erilaisten mittausmenetelmien avulla

Transkriptio

1 Säteilynkestävien pii-ilmaisimien ilmaisimien karakterisointi erilaisten mittausmenetelmien avulla

2 Motivaatio sekä taustaa Miksi Czochralski-pii on kiinnostava materiaali? Piinauhailmaisimen toimintaperiaate Säteilyn vaikutukset piissä Ilmaisimien valmistus Ilmaisimien säteilytys Mittausmenetelmät Tulokset Yhteenveto

3 Suurilla hiukkaskiihdyttimillä kuten CERN:in Large Hadron Collider (LHC) voidaan varatut hiukkaset kiihdyttää lähes valon nopeuteen. Kun kiihdytetyt hiukkaset törmäytetään n toisiinsa, syntyy törmäystuotteena runsaasti erilaisia hiukkasia. Nämä voidaan havainnoida hiukkasilmaisimilla, joiden toiminta perustuu hiukkasten vuorovaikutukseen ilmaisimen väliaineen kanssa. Taustaa:

4 Taustaa: CERN:in LHC-kiihdytin on ensimmäinen inen suurenergiafysiikan koe, jossa käytetk ytetään pii-ilmaisimia ilmaisimia suuressa mittakaavassa. LHC-ymp ympäristössä säteilytaso on hyvin korkea. Säteilyn vaikutuksesta ilmaisinmateriaaliin syntyy vaurioita, jotka heikentävät t ilmaisimien suorituskykyä. Tulevaisuuden suurenergiafysiikan kokeissa säteilytaso s tulee kuitenkin olemaan vieläkin suurempi kuin LHC- kiihdyttimen kokeissa. Siksi ilmaisinmateriaalien säteilynkestävyyttä sekä säteilynkestäviä ilmaisinratkaisuja tutkitaan useissa eri instituuteissa ja yliopistoissa ympäri maailman.

5 Piin kasvatusmenetelmistä: Hiukkasilmaisimet valmistetaan tyypillisesti piikiekoille, jotka on valmistettu käyttk yttäen niin kutsuttua Float Zone (FZ)-menetem menetemää. Tämä johtuu siitä,, että ilmaisinmateriaalilta vaaditaan korkeaa resistiivisyyttä (ominaisvastusta) sekä puhtautta. Vasta viime aikoina uudet edistysaskeleet Czochralski (CZ)-kiteenkasvatusmenetelm kiteenkasvatusmenetelmässä ovat tuoneet markkinoille myös s CZ-menetelm menetelmällä valmistettuja piikiekkoja, joiden ominaisvastus on riittävän n korkea ilmaisinsovelluksiin.

6 Miksi Czohralski-pii on kiinnostava materiaali? Useissa tutkimuksissa on huomattu, että happi lisää pii-ilmaisimien ilmaisimien säteilynkestävyyttä. Czochralski-piiss piissä happea on kasvatusmenetelmäst stä johtuen cm - 3 ja hapen konsentraatiota materiaalissa voidaan kontrolloida Lisäksi CZ-piikiekot ovat halvempia kuin FZ-menetelm menetelmällä valmistetut kiekot ja niitä on mahdollista valmistaa suuremmilla halkaisijoilla, mikä voi olla edullista prosessoinnin kannalta: voidaan tehdä suurempia yksittäisi isiä ilmaisimia useampia pieniä ilmaisimia samalta piikiekolta.

7 Piinauhailmaisimen toimintaperiaate: Piinauhailmaisin on itseasiassa pn-diodi, jonka jännite j on kytketty estosuuntaan ja jossa liitoksen p-tyyppinen p puoli on segmentoitu ohuiksi nauhoiksi. varatut hiukkaset tai fotonit synnyttävät elektroni-aukko aukko-pareja kulkiessaan ilmaisimen läpi. l Sähkökentässä aukot ajautuvat niitä lähimpänä olevalle p-tyyppiselle p nauhalle ja elektronit puolestaan takapinnan n-tyyppiselle n ohmiselle kontaktille.

