte• Verunreinigungen Neue Energieniveaus

Strahlenschäden

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Φ

Typ-Inversion

N-Typ wird zu p-Typ : Typ Inversion

V deple

2 r 0N eff d²

Nach Typ-Inversion ist vollständige Verarmung nötig!

n-typ

p-typ

|Neff|

0

Strahlenschäden

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Beneficial AnnealingRekombination→ Positiv!

Zeit t

Annealing

• Beide Annealings nehmen mit steigender Temperatur zu• Kein Reverse Annealing für T < 0°C!

Strahlenschäden

InstabilePunktdefekte

Annealing = Das Heilen von primären Punktdefekten mit der Zeit.

Reverse AnnealingStabile Sekundäreffekte

→ Negativ!

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DunkelstromStrahlenschäden

Neue Energieniveaus→ einfacheres Überwinden

der Bandlücke→ größerer Dunkelstrom

• Der Dunkelstrom steigt linear mit Фeq an.

• Der Linearitätsfaktor ist die sog. Damage Rate α.

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Damage Rate αStrahlenschäden

eqI

Volα... Damage RateI...DunkelstromV...Volumen des Detektors

• Temperaturabhängig• Zeitabhängig

Annealing Zeit bei 60°C [min]

I T T² eE g

2kT V

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Thermal Runaway

Fall 1: TSi>Tkrit→ System „rennt weg“, I(T) → ∞

Fall 2: TSi<Tkrit→ System rennt zu Tstabil

Abhilfe: • niedrige Betriebstemperatur • effiziente Kühlung! (-10°C)

→ starke Steigung der P(T)-Kurve

Strahlenschäden

Leistung P = Vdepl⋅I(T)Beispiel: P0 = 500V ⋅ 1mA = 0,5W

Pdet I T T Si2 e

Eg

2kT V

Tstabil

Tkrit

T Si Pdet

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Trapping Centers

CCE ... Effizienz bei der Sammlung von Ladungsträgern

Verminderung der CCE

Ungeladene Störstellen, welche freie Ladungsträger

“einfangen” können.

Signalverminderung

Strahlenschäden

Φ24 GeV p [1014 cm²]

Ladu

ng Q

/Q0 [%

]

Charge Collection Efficiency

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Verbesserung der Strahlenhärte

Wichtige Faktoren für strahlenharte HL-Detektoren:

• Effiziente Kühlung

• Saubere Prozessführung

• Vermeidung von Feldspitzen → Sensordesign

• Möglichst kleine benötigte Spannung→ Clevere Wahl der Ausgangsdotierung und der Sensordicke

• Defect Engineering→ Reduktion der Folgeschäden

Strahlenschäden

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Vermeidung von Feldspitzen

Field Plates

• Gleichmäßiges Teilen der Spannung • Vermeidung hoher Feldstärken • Verhinderung von Leckströmen

Strahlenschäden

p-Si p-Si

• Änderung der Form elektrischer Felder

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AusgangsdotierungStrahlenschäden

V deple

2 r 0N eff d²

• hohe Strahlenbelastung:→ dünnerer Sensor (z.B. 300µm)

& hohe |Neff|

• niedrigere Strahlenbelastung:→ dickere Sensoren (z.B. 500 µm)

& niedrige |Neff|

Fluss Φeq [1013]

V dep

l[V

], 30

0µm

, gem

esse

n

V dep

l[V

], 40

0µm

, vor

herg

esag

t

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Defect EngineeringEingefügte Fremdatome können große Auswirkunge auf das Verhalten des Materials unter Strahlungseinwirkung haben!

SauerstoffBei Hadronen

Magnetic Czochralski(MCZ)

→ Oxygenation→ Reduktion des Reverse Annealings

Strahlenschäden

Kohlenstoff

V dep

l[V]

, 300

µm

|Nef

f| [c

m- ³]

Protonfluss (24GeV/cm²)

Protonfluss Φeq [1014]

V dep

l[V]

, 300

µm

40

BetriebsszenarioStrahlenschäden

Stufenform aus 3 Phasen1. Betrieb2. Annealing3. Ruhephase

→ Um Reverse Annealingzu verhindern, ist es wichtig, den Detektor ständig zu kühlen! (T<0°C)

1

2 3

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Oberflächenschäden


MOSFET

Aufladungen

Elektronikschäden

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Oxidschichten

Oxidschäden sind hauptverantwortlich für Schäden an der Ausleseelektronik!


