Strahlenschäden und Strahlenhärte von Halbleiterdetektoren

Ausarbeitung des Vortrags:
Strahlenschäden und Strahlenhärte von
Halbleiterdetektoren
Wencke Hansen
im Rahmen des Seminars ‘Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien‘
RWTH Aachen
Wintersemester 06/07
1

Zusammenfassung
Auf einen Spurdetektor am Large Hadron Collider (LHC) wirkt während seiner Betriebszeit
eine sehr hohe Strahlendosis, z.B. erfährt der Compact Muon Solenoid (CMS)
Tracker während 10 Jahren eine Strahlendosis von circa 60 kGy. Die daraus resultierenden
Schäden erwecken einen Bedarf der Forschung an Detektoren mit einer möglichst
langen, strahlenresistenter Funktionsdauer. Die Motivation dieses Vortrags liegt darin,
aufzuzeigen, welche Strahlenschäden es gibt, wie sie entstehen, welche Konsequenzen
sie haben und was man tun kann, um sie zu reduzieren oder gar zu vermeiden.
2

INHALTSVERZEICHNIS 3
Inhaltsverzeichnis
1 Warum Halbleiterdetektoren? 4
2 Pixel oder Streifen? 5
3 Halbleitertechnologie 7
4 Funktionsprinzip 8
5 Ausleseelektronik 8
6 Strahlenschäden 9
7 Substratschäden: Gitterdefekte 10
8 Vergeich von Schädigungen 10
9 Auswirkungen der Substratschäden 11
9.1 Änderung der effektiven Dotierung Neff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
9.2 Erhöhung des Dunkelstroms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
9.3 Vermehrung von Trapping Centers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
10 Verbesserung der Strahlenhärte 15
11 Betriebsszenario 16
12 Oberflächenschäden 16
13 MOSFET 17
14 Strahlenharte Technologien für die Elektronik 18
15 Ausbilck: 3D-Detektoren 19
16 Materialalternative: Diamant 19
17 Zusammenfassung 20

1 WARUM HALBLEITERDETEKTOREN? 4
1 Warum Halbleiterdetektoren?
Halbleiterdetektoren werden in der Teilchenphysik zahlreich zur Ortsmessung von Teilchen
eingesetzt. Halbleiterdetektoren haben folgende Vor- und Nachteile:
• Die hohe Dichte der Halbleitermaterialien führt zu einem großen Energieverlust pro
Wegstrecke eines einfallenden Teilchens, was positiv bei Energiemessung ist. Allerdings
kann diese Dichte auch ein Nachteil sein, denn ein einfallendes Teilchen wird bei der
Ortsmessung von der hohen Dichte bezüglich seines Weges beeinflusst.
• Die durch Photolithografie mögliche feine Segmentierung sorgt für eine gute Ortsauflösung
(< 10µm) für eine präzise Ortsbestimmung.
• Durch eine relativ kleine Bandlücke und eine somit geringe Ionisationsenergie können
viele Elektron-Loch-Paare (eh-Paare) erzeugt werden. Eine Vielzahl von freien Ladungsträgern
hat ein hohes, und hier, aufgrund ihrer hohen Beweglichkeit, auch schnelles,
Signal zur Folge.
Im folgenden beziehe ich mich auf das Halbleitermaterial Silizium.
Abbildung 1: Teilchenphysik-Experimente mit Si-Streifen-Detektoren
Silizium wird weltweit am meisten eingesetzt, wie in der Abbildung ?? zu sehen, da es
folgende zusätzlichen Vorteile besitzt:
• Das Material selber ist preisgünstig gegenüber alternativen Halbleitermaterialien.
• Die Industrie ist mit dem Material sehr vertraut und verfügt somit über gute Herstellungsund
Anwendungserfahrung.
• Als Baukomponente ist Silizium fast selbsttragend und erfordert somit keine zusätzlichen
unterstützenden Materialien.

