Effects of vacancy-type defects in silicon based particle detectors

Abstract

The semiconductor particle detectors used at CERN experiments are exposed to radiation. Under radiation, the formation of lattice defects is unavoidable. The defects affect the depletion voltage and leakage current of the detectors, and hence affect on the signal-to-noise ratio of the detectors. This shortens the operational lifetime of the detectors. For this reason, the understanding of the formation and the effects of radiation induced defects is crucial for the development of radiation hard detectors. In this work, I have studied the effects of radiation induced defects-mostly vacancy related defects-with a simulation package, Silvaco. Thus, this work essentially concerns the effects of radiation induced defects, and native defects, on leakage currents in particle detectors. Impurity donor atom-vacancy complexes have been proved to cause insignificant increase of leakage current compared with the trivacancy and divacancy-oxygen centres. Native defects and divacancies have proven to cause some of the leakage current, which is relatively small compared with trivacancy and divacancy-oxygen.

Puolijohdehiukkasilmaisimet, joita käytetään CERN:in kokeissa, altistuvat säteilylle. Säteily muodostaa ilmaisimiin hilavirheitä, jotka vaikuttavat ilmaisimen tyhjennysjännitteeseen sekä vuotovirtaan, ja siten myös signaalin ja kohinan suhteeseen. Tämä johtaa vääjäämättä ilmaisimen toimintaiän lyhenemiseen. Jotta voidaan kehittää säteilyn kestäviä hiukkasilmaisimia, on ymmärrettävä säteilyn aiheuttamien hilavirheiden synty sekä niiden vaikutukset. Tässä työssä on tutkittu lähinnä vakansseihin liittyviä säteilyn aiheuttamia hilavirheitä Silvaco-ohjelmistolla. Tutkimus keskittyy lähinnä säteilyn aiheuttamien hilavirheiden vaikutukseen vuotovirtaan. Epäpuhtausatomien ja vakanssien muodostamien kompleksien on havaittu aiheuttavan vain vähäistä kasvua vuotovirtaan, verrattaessa niitä kolmoisvakanssiin ja kaksoisvakanssi- happi yhdistelmiin. Alkuperäiset hilavirheet, sekä kaksoisvakanssin on todistettu aiheuttavan vuotovirran kasvua, mutta kuitenkin huomattavasti vähäisemmissä määrin, kuin kolmoisvakanssin sekä kaksoisvakanssi-happi yhdistelmän.