8 Säteilyn vaikutukset hiukkasilmaisimessa: Säteilyn aiheuttamien vaurioiden vaikutukset pii-ilmaisimessa ilmaisimessa voidaan jakaa kolmeen luokkaan: 1) Vuotovirta kasvaa 2) Tyhjennysjännite nnite kasvaa 3) Hiukkasen tuottaman varauksen keräyksen hyötysuhde heikkenee Lisäksi säteilyn aiheuttamat vauriot voidaan vielä jakaa pintavauriohin sekä bulkkivaurioihin: Pintavauriot syntyvät ionisoivan säteilyn vaikutuksesta ja bulkkivauriot puolestaan korkeaenergisten hiukkasten ionisoimattomista vuorovaikutuksista ilmaisinmateriaalin kanssa.

9 Säteilyn vaikutukset hiukkasilmaisimessa: Säteilyn aiheuttamat kidevirheet voidaan lisäksi jakaa kahteen ryhmää ään: Pistemäiset iset kidevirheet Klusteroituneet kidevirheet Kevyet hiukkaset kuten fotonit ja alhaisen energian elektronit aiheuttavat ainoastaan pistemäisi isiä kidevirheitä. Alhaisen energian protonit (<50 MeV) aiheuttavat sekä pistemäisi isiä että klusteroituneita kidevirheitä. Korkean energian protonit puolestaan pääosin klusteroituneita kidevirheitä, kuten myös neutronisäteily teily.

10 Ilmaisimien valmistus: Työss ssä mitatut näytteet n (testidiodit sekä piinauha- ilmaisimet) prosessoitiin Teknillisen korkeakoulun mikroelektroniikkakeskuksen Micronovan puhdastilassa yksinkertaisella viiden maskitason prosessilla, jossa: 2 ioni-istutusta istutusta 2 termistä oksidointia 3 metallointia sputteroimalla Ilmaisimia prosessoitiin sekä magneettisella Czhoralski-menetelm menetelmällä kasvatetusta piistä että Float Zone-menetelm menetelmällä kasvatetusta piistä,, jotta tuloksia voitaisiin verrata toisiinsa.

11 Ilmaisimien säteilytys: Näytteitä säteilytettiin matalan ja korkean energian protoneilla, neutroneilla ja gammasäteill teillä useissa eri laboratorioissa: 10 MeV:n ja 20 MeV:n protoneilla Jyväskyl skylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa 24 GeV:n protoneilla CERN:issä 1 MeV:n neutroneilla University of Massachusetts:issä Co-gammas gammasäteillä Brookhaven National Laboratory:ssa.

12 Mittausmenetelmät: t: Näytteiden tärkeimmät parametrit mitattiin useiden erilaisten mittausmenetelmien avulla: Virta-jännite (IV)-mittauksella Kapasitanssi-jännite nnite (CV)-mittauksella TCT (Transient Current Technique)-mittauksella DLTS (Deep-level Transient Spectroscopy)-mittauksella Testaamalla ilmaisimia hiukkassuihkun avulla käyttäen nk. referenssiteleskooppia (SiBT).

13 IV- sekä CV-mittaukset: Tehdää ään probeasemalla valolta suojatuissa olosuhteissa. Erityisesti IV-mittauksissa lämpötila on erittäin in tärkeä muuttuja.. IV-mittauksessa ilmaisimen etu- ja taka- pinnan välinen vuotovirta mitataan jännitteen funktiona.. CV-mittausta puolestaan käytetään määrittämään ilmaisimen tyhjennysjännite nnite. Mittauksessa mitataan ilmaisimen etu- ja takapinnan välinen kapasitanssi jännitteen funktiona

14 TCT: Mittaus perustuu dominoivan varaustyypin havaitsemiseen. Kun ilmaisinta valaistaan laserilla, valo tunkeutuu ilmaisimeen muutaman mikrometrin syvyyteen. Absorboidut fotonit synnyttävät elektroni- aukko-pareja lähellä ilmaisimen pintaa.