2 PIXEL ODER STREIFEN? 5
2 Pixel oder Streifen?
Prinzipiell unterscheidet man zwischen zwei Arten von Detektoren: Pixeldetektoren und
Streifendetektoren. Jeder Detektor hat aufgrund seiner Bauart Vor- und Nachteile.
Abbildung 2: Skizze eines Streifen- und eines Pixeldetektors.
Pixeldetektoren basieren auf Pixeln mit einer Kantenlänge von 50 bis 500 µm. Durch ihre
Anordnung können sie die Koordinaten eines Teilchens in zwei Dimensionen bestimmen. Das
macht sie alternativlos in Vertexnähe. Jedes Pixel besitzt sein eigene Ausleseelektronik, was
die zweidimensionale Auslesung ermöglichet, allerdings hat dies auch einen hohen elektrischen
Leistungsbedarf pro Fläche zur Folge.
Streifendetektoren sind aus bis zu 20 cm langen, parallel angeordneten Streifen aufgebaut
mit einem Zwischenstreifenabstand (pitch) von ca 20-200 µm. Die Auslesung ist aufgrund
der Streifen-Anordnung nur eindimensional. Allerdings machen weniger Ausleseelektronikkanäle
diesen Detektor preisgünstig und somit zu einer guten Alternative in Bereichen, die
weiter entfernt vom Vertex sind. Es gibt auch 2D-Streifendetektoren, welche dann eine zweite
Streifenschicht auf der Rückseite des Detektors besitzen, die orthogonal zur Oberseite angeordnet
ist. Diese Alternative qualifiziert sich jedoch aufgrund des Herstellungsaufwandes im
Preis-Leistungs-Verhältnis nicht.
Beide Detektoren werden im CMS-Tracker eingesetzt. Wie in Abb. ?? zu erkennen, befindet
sich der Pixeldetektor unmittelbar in Vertexnähe, umgeben von unterschiedlich angeordneten
Streifendetektoren (TIB, TOB, TID und TEC). In meinem Vortrag beziehe ich mich
aussschließslich auf Streifendetektoren. In der TrackerEndCap(TEC) sind Streifendetektoren
als trapezförmige Module in Ringen auf sog. Rädern angeordnet.
Jedes einzelne Modul ist in zwei Teile unterteilt, wie in Abb. ?? zu sehen: Die Ausleseelektronik
und der Siliziumsensor. Auf dem Siliziumsensor erkennt man die einzelne Streifen,
die einzeln mit der Ausleseelektronik verbunden sind. Die aufgezeichneten Daten werden von
dort weiterverarbeitet.

2 PIXEL ODER STREIFEN? 6
Abbildung 3: Skizzierter Querschnitt durch den CMS-Tracker.
Abbildung 4: Foto eines Trackermoduls.

3 HALBLEITERTECHNOLOGIE 7
3 Halbleitertechnologie
Grundlage für diese Technologie bildet die Dotierung eines Materials. Dotierung bedeutet
das Einfügen von Fremdatomen in Materialien an Stelle materialeigener Atome. Durch eine
kluge Wahl der Fremdatome kann man somit die Anzahl der Valenzelektronen im Material
beliebig beeinflussen und die elektrischen Eigenschaften des Materials verändern. Eine
n-Dotierung zeugt von einem Überschuss an Elektronen, eine p-Dotierung erzeugt einen
Löcherüberschuss. In der Bandstruktur sind bei beiden Dotierungen neue Energieniveaus
in Nähe der Bandkanten ausgebildet, welche dem Halbleiter ermöglichen, mehr Löcher bzw
Leitungselektronen zu bilden. Bringt man nun einen p-dotierten (Dotierung Na) und einen
n-dotierten (Dotierung Nd) Halbleiter zusammen, entsteht ein pn-Übergang. In ihm diffundieren
die jeweiligen Majoritätsladungsträger der einen Dotierung in die jeweils andere, bilden
so einen Diffusionsstrom und rekombinieren. So entsteht am Übergang eine Zone, die frei
von beweglichen Ladungsträgern ist, die Verarmungs- oder Depletionszone. Der elektrische
Strom des somit ausgebildeten elektrischen Feldes kompensiert im Gleichgewichtszustand
gerade den Diffusionsstrom.
Die Breite dieser Zone kann man durch Anlegen einer externen Spannung beeinflussen.
Mit den materialabhängigen Konstanten εr als die relative Dielektrizitätszahl und ε0 als die
Vakuumsdielektrizitätszahl ergibt sich für die Breite W der Depletionszone dann folgende
Formel:
W =
�
2εrε0
(V0 − Vext)(
e
1
+
Na
1
) (1)
Nd
Legt man die Spannung positiv an, das heißt, der negative Pol ist an der n-Dotierung und
der positive Pol ist an der p-Dotierung, schaltet man den Übergang in Durchlassrichtung,
denn es kann ein Strom fliessen. Legt man die externe Spannung jedoch negativ an, schaltet
man den Übergang in Sperrrichtung und es fließt lediglich der Dunkelstrom. Erhöht man die
negative Spannung weiter, wird der Übergang irgendwann durchbrechen und großen Strom
fließen lassen. Diese Situation gilt es zu vermeiden, um den Detektor zu schützen.
Für effiziente Teilchendetektion benötigt man einen stets komplett verarmten Halbleiter, das
heißt die Depletionszone muss sich über die gesamte Dicke d des Detektors erstrecken. Die
externe Spannung Vdepl, die für vollständige Depletion nötig ist, errechnet sich folgendermaßen:
Vdepl = e
|Neff|d
2εrε0
2
(2)
|Neff| = |Na − Nd| stellt hier die effektive Dotierung des Halbleiters dar.
Der Dunkelstrom entsteht durch die Bildung von thermisch generierten eh-Paaren im
Halbleiter, welche ebenfalls einen Strom erzeugen. Dieser Dunkelstrom Id(T ) ist folglich
abhängig von der Temperatur T, was man in der Relation
Id(T ) ∼ T 2 exp( −Eg
)V ol (3)
2kBT

