ELEKTRONICZNA APARATURA DOZYMETRYCZNA

Transkrypt

1 Dr inż. Andrzej Skoczeń KOiDC, WFiIS, AGH Rok akademicki 2018/2019 ELEKTRONICZNA APARATURA DOZYMETRYCZNA Wyk maj 2019 Dokończenie o jonizacyjnych uszkodzeniach radiacyjnych Radiacyjne uszkodzenia strukturalne hipoteza NIEL Uszkodzenia strukturalne; defekty punktowe Parametry diody p-n czułe na promieniowanie Kraków, Medycynie, stopień II, semestr 1,

2 Zmiana napięcia progowego Wpływ ładunku stanów powierzchniowych Q it : (wyjaśnienie na modelu jednowymiarowym) Powierzchnia rozgraniczenia Si-SiO 2 pozostaje w kontakcie z kanałem tranzystora dlatego dostarcza ona stanów energetycznych w przerwie energetycznej krzemu. Ocena ich wpływu na V th wymaga znajomości rozkładu energetycznego D it (E). V th ( Q it ) Q C it ox tox 0 SiO 2 E e C E e Istnienie stanów akceptorowych umożliwia kompensowanie się wpływu dwóch rodzajów ładunku: V th ( Q ) V ( Q ) it th ot V D it 0 d s donorowe dodatnie w stanie nieobsadzonym (powyżej E F ) i neutralne po schwytaniu elektronu, akceptorowe - neutralne w stanie nieobsadzonym (poniżej E F ) i ujemne po schwytaniu elektronu. 2

3 PMOS I D NMOS Przed naświetleniem Po naświetleniu przy uwzględnieniu tylko czynnika Q ot (bez Q it ) Po naświetleniu przy uwzglednieniu obu składowych Q ot i Q it V GS V I =+10V, I D =1mA Kompensacja efektu objętościowego efektem powierzchniowym dla NMOS-a. Dlatego PMOS lepszy w zastosowaniach dozymetrycznych. 3

4 Nachylenie charakterystyki podprogowej Definicja: Zmiana radiacyjna: S ln 10 Zwiazek ze stanami powierzchniowymi: V ln kt S ln 10 1 e ox C GS I D kt S ln10d C C C d ox it it 4

5 Obszar nadprogowy liniowy Charakterystyki I D -V GS tranzytora NMOS naświetlanego przy polaryzacji V GB =+5V, t ox =50nm dawkami od 0 do 0.6kGy. Obszar podprogowy Holmes-Siedle, Adams,

6 I D [ma] Radiacyjny upływ boczny V GS [V] 6

7 Radiacyjny upływ boczny Cienki tlenek bramkowy Elektroda bramki Tlenek gruby 300nm Tlenek gruby 300nm SiO 2 SiO 2 t ox 5nm SiO 2 W Upływ boczny wywołany radiacyjnym efektem pochodzącym od tlenków grubych stanowiących boczną izolację tranzystora. Problemem jest istnienie krawędzi kanału tranzytora na jego długości L od źródła do drenu. 7

8 Wydłużony tlenek bramkowy Przeciągnięcie cienkiego tlenku TOX aż do pierścienia ochronnego zamyka drogę upływom pod grubym tlenkiem FOX 8

9 Zamknięta geometria L W W L 10 2 Zamknięta geometria topografii tranzystora brak krawędzi kanału brak upływu z boku tranzystora 9

