Критические элементы p-i-n структур на основе высокоомного кремния.
Анализ работы и модельные представления

Тип работы:
Диссертация
Предмет:
Физико-математические науки
Страниц:
113


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

1.1. Актуальность темы исследований

Инструментальное обеспечение экспериментальной физики высоких энергий многие десятилетия основывалось на газовых позиционно чувствительных детекторах [1] и трековых пузырьковых камерах [2]. Создание нового типа ускорителей — коллайдеров и проведение экспериментов на встречных пучках с недостижимой ранее энергией частиц потребовало разработки новых детектирующих систем. При столь высоких энергиях (в единицы ГэВ) и плотностях пучков сталкивающихся частиц возникают одновременно тысячи вторичных частиц, траектории которых расположены на расстояниях в десятки микрон, а времена жизни отдельных из них не превышают долей наносекунды. Очевидно, что упомянутые выше газовые детекторы не удовлетворяют требованию пространственного разрешения и быстродействия, а пузырьковые камеры не способны зарегистрировать траектории всех частиц при столь высокой плотности. Поэтому уже в 80-х годах прошлого века начались работы по применению кремниевых детекторов в физике высоких энергий, показавшие их перспективность [3]. Основное внимание было уделено позиционно чувствительным детекторам в виде матрицы отдельных р-п переходов. Этот путь привел к существенному прогрессу в пространственной разрешающей способности, повысив ее в десятки раз, а с применением кремниевой планарной технологии было достигнуто координатное разрешение в единицы микрон.

В тоже время, в рамках экспериментов на встречных пучках на Большом Адронном Коллайдере (БАК) в ЦЕРНе исследовалось полное сечение протон-протонного взаимодействия релятивистских протонов. Исследования в этой области позволяют получить константы для описания взаимодействия ускоренных частиц и в частности их дифракции. Для проведения таких измерений необходимо регистрировать частицы, рассеянные под предельно малыми углами по отношению к первичному протонному пучку. Эта задача оставалась до недавнего времени не доступной для экспериментального исследования. Требование регистрации частиц, рассеянных под предельно малыми углами приводит к ограничению, накладываемому на максимальное расстояние между протонным пучком и чувствительной областью детекторов, критическая величина которого составляет десятки мкм.

Ранее для этой цели использовались сцинтилляционные детекторы [4]. В совокупности с новым уровнем требований, высокой эффективностью преобразования энергии частицы в электрический сигнал по сравнению с другими типами детектирующих структур и малыми габаритами использование полупроводниковых детекторов в такой задаче являются оптимальным. Кремниевый детектор, удовлетворяющий описанной задаче, должен обладать следующим набором характеристик [3]:

• позиционное разрешение на уровне единиц мкм-

• скорость отклика на зарегистрированную частицу — единицы не-

• рабочее напряжение в сотни вольт-

• стандартная для кремниевых детекторов чувствительность (соотношение сигнал/шум) —

• чувствительную область распространяющуюся, как минимум, до одного края структуры (для регистрации частиц рассеянных под малыми углами).

Для получения указанных характеристик необходимо рассматривать следующие элементы детектирующих стриповых структур на основе высо-коомного кремния как критические и определяющие оптимальный режим работы:

• межстриповую область и её изолирующие свойства-

• систему плавающих охранных кольцевых /?±и-переходов для периферийных областей матриц р-п переходов и распределение потенциалов на кольцевых ?> ±и-переходах-

• чувствительную торцевую область стриповых структур. Цель работы

Исследование физических процессов в матричных структурах на основе р-п переходов в их чувствительных, периферийных и торцевых областях с целью создания обобщённой модели их функционирования, использование которой позволяет создавать матричные сенсоры оптимальной конструкции.