4 FUNKTIONSPRINZIP 8
sieht. Eg ist die Energie der Bandlücke, kB ist die Boltzmann-Konstante und V ol steht für
das vom Halbleiter eingeschlossene Volumen.
4 Funktionsprinzip
Ein Siliziumdetektor basiert auf dem oben beschriebenen Prinzip des pn-Übergangs mit
extern angelegter Spannung. Der n-dotierte Kern des Sensors besteht aus leicht dotiertem
Reinstsilizium, die Oberseite trägt p-dotierte Streifen mit aufgesetzem Aluminium. Der pn-
Übergang befindet sich damit an der Oberseite des Detektors. Die Oberfläche des Siliziums
ist mit einer Oxidschicht geschützt. Auf der Rückseite wird durch eine starke n-Dotierung
und Aluminisierung ein Ohmscher Kontakt erzeugt.
Abbildung 5: Funktionsprinzip eines Streifendetektors
Passiert nun ein geladenes Teilchen den komplett verarmten Detektor, werden eh-Paare
erzeugt (Abb. 5), welche zu den Elektroden driften und dort eine Signalladung infuenzieren.
Durch einen Kondensator-ähnlichen Aufbau Streifen-Oxid-Metall an der Sensoroberseite
wird das Signal kapazitiv in die Ausleseelektronik eingekoppelt.
5 Ausleseelektronik
Wie bereits in Abb. 4 gesehen, sind auf der Trägerstruktur des Moduls die Sensoren und der
Frontend-Hybrid, der die Ausleseelektronik trägt, aufgeklebt.
In der Ausleseelektronik wird das Signal, wie auch in der Abb. 6 am Beispiel der Ausleseelektronik
des ATLAS-Trackers zu sehen, in einen der möglichen 128 Kanäle geleitet, von
dem aus es dann verstärkt und zu einem Puls von 25ns geformt wird. In der 132 Zellen langen
Pipeline wird dieser Puls verzögert. Alle 25 ns werden die Signale der 128 Kanäle in einer
Zelle gespeichert, bevor die Zelle beim nächsten Speicher-durchlauf überschrieben wird. Auf
diese Weise kann man auf bis zu 3µs alte Daten zugreifen. Ein Triggersystem wählt in dieser
Zeit signifikante Ereignisse aus und entscheidet, welche Daten weiterverarbeitet werden
sollen, und welche verworfen werden.
Die Ausleseelektronik des CMS-Trackers ist vergleichbar mit der hier beschriebenen des

