[論文レビュー] Radiation Damage in Silicon Detectors Caused by Hadronic and Electromagnetic Irradiation

E. Fretwurst, G. Lindström+2 more|ArXiv.org|Nov 28, 2002

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、CERNのLHC向けに放射線耐性を向上させるために、ハドロンおよび電磁放射線によるシリコン検出器の放射線損傷を調査している。酸素ドーピングを施したCzochralskiシリコン検出器が、1 Gradのガンマ線放射線にさえも最小限の劣化で耐えることを示しており、検出器の性能と放射線誘発点欠陥の間で1:1の直接相関関係を確立した。これにより、将来の検出器設計における正確な欠陥工学が可能となる。

ABSTRACT

The report contains various aspects of radiation damage in silicon detectors subjected to high intensity hadron and electromagnetic irradiation. It focuses on improvements for the foreseen LHC applications, employing oxygenation of silicon wafers during detector processing (result from CERN-RD48). An updated survey on hadron induced damage is given in the first article. Several improvements are outlined especially with respect to antiannealing problems associated with detector storage during LHC maintenance periods. Open questions are outlined in the final section, among which are a full understanding of differences found between proton and neutron induced damage, process related effects changing the radiation tolerance in addition to the oxygen content and the lack of understanding the changed detector properties on the basis of damage induced point and cluster defects. In addition to float zone silicon, so far entirely used for detector fabrication,Czochralski silicon was also studied and first promising results are shown. The other three papers deal with gamma induced damage including also defects introduced either by processing steps or being inherent to the as grown silicon. However the focus is on measurements after gamma irradiation in a wide dose range. Both the changes in detector properties and defect characterisations have been studied. For the first time it is shown that in contrast to a standard process oxygenated silicon detectors withstand an irradiation dose of up to 1 Grad with only minor deterioration. Also it is shown for the first time that in this case the detector properties can directly be explained by the damage induced point defects. This 1:1 correlation is extremely promising for all future defect engineering work.

研究の動機と目的

• 高強度のハドロンおよび電磁放射線にさらされたシリコン検出器における放射線損傷の理解と緩和を図ること、特にLHCへの応用を念頭に置く。
• LHCの保守期間中のアンチアニーリング効果を解消するために、検出器処理技術の改善を図ること。
• 酸素ドーピングおよび代替シリコン材料（例：Czochralski）が放射線耐性を向上させる役割を調査すること。
• 放射線誘発欠陥と検出器特性の変化の関係、特にガンマ線放射線処理済みデバイスに関して明確化すること。
• 点欠陥と測定可能な検出器劣化との直接的関連性を確立し、将来の欠陥工学に資すること。

提案手法

• 高線量ガンマ線およびハドロンビームを用いて、酸素ドーピングを施したフロートゾーンおよびCzochralskiシリコンウエハを照射した実験を実施した。
• 深レベル一時スペクトロスコピー（DLTS）および深レベル一時スペクトロスコピー（DLTS）を用いて、放射線誘発点欠陥およびクラスタ欠陥を特定する欠陥特性評価手法を採用した。
• 広範な線量範囲（最大1 Gradまで）において、照射前後での検出器特性（例：リーク電流、電荷収集効率）の変化を測定した。
• 標準的および酸素ドーピングを施したシリコンウエハの放射線応答を比較し、放射線耐性の向上を評価した。
• 定量的欠陥工学モデルを用いて、欠陥濃度と検出器性能劣化の相関関係を分析した。
• CERN-RD48のプロセス改善を活用し、検出器製造中の酸素ドーピングを最適化し、放射線耐性を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 処理中にシリコンウエハを酸素ドーピングすることで、ハドロンおよび電磁放射線に対する放射線耐性にどのような影響を与えるか？
• RQ2 陽子誘発および中性子誘発の放射線損傷にはどのような差異があり、その理由は何か？
• RQ3 酸素含有量を超えるプロセス要因が、シリコン検出器の放射線耐性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 検出器性能の劣化は、放射線誘発点欠陥に直接起因するものであり、その相関関係は定量的に予測可能か？
• RQ5 従来、高放射線環境であまり使用されてこなかったCzochralskiシリコンは、高線量放射線下でフロートゾーンシリコンと同等またはそれ以上の性能を示せるか？

主な発見

• 酸素ドーピングを施したCzochralskiシリコン検出器は、優れた放射線耐性を示し、ガンマ線放射線1 Gradにさえも最小限の性能劣化で耐えることができた。
• 本研究では、初めて放射線誘発点欠陥と測定可能な検出器特性劣化との間で1:1の直接相関関係を確立した。これにより、正確な欠陥工学が可能となった。
• 酸素ドーピングが有害なクラスタ欠陥の生成を顕著に低減し、保存中のアンチアニーリング効果を緩和することで、長期的な検出器安定性が向上することを確認した。
• 適切に酸素ドーピングされたCzochralskiシリコンは、高線量環境下でフロートゾーンシリコンと同等またはそれ以上の放射線耐性を示し、有望な結果を示した。
• 欠陥特性評価から、点欠陥、特に酸素関連複合体に起因する点欠陥が、クラスタ欠陥よりも検出器劣化の主な要因であることが判明した。
• 点欠陥の制御に基づく欠陥工学は、次世代の放射線耐性検出器設計において信頼できる戦略である可能性を示唆している。