硅微条探测器辐射损伤(试讲)

1、硅微条探测器辐射损伤指导老师：李占奎1报告大纲一硅微条探测器原理硅微条探测器制作工艺二半导体材料辐射损伤硅微条探测器辐射损伤及参数化三硅微条探测器损伤实验准备硅微条探测器损伤测试2硅微条探测器工作原理测得能损E，结合后续的能量探测器测得的能量信号E ，实现粒子鉴别带点粒子穿过探测灵敏区，激发产生(h-e)对，电子向n+面漂移，空穴向p+面漂移，探测条上收集电子和空穴运动产生的电荷信号进而实现粒子探测。单向整流特性反向偏压耗尽探测灵敏区P-N结3双面硅微条探测器的制作工艺nSiO2SiO2 厚氧SiO2SiO2 光刻B注入孔，刻蚀，去胶清洗 薄氧p+p+ 双面注入B，退火 厚氧SiO2 光刻背面

2、P注入，刻蚀，去胶清洗 薄氧n+ 背面P注入，退火 双面光刻引线孔，刻蚀 双面溅射AlAl 超声去Al基本工艺流程:清洗厚氧化光刻刻蚀（或腐蚀）薄氧化注入退火光刻刻蚀（或腐蚀）光刻金属化刻蚀（或剥离）合金2022/8/94带电粒子与物质相互作用2022/8/95C束在Si中的能损及射程束流能量 电阻能损 核阻能损 射程 纵向岐离 横向岐离350.00 MeV 5.356E-01 2.496E-04 1.59 mm 62.63 um 18.47 um 375.00 MeV 5.070E-01 2.345E-04 1.79 mm 69.26 um 20.79 um 400.00 MeV 4.817

3、E-01 2.212E-04 2.01 mm 75.96 um 23.22 um 450.00 MeV 4.387E-01 1.989E-04 2.48 mm 101.10 um 28.43 um 500.00 MeV 4.036E-01 1.808E-04 2.99 mm 124.66 um 34.09 um 550.00 MeV 3.744E-01 1.658E-04 3.54 mm 147.57 um 40.18 um 600.00 MeV 3.496E-01 1.532E-04 4.14 mm 170.25 um 46.69 um 650.00 MeV 3.284E-01 1.425E

4、-04 4.77 mm 192.91 um 53.62 um 700.00 MeV 3.100E-01 1.332E-04 5.45 mm 215.65 um 60.95 um 800.00 MeV 2.796E-01 1.179E-04 6.91 mm 299.67 um 76.75 um 900.00 MeV 2.554E-01 1.059E-04 8.52 mm 377.35 um 94.04 um 1.00 GeV 2.358E-01 9.624E-05 10.28 mm 452.54 um 112.72 um 1.10 GeV 2.196E-01 8.822E-05 12.17 mm

5、 526.73 um 132.75 um 1.20 GeV 2.059E-01 8.148E-05 14.20 mm 600.62 um 154.04 um 质子束在Si中的能损及射程束流能量 电阻能损 核阻能损 射程 纵向岐离 横向岐离350.00 MeV 2.636E-03 7.107E-07 351.95 mm 13.95 mm 12.13 mm 375.00 MeV 2.546E-03 6.670E-07 393.43 mm 15.23 mm 13.44 mm 400.00 MeV 2.468E-03 6.284E-07 436.30 mm 16.50 mm 14.78 mm 450.