Для достижения намеченной цели при выполнении диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

• провести исследование межсегментной изоляции в матрицах р-п переходов на основе высокоомного кремния, которое определяет взаимовлияние соседних элементов позиционно-чувствительных приемников излучения, создать модель, объясняющую полученные результаты-

• провести исследование распределения потенциала в охранных структурах (системе плавающих кольцевых //-& laquo--переходов), создать модель, объясняющую полученные результаты-

• провести исследование распределения потенциала и ВАХ в торцевой области, создать модель, описывающую и объясняющую распределения потенциала, электрического поля и ВАХ в области торца р-г-п структуры.

Научная новизна

1. Разработаны и созданы образцы сегментированных р-п переходов с большой длиной межсегментных промежутков, необходимые для исследования свойств межсегментного промежутка.

2. Показано, что ВАХ межсегментного промежутка зависит от напряжения, приложенного к р-1-п структуре, и зависит от величины объемного темнового тока, генерируемого в i — области.

3. Разработана модель межсегментного взаимодействия.

4. Определены закономерности распределения потенциала по системе колец с плавающим потенциалом — нарушение линейности деления потенциала под действием тангенциальной составляющей электрического поля под сегментами делителя потенциала. Выполнена экспериментальная проверка сделанного вывода на специально разработанных тестовых структурах с увеличенным количеством колец в диапазоне напряжений до 1000 В.

5. Разработана модель распределения потенциала по системе колец с плавающим потенциалом.

6. Показано, что возможна оптимизация топологии сегментирования колец, которая, с учетом нелинейности деления потенциала, позволяет стабилизировать ВАХ структуры.

7. Проведен анализ свойств торца р-1-п структуры как элемента, влияющего на вольтамперную характеристику структуры и на транспорт носителей в области торца.

8. Разработана качественная физическая модель, описывающая формирования потенциала на торце и модель, описывающая процессы в прилежащей к торцу области пространственного зарядар-1-п структуры.

Положения, выносимые на защиту

1. Предложенная модель взаимовлияния соседних сегментов согласуется с экспериментальными вольт-амперными характеристиками межсегментного промежутка и объясняет зависимость величины межсегментной изоляции р-г-п структуры от распределения электрического поля в обеднённой & iexcl--области и межсегментном промежутке ['].

2. Предложенная модель распределения потенциала в охранных структурах (система плавающих кольцевых /?±и-переходов) кремниевых р-1-п структур согласуется с экспериментальными вольт-амперными характеристиками межкольцевых промежутков и объясняет эффект & laquo-задержки»- распространения потенциала по системе плавающих кольцевых /?±& laquo--переходов (что приводит к жесткой стабилизации потенциалов отдельных колец и позволяет осуществить требуемое деление потенциала) [ ].

3. Предложенная токовая модель сильно разрушенного слоя на торце рч-п структуры согласуется с экспериментально определенными распределениями потенциала и напряженности электрического поля на поверхности края структуры с торцевой чувствительностью и демонстрирует, что процесс ис-текания тока из области разрушенного /з -я-перехода торца ответственен за характерную омическую ВАХ внешнего кольца с большой величиной тока [3].

Теоретическая значимость работы

В результате выполненных исследований решена актуальная научная задача: создана токовая модель кремниевых рА-п структур с торцевой чувствительностью, описывающая их работу. Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в создании модели кремниевых детекторов излучений нового типа — детекторов с торцевой чувствительностью. Разработанные модели позволили создать конструкцию позиционно чувствительных микростриповых детекторов с торцевой чувствительностью (её§ е1еБ8-детекторов) для эксперимента ТОТЕМ на БАК в ЦЕРНе, которые затем были произведены в Научно-исследовательском институте материаловедения (НИИМВ г. Зеленоград) в количестве 400 приборов для детектирующих модулей БАК. Впервые для кремниевых планарных детекторов была получена ширина нечувствительной области детектора вблизи его торца на уровне 40 мкм, что с учетом их долговременной стабильности и технологичности для массового изготовления является качественно новым результатом.