• Schutzschicht aus SiO2• Strahlung erzeugt pos. Aufladung• „Fixed Oxide Charges“

• Folgen für Detektoren:→ Höhere Zwischenstreifen - Kapazität → Geringerer Widerstand→ Höheres Rauschen,

schlechte Ortsauflösung→ Oberflächen Leckströme erhöht

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MOSFET

Metal–Oxide–Semiconductor–Field–Effect-Transistor

• Kondensator: Leiter - Isolator – Leiter• Spannungsgesteuerter Widerstand

zwischen Gate (G) und Source(S)• Reguliert Strom zwischen Drain und S!• Erhöhung der Spannung

→ n-leitender Kanal von S nach D

Folgen der Oxidaufladungen durch Bestrahlung:• Verschiebung des MOS-Arbeitspunktes• Parasitäre Ströme

Größere Aufladungen erfordern größere Spannungen!

V FB MS

Qi

Cox

1ox 0

dox

ox x x dx ρox...Ladungsträgerdichte im OxidDox...Dicke des OxidsCox...Kapazität des OxidsQi... Interface Charge


Flat Band Voltage VFBist die Spannung am Gate, die Oxydladungen gerade kompensiert.

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Strahlenharte Technologien

Standard CMOS-Prozess:Deep Submicron• Strukturgröße: ≤ 0,25µm• Tunneling → Neutralisierung• gute Effizienz, kostengünstig• intrinsisch strahlungstolerant!• z.B. CMS

Spezielle strahlenharte Prozesse, z.B. DMILL BiCMOS-Prozess• ≥0.8 μm Strukturgröße• bis 100 kGy• sehr speziell, wenig effizient• teuer• z.B. ATLAS


Flat

Ban

d V

olta

geS

hift

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Auswirkungen von Oberflächenschäden

Elektronik

• Veränderung des Arbeitspunkts von MOS-Transistoren

• Parasitäre Ströme

→ Intrinsische Strahlenhärte von Submicron Prozessen

Detektor

1. Anstieg der Zwischenstreifen-Kapazität, weniger Widerstand

→ weniger Signal, mehr Rauschen!

2. Erhöhter Oberflächenleckstrom


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Ausblick


3D-Detektoren

Alternative Materialien

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3D-Detektoren

Planar-Detektor

3D- Detektor

Eigenschaften 3D

• Streifen „senkrecht“ zur Oberfläche • Verarmungszonendicke abhängig

nur von Elektrodenabständen• Niedrige Depletionsspannungen→ Sehr hohe Strahlenhärte!

Vorteile gegenüber Planartechnologie

• Kleinere Depletionsspannung• Kürzerer Ladungsträgerweg• Schnellere Ladungssammlung• Höhere CCE (Effizienz)

Ausblick

Nachteilgegenüber Planartechnologie

• Aufwendige Prozessierung

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Alternative: Beispiel Diamant

Si Diamant

Bandlücke Eg [eV] 1.12 2.99

Energie pro eh-Paar [eV] 3.6 6.9

LadungsträgerLebensdauer [μs] 250 0.001

Ordnungszahl Z 14 6

Vorteile • Große Bandlücke -> min. Dunkelstrom• Hohe Mobilität der Ladungsträger

→ schnelles Signal• Betriebstemperatur = Raumtemperatur• Hohe Strahlungstoleranz!

Ausblick

Nachteile gegenüber Silizium• Kleineres Signal: < ½ Siliziumsignal• Herstellung von großflächigen Wafern schwierig!• Teuer!

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1. HL-Detektoren2. Strahlenschäden3. Substratschäden4. Oberflächenschäden5. Outlook6. Zusammenfassung

Zusammenfassung

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Zusammenfassung• HL-Detektoren

• Sensor & Ausleseelektronik: Substrat (Bulk), Oberfläche• Hohe Luminosität → Strahlenschäden!

• Substratschäden• Zusätzliche Energieniveaus• Änderung der effektiven Dotierung → Typ-Inversion• Mehr Dunkelstrom → Risiko: Thermal Runaway• Erzeugung von Trapping Centers → Minderung des Signals

• Oberflächenschäden• Positive Aufladungen, Bildung der Akkumulationsschicht • Elektronikschäden

• Verbesserung der Strahlenhärte• Defect Engineering → Oxigenation• Field Plates, Guard Rings• Kühlung• Deep Sub Micron – Technologie

• Ausblick• 3D-Detektoren• Diamant

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