6 STRAHLENSCHÄDEN 9
ATLAS-Experimentes. Allerdings ist die Datenauslese des CMS-Trackers komplett analog,
während die Daten beim ATLAS-Experiment bereits nach der Pulsformung digitalisiert werden.
6 Strahlenschäden
Abbildung 6: Foto des ATLAS-Auslesechips.
Strahlenbelastung wird auf zwei Art charakterisiert. Zum einen die Belastung durch ionisierenden
Energieverlust der einfallenden Strahlung, die man als Strahlendosis bezeichnet und
in Gray [Gy] angibt. Zum anderen die Belastung des nicht-ionisierenden Energieverlustes der
Strahlung, welche man als Teilchenfluss [cm −2 ] bezeichnet. Wie hoch eine Strahlenbelastung
ist, hängt jedoch nicht nur von der Art der wirkenden Strahlung ab, sondern ebenfalls von der
Bestrahlungsdauer, der Betriebsspannung und -temperatur sowie von dem Detektordesign.
Diese Faktoren versucht man zu beeinflussen, um hohe Strahlenhärte zu erzeugen.
Abbildung 7: Allgemeine Unterteilung der Schäden.
Wie in Abb. 7 zu sehen, unterteilen sich Schäden in instantane Primärschäden, die noch

7 SUBSTRATSCHÄDEN: GITTERDEFEKTE 10
instabil sind und sekundäre, stabile Folgeschäden. Diese können durch ionisierende Strahlung
erzeugt werden und haben dann Konsequenzen auf sowohl Detektor als auch auf seine
Elektronik, oder sie werden durch nicht-ionisierenden Energieverlust erzeugt und schädigen
so das Kristallgitter des Detektors.
7 Substratschäden: Gitterdefekte
Durch nicht-ionisierenden Energieverlust entstehen Schäden im Gitter des Halbleiters. Das
einfallende Teilchen überträgt, wenn es auf ein PKA (Primary KnockOn Atom) trifft, soviel
Energie, dass das PKA seinen Gitterplatz verläßt. Es ensteht eine Fehlstelle im Gitter und
ein neues Zwischengitteratom, ein sog. Punktdefekt. Wird dem PKA eine Versetzungsenergie
EV > 2keV übertragen, kann es bis zu 100 weitere Versetzungen anregen, was zu einem
Cluster-Defekt führt. Alle diese Versetzungen haben neue Energieniveaus in der Bandlücke
zur Folge.
8 Vergeich von Schädigungen
Der Vergleich von Schädigungen unterschiedlicher Strahlungsarten ist sehr schwierig. Einen
bislang erfolgreichen Ansatz macht die Non-Ionising-Energy-Loss (NIEL) - Hypothese. Diese
besagt, dass die Schädigung des Gitters proportional zur Versetzungsenergie aller Versetzungen
ist. Als Normierung werden 1 MeV Neutronen benutzt. Dann verwendet man nicht mehr
den tatsächlich gemessenen Fluss, sondern den äquivalenten Fluss Φeq. Der Vergeleichsfaktor
zwischen dem tatsächlichen und dem äquivalenten Fluss nennt man Härtefaktor κ. Er gibt
den Quotienten aus äquivalentem und tatsächlichem Fluss an: κ = Φeq/Φ und ist abhängig
von der Schädigung D. Die Werte dieser Schädigungen folgen der sog. Damage Function
D(E) = �
ν
� ER,max
σnu(E) fν(E, ER)P (ER)dER, (4)
0
bei der ν alle möglichen Reaktionen zwischen einem einfallenden Teilchen und PKA darstellt
und σ der Wirkungsquerschnitt dieser Reaktionen ist. f ist die Wahrscheinlichkeit für die
Erzeugung eines PKAs mit der Energie ER, welches die Rückstoßenergie des PKAs ist. E
ist allgemein die Energie des einfallenden Teilchens und P ist die Verteilung dieser Energie
auf Anregungen und Versetzungen der Gitteratome.
Zu nennen ist hier der Normwert für 1 MeV Neutronen: D(1MeV Neutronen) = 95 MeV
mb. Diesen Wert findet man in Abb. ?? wieder. Man sieht, dass D(1Mev Neutronen) höher
ist, als die Schädgung, die, z.B., 24 GeV Protonen verursacht. Der Quotient dieser beiden
Schädigungen oder ihrer zugehörigen NIEL Werte, NIEL ∼ D(E), ergibt in diesem Fall den
Härtefaktor κ = 0, 63.