Результаты проведенных исследований позволили провести модернизацию системы детектирования рентгенофлуоресцентного спектрометра, используемого для определения количественного состава материалов [4]. Диссертационная работа финансировалась международным грантом 1ЫТА8−081 № 06−1 000 012−8844, грантом президента РФ НШ-3306. 2010. 2, программой фундаментальных исследований Президиума РАН & laquo-Экспериментальные и теоретические исследования фундаментальных взаимодействий, связанные с работами на ускорительном комплексе ЦЕРН& raquo- за 2009−2012 г. г., а, также, научной программой UEPH-RD50.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования

Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечиваются: использованием современных экспериментальных методик, воспроизводимостью экспериментальных данных, сопоставлением результатов исследования с литературными данными, интерпретацией полученных результатов на основе современных модельных представлений физики конденсированного состояния. Апробация работы

Результаты исследований опубликованы в четырех статьях [14] в рефе

5 7 рируемых журналах и трех докладах международных конференций [ «, докладывались на 8 и 9 Международных конференциях «Position Sensitive Detectors» (2009, 2011, Англия). Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из Введения, литературного обзора, трёх экспериментальных разделов и раздела Выводы. Диссертация изложена на 113 страницах машинопечатного текста, включая 32 рисунка и 90 наименований библиографии.

6. выводы

1. Обнаружен и объяснен эффект & laquo-переключения»- тока, определяющий сопротивление межсегментной изоляции, когда свойства области пространственного заряда обратносмещенных p-i-n структур определяют проводимость межсегментного промежутка. Показано, что изменения разности потенциалов между сегментами приводят к перераспределению токов сегментов и к дополнительной компоненте токового шума сенсора.

2. Сформулирована модель, объясняющая эффект & laquo-переключения»- тока между сегментами p-i-n структуры и согласующаяся с экспериментом.

3. Показано, что распределение потенциалов по структуре колец, образованных плавающими р-n переходами, характеризуется нарушением линейности деления потенциала под действием тангенциальной составляющей электрического поля под сегментами делителя потенциала. Данный вывод экспериментально проверен на специально разработанных тестовых структурах с увеличенным количеством колец, в диапазоне напряжений до 1000 В. Показано, что возможна оптимизация топологии сегментирования колец, которая, с учетом нелинейности деления потенциала, позволяет стабилизировать ВАХ p-i-n структуры.

4. Предложена модель распределения потенциала в охранных структурах (VTS — voltage terminating structure) кремниевых p-i-n структур, в которых VTS представляет собой систему плавающих кольцевых р±п-переходов. Модель базируется на экспериментальных вольт-амперных характеристиках межкольцевых промежутков, которые получены для структур, изготовленных на высокоомном кремнии с удельным сопротивлением от 1 до 25 кОм • см.

5. Показано, что протекание инжекционного тока является универсальным принципом работы VTS с плавающими кольцами и приводит к жесткой стабилизации потенциалов отдельных колец, в результате чего возможно осуществить требуемое деление потенциала независимо от удельного сопротивления полупроводникового материала. Модель не имеет ограничения по удельному сопротивлению материала.

6. Проведено сопоставление результатов измерения распределений потенциала и напряженности электрического поля на поверхности края р-ьп структуры с торцевой чувствительностью с модельными представлениями о его функционировании. Выполненный анализ подтвердил справедливость модели аморфного слоя на торце р-ьп структуры. Важным дополнительным аспектом, расширяющим модель функционирования её§ е1еБ8-структур, является определение характера истекания тока из области разрушенного р± п-перехода торца, причем показано, что именно этот процесс ответственен за характерную для ес^еквБ — структур омическую ВАХ внешнего кольца с большой величиной тока (сотни мкА).

5. 5. Заключение

Проведено сопоставление результатов измерения распределений потенциала и напряженности электрического поля на поверхности края ес^е1е88-структуры с торцевой чувствительностью с модельными представлениями о его функционировании. Выполненный анализ подтвердил справедливость модели аморфного слоя на торце ес^екзБ-структуры. Важным дополнительным аспектом, расширяющим модель функционирования ес1§ е1еБ8-структуры, является определение характера истекания тока из области разрушенного р± п перехода торца, причем показано, что именно этот процесс ответствен за характерную для ес^еЬБЗ-структур омическую ВАХ внешнего кольца с большой величиной тока (сотни мкА).