15 TCT: Jos ilmaisimen etupintaa valaistaan, kerätty signaali tulee pääosin elektroneista. Tämä johtuu siitä, että ilmaisimen etupintaa valaistaessa aukot kerää ääntyvät p + -elektrodille niin nopeasti, että lukuelektroniikan nousuaika rajoittaa niiden mittausta. Elektronit puolestaan kulkevat pidemmän matkan koko ilmaisimen läpi ja siten ne ehditää ään mitata.

16 DLTS: DLTS-mittauksella voidaan tutkia kidevirheitä sekä epäpuhtauksia puhtauksia. Menetelmä perustuu kapasitanssin transientin mittaukseen lämpötilan funktiona. Kapasitanssin transientti puolestaan aiheutuu tyhjennysalueen leveyden muutoksesta, kuin diodi palaa tasapainotilaan epätasapainotilanteesta tasapainotilanteesta, eli kun pn-liitoksen jännitettä muutetaan estosuuntaisesta jännitteestä maapotentiaaliin.

17 Ilmaisimien testaus hiukkassuihkulla: Hiukkasuihkutesteissä voidaan suuren pinta-alan alan piinauhailmaisimista mitata mm. signaali-kohina kohina- suhde, hyötysuhde tysuhde, jolla ilmaisimet havaitsevat hiukkasia sekä ilmaisimien resoluutio (erotuskyky). Referenssiteleskooppi määrittää saapuvien hiukkasten radat, eli se tarjoaa referenssimittauksen ilmaisimen karakterisointia varten. Fysiikan tutkimuslaitoksen CMS-ohjelman referenssiteleskooppi SiBT sijaitsee CERN:in H2 alueella ja sen avulla voidaan tutkia ilmaisimia käyttäen 225 GeV:n myoneita.

18 SiBT:

19 Tulokset: Hiukkassuihkutesti säteilyttämättömälle suuren pinta-alan alan Czohralski pii-ilmaisimelle ilmaisimelle osoitti, että ilmaisimen signaali-kohinasuhde on 10, ilmaisin havaitsee hiukkasia 95% hyötysuhteella ja ilmaisimen resoluutio on 10 µm. Hiukkassuihkutesti protoneilla säteilytetylle s Czohralski pii- ilmaisimelle osoitti, että tärkein ilmaisimelta vaadittava ominaisuus pystyttiin täyttt yttämään ilmaisin havainnoi hiukkasia vielä suuren säteilyannoksen jälkeen. j Tosin hyötysuhteella 36%, signaali-kohinasuhteella 3 ja 20 µm:n resoluutiolla. Tulokset testidiodeille tehdyistä erilaisista mittauksista osoittavat, että Czohralski-piist piistä tehdyt näytteet kestävät hadronisäteily teilyä huomattavasti paremmin kuin Float Zone-piist piistä tai hapetetusta Float Zone-piist piistä tehdyt näytteet.

20 Yhteenveto: Saadut tulokset selkeästi sti kannustavat tutkimaan Czohralski- materiaalia lisää ää. Czohralski-pii näyttäisi kestävän hardonisäteily teilyä paremmin kuin perinteiset ilmaisinmateriaalit. Lisäksi materiaalista voidaan valmistaa suuria ilmaisimia suhteellisen helpolla valmistusmenetelmäll llä Vaikka hiukkassuihkutestien tulokset ovat melko vaatimattomia säteilytetyn ilmaisimen osalta, materiaalia kannattaa tutkia lisää ää. Lisäksi saatujen tulosten perusteella näyttäisi siltä, että tulevaisuudessa hiukkasuihkutesteissä kannattaisi käyttää modernimpaa lukuelektroniikkaa.