Strahlenschäden und Strahlenhärte von Halbleiterdetektoren

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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-
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