10 I D [ma] Radiacyjne przesunięcie ch-ki Zamknięta geometria tranzystora V GS [V] 10

11 Uszkodzenia radiacyjne Strukturalne DD (Displacement Damages) padające promieniowanie przemieszcza atomy z ich pozycji sieciowych zmieniając właściwości kryształu. Zależą od niejonizacyjnego przekazu energii i pędu do sieci krystalicznej, który z kolei zależy od masy i energii padających cząstek. Zniszczenia strukturalne muszą być określane dla konkretnego rodzaju cząstek i ich energii. Jonizacyjne TID (Total Ionizing Damages) jonizacja zderzeniowa jest dominującym mechanizmem absorpcji. Zależą od pochłoniętej energii, a nie zależą od typu promieniowania. Uszkodzenia tego rodzaju są proporcjonalne do energii pochłoniętej w jednostce objętości czyli od dawki. Ponieważ wielkość ładunku uwolnionego przez daną dawkę zależy od materiału absorbującego, dawka określana jest dla danego absorbenta 1Gy(Si), 1Gy(SiO 2 ), itp. 11

12 Przekaz energii Dwa mechanizmy: Jonizacyjny IEL - Ionizing Energy Loss Niejonizacyjny NIEL - NonIonizing Energy Loss Fotony efekt czysto jonizacyjny Neutrony efekt czysto niejonizacyjny Cząstki naładowane efekt łączony jonizacyjno-niejonizacyjny Jak uszkodzenia radiacyjne zależą od energi cząstek? Hipoteza NIEL Nie jest to uniwersalna reguła, a tylko zaobserwowana prawidłowość. Znane są przypadki nie podlegające tej regule. 12

13 Przekaz energii kinetycznej do materii KERMA[keV ] KERMA[ MeV ] NIEL de dx kev cm g Przekrój czynny na uszkodzenia strukturalne: D kev cm NIEL g A N A NIEL 1 Φ cm [ MeV mb] mg cm mbφ N D MeV NIEL zależy od typu cząstek i ich energii. 95 MeV mb kev 1 MeV 23 6, ,086 Si 10 2 cm atom / mol g / mol N Si 10 1 N A Si A mb N A = atom/mol A = g/mol (krzem) 1mb = cm , ,086 atom / mol 22 atom 2,14410 g / mol g cm kev cm 2,0368 mb g 13

14 Hipoteza NIEL Zmiana wyindukowana w materiale przez uszkodzenia strukturalne skaluje się liniowo z ilością energii przekazaną w zderzeniach prowadzących do przesunięć. Zaobserwowano proporcjonalność między uszkodzeniem radiacyjnym a wartościami NIEL. Na skalowanie to nie ma wpływu: przestrzenny rozkład wprowadzonych przesunięć i obróbka cieplna (annealing) wykonana po naświetleniu. 14

15 Hipoteza NIEL NIEL jest obliczany i wyrażany jako przekrój czynny na uszkodzenia strukturalne (displacement damage cross section) D(E): D( E ) E R max f ( E, E ) P( E ) R R 0 de R E R ν P(E R ) f ν (E,E R ) σ ν Energia odrzutu pierwotnego atomu PKA (primary konock atom) Możliwe oddziaływania padającej cząstki o energii E z atomem krzemu prowadzące do uszkodzeń strukturalnych Część energii odrzutu, która jest deponowana jako uszkodzenie strukturalne (Lindhard partition function) Prawdopodobieństwo generacji odrzuconego atomu PKA o energi E R, przez cząstkę o energi E Przekrój czynny na proces oznaczony znaczkiem ν 15

16 Funkcja zniszczeń strukturalnych Próg generacji klastrów 35keV Próg generacji par Frenkla 185eV 1MeV E [MeV] D(E n = 1 MeV) = 95 MeV mb kev cm 2 /g 100MeV mb kev cm 2 /g 16

17 D [Mev mb] Funkcja zniszczeń strukturalnych Zniszczenia strukturalne spowodowane przez neutrony o energii bliskiej 1 MeV bardzo silnie zależą od energii Współczynnik zniszczeń dla neutronów o energii 1MeV jest stosowany do obliczania równoważnej fluencji neutronów. ASTM (American Society for Testing and Materials) E Energia neutronów [MeV] 17