9 AUSWIRKUNGEN DER SUBSTRATSCHÄDEN 11
Abbildung 8: Grafische Darstellung der Schädigung für unterschiedliche Strahlungsarten.
9 Auswirkungen der Substratschäden
Durch die Entstehung neuer Energieniveaus in der Bandlücke durch Gitterdefekte ändern
sich die Eigenschaften des Halbleitermaterials. Dies hat Konsequenzen für die Betriebsfähigkeit
des Detektors. Im folgenden aufgeführt sind die drei signifikantesten Konsequenzen:
9.1 Änderung der effektiven Dotierung Neff
Einfallende Strahlung erzeugt Zustände im Silizium, die wie Akzeptoren wirken. Dies führt
zunächst zu einer Neutralisierung der n-Dotierung, bevor das Material komplett seinen Dotierungstyp
ändert: Es findet eine Typ-Inversion statt. Den Verlauf der effektiven Dotierung
kann man in Abb. ?? sehen.
Nach solch einer Typ-Inversion kann eine Signalübertragung nur noch im komplett verarmten
Zustand des Detektors stattfinden, da sonst eine Signalübertragung an die Ausleseelektronik
nicht mehr möglich ist. Denn, liegt der pn-Übergang bei Inbetriebnahme des
Detektors direkt an den Streifen an, so liegt er nach der Typ-Inveresion an der Rückseite des
Detektors (s. Abb. ??). Das heisst, dass das Signal nicht mehr zur Ausleseelektronik geleitet
wird, falls der Detektor nicht vollständig depletiert ist.
Aufgrund der Proportionalität zwischen der Depletionsspannung und der effektiven Dotierung,
laut Gleichung (??), ist es nötig, die anliegende Spannung mit steigender Dotierung
ebenfalls zu erhöhen, um den Detektor komplett zu verarmen. Dies ist nur möglich, solange
die Durchbruchspannung nicht erreicht wird, wodurch die Höhe der effektiven Dotierung
limitiert ist.
Die effektive Dotierung wird ebenfalls vom Annealing beeinflusst. Annealing ist das Heilen
der Gitterdefekte mit der Zeit. Dies kann als Beneficial Annealing, das bedeutet Rekombinationen
der beweglichen Zwischengitteratome mit Fehlstellen, positiv sein. Allerdings können
Zwischengitteratome mit der Zeit auch untereinander kombinieren und stabile Sekundäref-

9 AUSWIRKUNGEN DER SUBSTRATSCHÄDEN 12
Abbildung 9: Anfänglich n-dotiertes Si wird durch Bestrahlung zu p-dotiertem Si.
Abbildung 10: Ausbreitung der Depletionszone vor und nach Typ-Inversion.

9 AUSWIRKUNGEN DER SUBSTRATSCHÄDEN 13
fekte bilden. Diese negative Art nennt sich Reverse Annealing. Beide Annealingeffekte sind
zeit- und temperaturabhängig. Man versucht grundsätzlich, Reverse Annealing durch Kühlen
(< 0C) der Anlage zu unterdrücken. Im Falle von Wartungsarbeiten versucht man außerdem,
den Zeitrahmen so zu limitieren, dass lediglich Beneficial Annealing stattfindet, jedoch
kein später einsetzendes Reverse Annealing.
9.2 Erhöhung des Dunkelstroms
Durch das Entstehen neuer Energieniveaus in der Bandlücke wird es den freien Ladungsträgern
vereinfacht, die Lücke zu überwinden. Das hat zur Folge, dass ein höherer Dunkelstrom
fließt. Dieser Dunkelstrom ist linear proportional zum Teilchenfluss Φeq. Den Linearitätsfaktor
bezeichnet man als Damage Rate α.
αΦeq = ∆Id
(5)
V ol
α ist über den Dunkelstrom wiederum temperatur- und zeitabhängig. Die Abhängigkeit des
Dunkelstroms von der Temperatur beinhaltet das Risiko des Thermal Runaways. Dies tritt
ein, falls die Starttemperatur der Apparatur zu hoch gewählt wurde und die Temperatur
aufgrund des wachsenden Stroms im Detektor immer weiter ansteigt. Dieses Hochscuakeln
der Temeperatur bezeichnet man als Thermal Runaway (s. Abbildung 11).
Abbildung 11: Grafische Darstellung des Thermal Runaways (links) und des optimalen Falles
einer stabiler Betriebstemperatur (rechts).
Durch eine ausreichend kühle Start- und Betriebstemperatur (etwa −10 ◦ C) kann diesem
Verhalten vorgebeugt werden. Die Kurven von Kühlung und Silizium überschneiden sich bei
niedriger Betriebstemperatur und die gekoppelten Systeme finden eine gemeinsame, stabile
Betriebstemperatur Tstabil, wie in Abb. 11 zu sehen.