ПоказатьСвернуть

Содержание

1. ВВЕДЕНИЕ 4

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10

2.1. Кремниевые полупроводниковые детектирующие структуры с р-п переходом — преимущества и области использования 10

2.2 Элементы стабилизации вольт амперных характеристик р-п переходов

2.3. Выбор и обоснование физического принципа создания кремниевых р-1-п структур с торцевой чувствительностью

2.4. Способ уменьшения влияния близко расположенного торца на характеристики р4-п структур. Изоляция торца

Список литературы

1. Клайнкнехт, К- Детекторы корпускулярных излучений. М., 1990.

2. Акимов, Ю- Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. "- Дубна, 2009.

3. Медведев, М. Сцинтилляционные детекторы. М., Атомиздат, 1977.

4. Chaudhari, P., Singh, A., Topkar, A., Dusane, R. Hot wire chemical vapor deposited boron carbide thin film/crystalline silicon diode for neutron detection application // 2012, Solid-State Electronics 78, pp. 156−1581. Dijkstra, H., Libby, J.

5. Overview of silicon detectors // 2002, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 494 (1−3), pp. 86−93.

6. Dijkstra, H. Overview of silicon detectors //2002, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 478 (1−2), pp. 37−45.

7. Zhou, H., Coates, N.E., Hernandez-Sosa, G., Moses, D. New configuration of solid-state neutron detector made possible with solution-based semiconductor processing // 2012, Advanced Functional Materials V. 22 (15), pp. 3279−3283.

8. Du, W., Inokawa, H., Satoh, H., Ono, A. Single-photon detection by a simple silicon-on-insulator metal-oxide-semiconductor field-effect transistor // 2012, Japanese Journal of Applied Physics V. 51 (6 PART 2), art. no. 06FE01.

9. Menichelli, D., Bruzzi, M., Li, Z., Eremin, V. Modelling of observed double-junction effect //1999, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 426 (1), pp. 135−139.

10. Jiang, Z., Qing, Q., Xie, P., Gao, R., Lieber, C.M. Kinked p-n junction nanowire probes for high spatial resolution sensing and intracellular recording // 2012, Nano Letters V. 12(3), pp. 1711−1716.

11. Z. Li, C.J. Li, V. Eremin, and E. Verbitskaya. Temperature stimulated abnormal annealing of neutron induced damage in high resistivity silicon detectors, //1997, Nucl. Instr. and Meth., A385, pp. 321−329.

12. Z. Li, C.J. Li, V. Eremin, and E. Verbitskaya. Direct observation and measurements of neutron induced deep levels responsible for Neff changes in high resistivity silicon detectors using TCT //1997, Nucl. Instr.& Meth., A388, pp. 297 307.

13. E. Fretwurst, V. Eremin, H. Feick, J. Gerhardt, Z. Li, and G. Lindstroem. Investigation of damage defects in silicon by TCT //1997, Nucl. Instr.& Meth., A388, pp 356−360.

14. Z. Li, C.J. Li, and E. Verbitskaya. Study of bulk damage in high resistivity silicon detectors irradiated by high dose of 60Co у -irradiation //1997, IEEE Trans. Nucl. Sci., v. 44, pp. 834−829.

15. Z. Li, V. Eremin, I. Ilyashenko, A. Ivanov, and E. Verbitskaya. Investigation of Epitaxial Silicon Layers as a Material for Radiation Hardened Silicon Detectors //1998, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-45, No. 3, pp. 585−590.

16. U. Biggeri, E. Borchi, M. Bruzzi, Z. Li, and E. Verbitskaya. Study of electrical properties of high and medium resistivity silicon detectors irradiated with very high neutron fluence //1998, Nucl. Instr.& Meth., A409, N 1−3, pp. 176−179.