18 Współczynnik odporności Hardeness factor D( E ) ( E ) de D( E 1MeV D(E n = 1 MeV) = 95 MeVmb ) ( E n ) de Równoważna fluencja neutronów E n = 1 MeV ( E eq ) de 18

19 Uszkodzenia punktowe Wakans V Defekt międzywęzłowy I Defekt Frenkla 19

20 Wakans w krysztale V Podstawieniowe zanieczyszczenie w krysztale Atom obcy jest większy niż atomy rodzime Podstawieniowe zanieczyszczenie w krysztale C s. Atom obcy jest mniejszy niż atomy rodzime Międzywęzłowe zanieczyszczenie w krysztale C i. Atom obcy zajmuje przestrzeń między atomami rodzimymi 20

21 Odległość [A] Uszkodzenia strukturalne Neutrony zderzając się z atomami sieci krystalicznej krzemu tracą część swojej energii przemieszczając atomy z ich pozycji węzłowych. Efektem jest powstanie atomu międzywęzłowego i pustego po nim miejsca czyli tzw. pary Frenkla. W krzemie energia progowa dla: Tworzenia par Frenkla wynosi E d =25 ev, Tworzenia klastrów par wynosi E d =5 kev. Powstają: Defekty punktowe przy niskim przekazie energii, Klastry defektów przy wysokim przekazie energii. W klastrach pary Frenkla mają większe prawodopodobieństwa rekombinacji. Odległość [A] 21

22 E R max Energia odrzutu Maksymalna energia odrzutu atomu krzemu przy zderzeniu z cząstką o masie m i energi E: 4E mm ( m m Si ) 2 W krzemie energia progowa dla: Tworzenia par Frenkla wynosi E d =25 ev, Tworzenia klastrów par wynosi E d =5 kev. Si Nierelatywistyczny neutron potrzebuje więc 185eV na wykreowanie pary Frenkla, a 35keV na wytworzenie klastra. E 2E E 2mc 2 1 m m Si R max 2 msic Relatywistyczny elektron potrzebuje więc 255keV na wykreowanie pary Frenkla, a 8MeV na wytworzenie klastra. Obydwa równania wywodzą się z równanie znanego z relatywistycznej teorii rozpraszania dwóch ciał, z których ciało o masie m Si spoczywa, a ciało o masie m porusza się z pędem p=mc 2 βγ i energia kinetyczną E=(γ-1)mc 2 : E R max 2 2 2mc ( 1) 2 msi msi 1 2 m m 22

23 Energia odrzutu Kwanty γ oddziałują z krzemem głównie przez efekt Comptona, a maksymalna energia wtórnych elektronów wynosi: 2 2 E E e max 1 2E W przypadku kwantów γ ze źródła 60 Co (1,17 i 1,33 MeV) powstają wtórne elektrony o energii nie przekraczającej 1MeV czyli nie mogą tworzyć klastrów a tylko pary Frenkla. 23

24 Uszkodzenia strukturalne W zderzeniach cząstek z atomami sieci krzemu powstają pary Frenkla. Pary te są bardzo ruchliwe już powyżej temperatury 150 K. W temperaturze pokojowej anihiluje 60% całej produkcji par Frenkla. Pozostające wakansy i atomy międzywęzłowe poruszają się w sieci krystalicznej krzemu i reagują między sobą oraz z atomami domieszek. W reakcjach tych powstają defekty punktowe, które stanowią właściwe radiacyjne uszkodzenia w objętości krzemu będące przyczyną makroskopowego pogorszenia się parametrów elementu. 24

25 Uszkodzenia pierwotne i wtórne 25

26 Uszkodzenia strukturalne Parametry defektów: Współczynnik emisji Poziom energetyczny i jego pozycja względem poziomu Fermiego Typ akceptorowy lub donorowy lub amfoteryczny Energia jonizacji: E t E C E t B s Akceptor w dolnej połowie E g Ujemny ładunek P s Donor w górnej łowie E g Dodatni ładunek VO i Akceptor w górnej łowie E g Obojętne elektrycznie w warstwie zubożonej i C i O i Donor w dolnej połowie E g nie wpływają na napięcie zubożenia TDD Podwójny donor termiczny Dwa poziomy energetyczne donorowe VV Amfoteryczna podwójna wakansja Dwa poziomy różnych typów 26