9 AUSWIRKUNGEN DER SUBSTRATSCHÄDEN 14
9.3 Vermehrung von Trapping Centers
Ungeladene Störstellen können freie Ladungsträger einfangen und diese nur verzögert oder
gar nicht mehr freigeben. Diese sog. Trapping Centers verringern damit die Effizienz der
Sammlung von Ladungsträgern. Wird diese Charge Collection Efficiency (CCE) verringert,
wird auch das Signal vermindert. Nach einer Betriebszeit von 10 Jahren beträgt die CCE
oft nur noch 80% des ursprünglichen Wertes, siehe Abbildung 12.
Abbildung 12: Charge Collection Efficiency eines Halbleiters.

10 VERBESSERUNG DER STRAHLENHÄRTE 15
10 Verbesserung der Strahlenhärte
Folgende Maßnahmen werden bei Herstellung und Betrieb des Detektors durchgeführt, um
die Strahlenhärte des Detektors zu verbessern und eine möglichst lange Einsatzdauer zu
erreichen.
• Effiziente Kühlung (bei CMS etwa −10C) gegen Reverse Annealing und Thermal Runaway.
• Saubere Prozessführung schon bei der Herstellung des Detektors, um grundsätzliche
Schäden und Verunreiningungen im Material zu minimieren.
• Vermeidung von Feldspitzen durch den Einsatz von 1. verbreiterten Metallstreifen auf
der Oberseite, die so die an den Elektroden anliegenden elektrischen Felder verringern
und 2. Guard Rings auf der Detektoroberseite, die den hohen Spannungsunterschied
zwischen der außen anliegenden hohen Spannung und den auf Masse liegenden Streifens
hinabteilen.
• Durch eine richtige Wahl der Ausgangsspannung und -dotierung können hohe erforderliche
Depletionsspannung vermieden werden. Dünne Sensoren (z.B. 300µm) mit hoher,
effektiven Dotierung haben sich bei hohen Strahlenbelastungen in inneren Bereichen
des Trackers bewährt. In Außenbereichen verwendet man jedoch Sensoren mit einer
Dicke von ca 500µm, die dann eine niedrigere Dotierung erfordern, um eine sinnvolle
Depletionsspannung zu erreichen. Diese dickeren Sensoren haben ein höheres Signal,
wodurch ein höheres Rauschen toleriert werden kann. Daher kann man in den Außenbereichen
größere Flächen durch längere Streifen abdecken.
• Defect Engineering bezeichnet das gezielte Einsetzen von Fremdatomen ins Material.
Ein erfolgreicher Prozess heisst Oxygenation. Durch das Einfügen von Sauerstoffatomen
ins Si-Gitter wird das Auftreten von Strahlenschäden reduziert und somit der
Anstieg der effektiven Dotierung nach Typ Inversion verlangsamt.
Der Czochralski-Prozess ist eigentlich ein Prozess zur Herstellung von Siliziumwafern
mit ungewollten Verunreinigungen. Diese Verunreinigungen haben jedoch positive Auswirkungen
auf die Strahlenresistenz des Siliziums. Ein mittels Czochralksi-Verfahren
hergestellter Wafer hat einen noch geringeren Anstieg der effektiven Dotierung nach
Typ-Inversion als das oxygenierte Material.