17. Lutz, G- Semiconductor radiation detectors. Springer. 1999, p. 271.

18. Агаларзаде, П- Петрин, А- Изидинов, С- Основы конструирования и технологии обработки поверхности р-n перехода. Москва. 1978.

19. Baliga, B- Fundamentals of power semiconductor devices. N.Y., Springer Science. 2008. p. 137.

20. Еремин, BK- Фадеева, HH- Вербицкая, EM- Теруков, ЕИ. Влияние облучения нейтронами на характеристики делителей потенциала кремниевых детекторов излучений // 2012, ФТП, т. 46, 7, с. 971−978.

21. Verbitskaya, E- Eremin, V- Zabrodskii, A Operational voltage of silicon heavily irradiated strip detectors utilizing avalanche multiplication effect // 2012, J. Instrum., v. 7, 2 ArtNo: #C02061.

22. Eremin, V- Verbitskaya, E- Eremin, I- Tuboltsev, Yu- Fadeeva, N- Egorov, N- Golubkov, S- Chen, W- Li, Z Spectra distortion by the interstrip gap in spectroscopic silicon strip detectors // 2012, J. Instrum., v. 7, 7 ArtNo: #C07002.

23. Вербицкая, EM- Еремин, BK- Сафонова, HH- Еремин, ИВ- ТубольцевДОВ- Голубков, CA- Коньков, К А Распределение потенциала в охранных структурах с плавающими кольцевыми р-п-переходами кремниевых детекторов излучений // 2011, ФТП, т. 45, 4 с. 547−553.

24. Verbitskaya, E- Eremin, VK- Ruggiero, G Development of radiation hard edgeless detectors with current terminating structure on p-type silicon // 2011, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A-Accel. Spectrom. Dect. Assoc. Equip., v. 658, l, pp. 108−117.

25. Harkonen, J- Eremin, V- Luukka, P- Czellar, S- Maenpaa, T- Dierlamm, A- Frey, M- Li, Z- Kortelainen, MJ- Lampen, T- Moilanen, H- Tuovinen, E-

26. Verbitskaya, E- Tuominen, E Test beam results of a heavily irradiated Current Injected Detector (CID) // 2010, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A-Accel. Spectrom. Dect. Assoc. Equip., v. 612, 3, pp. 488−492.

27. Verbitskaya, E- Eremin, V- Ruggiero, G. Status of silicon edgeless detector developments for close-to-beam experiments // 2010, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A-Accel. Spectrom. Dect. Assoc. Equip., v. 612, 3, pp. 501−508.

28. Eremin, V- Verbitskaya, E Analytical model for 3D detectors parameterization // 2010, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A-Accel. Spectrom. Dect. Assoc. Equip., v. 612, 3, pp. 516−520.

29. Harkonen, J- TuovinenJE- Luukka, P- Tuominen, E- Li, Z- Eremin, V- Verbitskaya, E. Radiation hard silicon for medical, space and high energy physicsapplications // 2009, Advanced Materials Science and Technology. Mater. Sci. Forum

30. Luukka, P- Harkonen, J- Tuovinen, E- Czellar, S- Eremin, V- Li, Z- Tuominen, E- Verbitskaya, E Characterization of radiation hard silicon materials //2009, Advanced Materials Science and Technology. Mater. Sci. Forum, v. 614, pp. 207 214.

31. Balbuena, JP- Pellegrini, G- Lozano, M- Ruggiero, G- Ullan, M- Verbitskaya, E Simulation of irradiated edgeless detectors // 2008, Nuclear Science Symposium Conference Record, 2008. NSS '08. IEEE IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imag. Conf., pp. 2553−2556.

32. Eremin, V- Verbitskaya, E Analytical approach for 3D detectors engineering2008, Nuclear Science Symposium Conference Record, 2008. NSS '08. IEEE IEEE Nucl. Sci. Symp. Med. Imag. Conf., v. 1−9, pp. 2717−2720.

33. Eremin, V- Harkonen, J- Li, Z- Verbitskaya, E Current injected detectors at super-LHC program // 2007, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A-Accel. Spectrom. Dect. Assoc. Equip., v. 583, 1 Spec., pp. 91−98.