27 Metody pomiarowe Struktura i konfiguracja chemiczna: TEM Transmission Elektro Mikroscopy mikroskopia elektronowa transmisyjna EPR Electron Paramagnetic Resonance paramagnetyczny rezonans elektronowy Właściwości optyczne (mody drgań lokalnych Local Virational Modes): FTIR Fourier Transform InfraRed fourierowska spektroskopia w podczerwieni Właściwości elektryczne: PL - PhotoLuminescence TSC Thermally Stimulated Current prąd wzbudzany termicznie DLTS Deep Level Transient Spectroscopy spektroskopia przejściowa głębokich poziomów Energia wiązania i migracje: Badania anilingu (annealing) 27

28 Spektroskopia przejściowa głębokich poziomów 28

29 Spektroskopia przejściowa głębokich poziomów pojemność czas 29

30 Uszkodzenia strukturalne Defekty mogą mieć energie wewnątrz przerwy energetycznej i działać jak donory lub akceptory z energiami innymi niż domieszki. Defekty mogą działać jak pułapki dla ruchomych nośników ładunku zwiększając prąd upływu, obniżając wydajność zbierania ładunku, zwiększając szum. Defekty mogą oddziaływać z domieszkami i je aktywować lub dezaktywować zmieniając efektywne domieszkowanie półprzewodnika aż po zmianę typu przewodnictwa. Defekty mogą rekombinować prowadząc do anealingu początkowych uszkodzeń. 30

31 przed po Prąd upływu krzemowej diody Naświetlanie takiego elementu powoduje powstawanie centrów generacyjnorekombinacyjnych w objętości detektora. Padające promieniowanie przesuwa atomy krzemu z pozycji sieciowych. W ten sposób powstają strukturalne uszkodzenia kryształu krzemu (displacement damages). Następuje formowanie stanów energetycznych głęboko wewnątrz przerwy energetycznej ułatwiających przejścia elektronów lub dziur między pasmami walencyjnym i przewodzenia. R a R b E C Teoria SRH Schockley a-read a-hole a Daje sposób na obliczenie prądu generacyjno-rekombinacyjnego R c R d Et E V E C E t E V Rekombinacja pośrednia odbywa się z udziałem poziomu pułapkowego E t istniejącego w przerwie energetycznej. Mogą zachodzić cztery rodzaje procesów pośrednich: R a wychwyt elektronu, R b emisja elektronu, R c wychwyt dziury, R d emisja dziury. 31

32 Prąd upływu krzemowej diody Dwie składowe: Prąd generacji w objętości półprzewodnika wynikający z centrów G-R istniejących (powstających) w środkowej części przerwy energetycznej. W W 2 Si e I Si e L N A N N N 1 N D A V en S D bi D i V V bi W V g W grubość warstwy zubożonej W d, d grubość elementu, τ g efektywny czas życia wygenerowanych nośników. gdy N A >> N D Prąd generacji na powierzchni krzem-dwutlenek krzemu wynikający ze stanów powierzchniowych. Dla diody p-i-n ten składnik jest niewielki w porównaniu z grubością warstwy samoistnej. 32

33 Efektywna koncentracja Domieszek [cm -3 ] Prąd upływu krzemowej diody Formowanie stanów w pobliżu krawędzi pasm ułatwiających pułapkowanie nośników ładunku, Zmiana domieszkowania poprzez formowanie stanów energetycznych podobnych do donorów lub akceptorów. Zmiana efektywnego domieszkowania krzemu o przewodnictwie typu n na skutek radiacyjnego formowania centrów o charakterze akceptorowym. Zmiana typu przewodnictwa 33