11 BETRIEBSSZENARIO 16
11 Betriebsszenario
Abbildung 13: Betriebsszenario des CMS Trackers während 10 Jahren Laufzeit.
Dieses Betriebsszenario stellt eine vorhergesagte zeitliche Entwicklung der Depletionsspannung
für den CMS-Tracker dar. Die drei eingetragenen Kurven stehen jeweils für unterschiedliche
Dicken eines Substrats. Bei allen erkennt man deutlich die typische Kurve
der Typ-Inversion mit einem vernünftigen Wert der Depletionsspannung am Anfang sowie
am Ende der Betriebszeit. Jedoch sieht man in jeder Kurve Stufen. Eine Stufe besteht aus
drei Phasen: Einem langen Anstieg/Abfall aufgrund der Änderung der effektiven Dotierung
während der Betriebszeit, eine Entwicklung der Kurve in die entgegengesetzte Richtung aufgrund
des Beneficial Annealings während Wartungsarbeiten bei Nicht-Kühlung des Systems
und ein Plateau, bei welchem die effektive Dotierung stagniert während gekühlter Ruhephase
des Systems. Man möchte vermeiden, daß eine Stufe aus vier Phasen besteht. Das ist der
Fall, falls Reverse Annealing eintritt und die Kurve nach der zweiten Phase noch einmal
umlenkt, bevor sie ein Plateau formt.
Dieses Szenario ist der aktuelle Idealfall. Dieser kann nur eintreten, wenn der Detektor
ständig ausreichend gekühlt wird.
12 Oberflächenschäden
Oberflächenschäden entstehen durch ionisierende Strahlung. Sie werden durch Aufladungen
im Oxid erzeugt und verursachen hauptsächlich Defekte in der Ausleseelektronik des Detektors,
besonders in MOSFET-Strukturen.
In der Oxidschicht SiO2 auf dem Siliziumwafer entstehen, wie in Abb. ?? sichtbar, bei
einfallender Strahlung eh-Paare. Da Elektronen eine höhere Mobilität besitzen, können diese
aus dem Oxid driften. Zurück bleiben die Löcher, welche positive Aufladungen darstellen, sog.
fixed oxide charges, welche sich am Interface zum Oxid ansammeln und dort im Silizium eine

13 MOSFET 17
Abbildung 14: Entstehung von Fixed Oxide Charges.
Elektronen-Akkumulationsschicht bilden. Auf Streifendetektoren verbindet diese Schicht die
Auslesestreifen des Detektors und verursacht eine erhöhte Zwischenstreifenkapazität.
13 MOSFET
Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistoren sind Hauptbestandteil der Ausleseelektronik
und arbeiten wie spannungsgesteuerte Widerstände mit drei Anschlüssen: Gate (G),
Source (S) und Drain (D).
Abbildung 15: Aufbau eines MOSFETs.
Ab einer bestimmten Gate-Spannung, kann zwischen S und D ein Strom fließen. Enstehen
nun aber im Oxid aufgrund der Strahlung positive Aufladungen, muss man den
Arbeitspunkt der Gate-Spannung nachregulieren. Die Spannung am Gate, die die Oxidla-

14 STRAHLENHARTE TECHNOLOGIEN FÜR DIE ELEKTRONIK 18
dungen gerade kompensiert, ist die sog. Flat Band Voltage VF B, welche abhängig von der
Ladungsträgerdichte im Oxid ρ und der Ladung am Interface Q ist.
VF B = ΦMS − Q 1
− ρ(x)xdx, (6)
C ε 0
Die Dicke des Oxids ist hier mit d gekennzeichnet und C stellt die Kapazität des Oxids
dar. Man sieht also, dass größere Aufladungen auch größere Spannungen erfordern.
Fixed Oxide Charges können außerdem parasitäre Ströme zwischen den einzelnen Elektronikkomponenten
verursachen. Um Fehler dieser Art zu vermeiden, hat man besondere,
strahlenharte Technologien entwickelt.
14 Strahlenharte Technologien für die Elektronik
Eine Technik, die z.B. im ATLAS-Experiment angewendet wird, ist der DMILL BiCMOS-
Prozess. Hauptidee dieser Technologie ist die Isolation verschiedener Komponenten voneinander
mittels SiO2-Schichten. Dieser Prozess erfordert eine Strukturgröße von mindestens
0.8µm und ist leider wenig effizient bei hohen Kosten.
Abbildung 16: Skizze des DMILL Prozesses (links) und FlatBandVoltage Shift in deep submicron
CMOS (rechts).
Eine jüngere und effektivere Technologie ist der deep submicron CMOS-Prozess. Bei einer
einer Strukturgröße unterhalb von 0.25µm sind die Oxide so dünn, dass die positiven Aufladungen
ebenso wie die Elektronen aus dem Material hinaustunneln können. Dieses Phänomen
erkennt man in der Abb. 16, in der die Flat Band Voltage unterhalb einer bestimmten
Dicke stark abfällt. Fixed Oxide Charges können sich somit in solch dünnen Materialien
nicht bilden. Dieser Prozess ist kostengünstig und intrinsisch strahlentolerant! Er wird im
CMS-Tracker eingesetzt.
� d