34. В. Сандуковский, Препринт ОИЯИ 13−82−90. Дубна, 1982 644 626

35. A. Dorokhov, C. Amsler, D. Bortoletto, V. Chiochia, L. Cremaldi, S. Cucciarelli, M. Konecki, C. Regenfus, T. Rohe, D, T. Speer et al. Tests of silicon sensors for the CMS pixel detector//2004, Nucl. Instr. and Meth. A 530, 71.

36. FAIR Baseline Technical Report. ISBN 3−9 811 298−0-6- EAN 978−3-98 112 980−9. Sept 2006, p. 18.

37. V. Eremin, J. Bohm, S. Roe, G. Ruggiero, P. Weilhammer. The charge collection in single side silicon microstrip detectors //2003, Nucl. Instr. and Meth., A 500, 121.

38. Бордовский Г. А., Гладких П. В., Еремин И. В., Марченко А. В., Серегин П. П., Смирнова Н. Н., Теруков Е. И. Рентгенофлуоресцентный анализ халько-генидных стекол AS-GE-SE. Письма в Журнал технической физики. 2011. т. 37. Вып. 6. с. 15−20.

39. B.J. Baliga. Fundamentals of Power Semiconductor Devices. New York, Springer Science, 2008.

40. K.P. Brieger, W. Gerlach and J. Pelka. Blocking capability of planar devices with field limiting rings //1983, Sol. St. Electron., 26(8), 739.

41. K.D. Suh, S.W. Hong, K. Lee, C. -K. Kim. An analysis for the potential of Floating Guard Rings //1990, Sol. St. Electron., 33(9), 1125.

42. B.J. Baliga. Closed-form analytical solutions for the breakdown voltage of planar junctions terminated with a single floating field ring //1990, Sol. St. Electron., 33, 485.

43. D.G. Bae, S.K. Chung. An analytic model of planar junctions with multiple floating field limiting rings //1998, Sol. St. Electron., 42, 349.

44. D.G. Bae, S.K. Chung. Analytical model for punch-through limited breakdown voltage of planar junction with multiple floating field limiting rings //2000, Sol. St. Electron., 44, 2109.

45. Еремин В. К., Налетко А. С., Вербицкая Е. М., Еремин И. В., Егоров Н. Н. Распределение электрического поля в P-N переходах кремниевых детекторов с торцевой чувствительностью. Физика и техника полупроводников. 2011. т. 45. вып. 9. с. 1282−1289.

46. ТОТЕМ Technical Design Report //2004, CERN-LHCC-2004−002, TOTEM-TDR-001.

47. The TOTEM Collaboration //2008, JINST 3 S08007.

48. G. Antchev, et al., The TOTEM detector at LHC 2010, Nucl. Instrum. Meth. A, 617, 62.

49. G. Ruggiero E. Alagoz, V. Avati, V. Basetti, V. Berardi, V. Bergholm. Planar edgeless silicon detectors for the TOTEM experiment //2005, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-52, 1899.

50. E. Noschis, et al. Final size planar edgeless silicon detectors for the TOTEM experiment //2006, Nucl. Instrum. Meth. A, 563, 41.

51. E. Verbitskaya, et al., Electrical properties of the sensitive side in Si edgeless detectors //2009, Nucl. Instrum. Meth. A, 604, 246.

52. Eremin I., Eremin V., Verbitskaya E., TuboltsevYu., Fadeeva N., Egorov N., Golubkov S., Chen W., Li Z. Spectra distortion by the interstrip gap in spectroscopic silicon strip detectors // 2012, J. Instrum.,. v. 7, 7, ArtNo: C07002.

53. Eremin I, Verbitskaya E, Eremin V, Tuboltsev Yu, Egorov N. Development of silicon double sided strip detectors for ions spectroscopy and tracking at EXL experiment of FAIR program at GSI//2010, ICNP -2010, St. Petersburg University, Russia.

Заполнить форму текущей работой