Strahlenschäden und Strahlenhärte von Halbleiterdetektoren

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.