34 Domieszkowanie neutronowe NTD Neutron Transmutation Doping Metoda konwersji słabo domieszkowanego krzemu typu p w krzem typu n. Si 31 2,62h 31 n 30, 14 Si 14 P 15 34

35 Prąd upływu krzemowej diody Ponieważ rośnie ilość centrów G-R, rośnie prąd upływu przez całkowicie zubożoną objętość czynną detektora. Wzrost ten liniowo zależy od fluencji cząstek i nie zależy od czystości materiału wyjściowego. Detektor taki wymaga precyzyjnej procedury cieplnego anilingu. I Ld I L0 Ad I L0 prąd polaryzacji przed naświetleniem [A], I Ld prąd polaryzacji po naświetleniu [A], Ad iloczyn powierzchni i grubości detektora czyli jego objętość [cm 3 ], Φ fluencja cząstek [cm -2 ], α współczynnik uszkodzeń (czułość dozymetru na neutrony) [A/cm]. Współczynnik uszkodzeń α zależy od rodzaju cząstek promieniowania i fluencji. α [A/cm] 650 MeV protony MeV neutrony

36 Krzemowa dioda przewodząca Centra rekombinacyjne wygenerowane radiacyjnie skracją czas życia nośników mniejszościowych i co za tym idzie zmniejszają przewodność krzemu: K τ 0 początkowy czas życia nośników mniejszościowych [s], Φ fluencja cząstek [cm -2 ], K τ współczynnik uszkodzeń [cm 2 s -1 ]. Współczynnik uszkodzeń K τ zależy od: typu i energi cząstek, początkowych parametrów krzemu, poziomu wstrzykiwania i temperatury. Loferski, 1958 Kraner, 1984 Typowe wartości K τ : cm 2 s -1 36

37 Krzemowa dioda przewodząca Dla krzemu wysokorezytywnego: 0 exp K Buehler, 1968 ρ 0 początkowa rezystywność krzemu [Ω cm], Φ fluencja cząstek [cm -2 ], K ρ współczynnik uszkodzeń [cm -2 ]. Typowe wartości: cm -2 37

38 Charakterystyka I-V diody I ΔV F Dozymetria aktywna V Δ I L Dozymetria pasywna Uszkodzenia strukturalne Dozymetry neutronowe 38

39 300µm Prąd upływu krzemowej diody Pierścień ochronny złącze p + i(ν) Dioda p-i-n składająca się z wysoko domieszkowanej warstwy p + i dużej objętości krzemu samoistnego i(ν), który w zasadzie jest materiałem n - o bardzo dużej rezystancji na poziomie kilku kω cm. Wokół diody stosuje się pierścień ochronny także z warstwy p +. 39

40 Napięcie pełnego zubożenia diody Napięcie polaryzacji detektora półprzewodnikowego, przy którym warstwa zubożona rozciąga się na całą grubość W elementu: V FD en D 2 Si 0 W Prąd upływu krzemowej diody Prąd generacji w objętości półprzewodnika wynikający z centrów G-R istniejących (powstających) w środkowej części przerwy energetycznej. I L en S i W g 2 Zmiana domieszkowania poprzez formowanie stanów energetycznych Rośnie ilość centrów G-R, spada czas życia mniejszościowych nośników ładunku 40

41 Prąd upływu krzemowej diody SCT SemiConductor Tracker Detektor pozycyjny w ATLAS-ie wchodzący w skład detektora wewnętrznego (Inner Detector). Jeden z detektorów ATLAS-a położonych najbliżej punktu zderzenia, zbudowany z krzemowych detektorów paskowych Składa się z 4088 modułów krzemowych detektorów paskowych. Każdy moduł to 12 podukładów o 128 paskach każdy. Razem: = ,3 miliona kanałów 41