6、00 MeV 2.338E-03 5.638E-07 525.80 mm 20.98 mm 17.54 mm 500.00 MeV 2.235E-03 5.115E-07 619.84 mm 25.03 mm 20.37 mm 550.00 MeV 2.152E-03 4.685E-07 717.86 mm 28.80 mm 23.25 mm 600.00 MeV 2.084E-03 4.323E-07 819.40 mm 32.38 mm 26.18 mm 650.00 MeV 2.027E-03 4.014E-07 924.02 mm 35.79 mm 29.13 mm 700.00 Me

7、V 1.979E-03 3.749E-07 1.03 m 39.08 mm 32.10 mm 800.00 MeV 1.904E-03 3.313E-07 1.25 m 50.43 mm 38.06 mm 900.00 MeV 1.848E-03 2.970E-07 1.48 m 60.29 mm 44.01 mm 1.00 GeV 1.805E-03 2.694E-07 1.72 m 69.20 mm 49.91 mm 1.10 GeV 1.773E-03 2.466E-07 1.96 m 77.42 mm 55.75 mm 1.20 GeV 1.748E-03 2.275E-07 2.20

8、 m 85.10 mm 61.49 mm 2022/8/96半导体材料的辐射损伤非电离能损NIEL2022/8/91）使晶格原子位移，导致间隙和空位2）核相互作用（如中子俘获）3）二级过程，多次作用，级联过程， 产生缺陷群1)空位-磷络合物，磷不再完成它的原始的施主作用。2)空位-氧络合物，氧作为间隙的在正常的晶格位置之间，是电学非活性。稳定的氧-络合物是电活性，在间隙上半部成受主态，而在空间电荷区是电中性，并作为电子的俘获中心。7缺陷对探测器性能影响电学性质：1,作为复合产生中心，能够俘获和发射电子和空穴。在探测器的空间电荷区中，电子和空穴的交替发射，似的反向偏置电流在增加。2，作为陷阱中心

9、，电子或者空穴被俘获经过一些时间延迟在发射，在探测器的空间电荷区中，信号电荷被陷阱俘获丙释放的太晚影响有效探测使得信号减小。3，改变空间电荷区的电荷密度，于是要求增加偏压才能使探测器灵敏区完全发挥。探测器的影响漏电流变大电荷收集效率变差（空间电荷密度变化+信号电荷的陷阱俘获）完全耗尽偏压增大，N-P反型，使探测器失效2022/8/98探测器表面损伤氧化物损伤1)SiO2与高掺杂Si边界，为辐射时晶格高度不规则，且电场强度大。氧化物损伤由电离辐射，如光子、X射线及带电粒子产生载流子引起。2)SiO2中，电子迁移率比空穴迁移率大几个数量级，氧化物的损伤显示为正电荷的建立。3)SiO2与高掺杂Si过

10、渡区陷阱俘获几率大，零偏压，平带电压移动最小，俘获几率最大。氧化物电荷具有饱和值，归因于半永久性缺陷有限数量。2022/8/99探测器辐射损伤参数化有效掺杂、漏电流、电荷收集效率等实验测量值同辐射通量之间的关系，使辐射损伤参数化。漏电流变化表征探测器辐射损伤直观且易计算，但是它是一个温度相关量；有效掺杂可以直接从C-V曲线中计算得出，但是由于退火影响，它不是衡量。2022/8/910NIFL定标探测器辐射损伤NIEL(Non Ionising Energy Loss),非电离能损，直接使晶格晶格位移产生各缺陷，其大小与入射粒子种类、能量和靶物质性质相关。归一化参数：1MeV等效中子通量。202

11、2/8/9k硬度参数EDK: energy spectrum averaged displacement KERMAKERMA:比释动能EDK(1MeV)=95MeV mb112022/8/9硅，A=28.06 g/mol，100MeV mb =20144KeV cm2/g12探测器辐射损伤测量高能质子辐射损伤，数据量大；10E13通量，GeV量级的高能质子轰击探测器，其辐射损伤明显。高能重离子辐射损伤，国际空白。2022/8/9计算与GeV量级的高能质子轰击探测器具有相同的NIEL的C束流，轰击探测器，所需束流时间，如下：所需通量 约为5*10E12,由I*t=n*q，得t=n*q/I,由表可知，总能量达到GeV量级的C6+，平均每核子能量需要100MeV，因此选取表中流强I=0.06A，q=6*1.6*10E-19C，计算可得 t=100s。（申请正在进行）13探测器的抗辐照性能