15 AUSBILCK: 3D-DETEKTOREN 19
15 Ausbilck: 3D-Detektoren
Abbildung 17: Skizze der 3D-Technologie.
3D-Detektoren besitzen im Gegensatz zur bisher betracheteten 2-dimensionalen Planartechnologie
3-dimensionale Elektroden. P-dotierte und n-dotierte Streifen sind abwechselnd
nebeneinander und senkrecht zur Oberfläche im Wafer angeordnet. Da die Depletionszonenbreite
nur abhängig vom Abstand der Elektroden ist, kann man diese hier klein wählen.
Daraus ergeben sich folgende Vorteile der 3D-Technologie gegenüber der Planartechnologie:
• Kleine Depletionsspannung
• Kürzerer Ladungsträgerweg
• Schnellere Ladungssammlung
• Höhere CCE
Allerdings ist diese Technologie noch sehr aufwendig in der Prozessierung und damit noch
nicht optimiert für die Anwendung im Experiment.
16 Materialalternative: Diamant
Diamantdetektoren sind eine gute, wenn auch sehr teure, Alternative für den Einsatz unter
schwierigen Bedingungen: Hohe Strahlungsdosen oder hohe Temperaturen. Gegenüber
Silizium hat Diamant folgende Vorteile:

17 ZUSAMMENFASSUNG 20
• Große Bandlücke, aus der ein minimaler Dunkelstrom resultiert.
• Hohe Mobilität der Ladungsträger, welche für ein schnelles Signal sorgt.
• Betriebstemperatur ist Raumtemperatur, d.h. es ist keine Kühlung des Systems nötig.
Allerdings ist das Signal des Diamants nicht halb so groß wie das des Siliziums und die
Herstellung eines großen Diamantwafers schwierig.
17 Zusammenfassung
Halbleiterdetektoren werden weltweit erfolgreich zur Ortsbestimmung von Teilchen eingesetzt.
Jedoch haben Strahlendosen bis zu 60 kGy ernsthafte Schädigungen des Detektors
und seiner Ausleseelektronik zur Folge. Nicht-ionisierende Strahlung hat Substratschäden
im Gitter des Halbleiters zur Folge, welche neue Energieniveaus in der Bandlücke erzeugen.
Das hat folgende Konsequenzen im Detektor:
• Änderung der effektiven Dotierung, dadurch Typ-Inversion
• Erhöhter Dunkelstrom, dadurch Risiko des Thermal Runaways
• Erzeugung von Trapping Centers, dadurch Verminderung des Signals
Oberflächenschäden entstehen durch ionisierende Strahlung, welche Fixed Oxide Charges
verursacht. Sie wirken sich hauptsächlich auf die Ausleseelektronik aus. Die Hauptmaßsnahmen
gegen Schäden sind folgende
• Kühlung zur Unterdrückung von Reverse Annealing und Thermal Runaway
• Defect Engineering zur Optimierung der Strahlenresistenz von Silizium
• Einbau von Field Plates und Guard Rings zur Vermeidung von Feldspitzen im Detektor
• Deep Submicron zur Vermeidung von Fixed Oxide Charges in der Elektronik
In Zukunft dürfen wir dann, zum Beispiel, mit den Möglichkeiten von Diamant und der
neuen 3D-Technologie weiterhin auf Innovationen hoffen.

LITERATUR 21
Literatur
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http://www.hephy.oeaw.ac.at/p3w/halbleiter/VOSkriptum/VO-4-
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[4] Rossi, Wermes, Fischer, Rohe Pixel Detectors, Springer Verlag, 2006
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von CMS Silizium-Modulen, 2004
[6] CMS Collaboration, Addendum to the CMS Tracker TDR, 2000
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http : //www − zeuthen.desy.de/technisches seminar/texte/raddam2.pdf, 2003
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feld/talks, 2004
[9] Angela Vasilescu, The NIEL scaling hypothesis applied to neutron spectra
of irradiation facilites and in the ATLAS and CMS SCT, Rose/TN-97/2,
rd48.web.cern.ch/RD48/technical-notes/rosetn972.ps, 1999
[10] L.Feld, Neue Halbleiter-Detektoren für die Teilchenphysik, http://www.physik.rwthaachen.de/
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[11] L.Feld, The ATLAS Silicon Microstrip Tracker, http://www.physik.rwthaachen.de/
feld/talks/sct seminar 19 12 00.pdf, 2000
[12] Markus A. Hennig, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,
www.wikipedia.de, Dezember 2005 (Abbildung 15)