[论文解读] Study of radiation damage induced by 12 keV X-rays in MOS structures built on high resistivity n-type silicon

Jiaguo Zhang, Ioana Pintilie+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2011

Semiconductor materials and devices参考文献 3被引用 6

一句话总结

本研究调查了在欧洲XFEL条件下模拟的高电阻率n型硅上MOS结构在高剂量12 keV X射线下的辐射损伤。通过C/G-V和TDRC测量，识别出辐射诱导的氧化层电荷以及三种呈高斯分布的界面态，其在约10 MGy后趋于饱和或减少，模型定量描述了频率依赖行为及高达1 GGy的辐射响应。

ABSTRACT

Imaging experiments at the European X-ray Free Electron Laser (XFEL) require silicon pixel sensors with extraordinary performance specifications: Doses of up to 1 GGy of 12 keV photons, up to 10^5 12 keV photons per pixel of 200 \mum imes 200 \mum arriving within less than 100 fs, and a time interval between XFEL pulses of 220 ns. To address these challenges, in particular the question of radiation damage, the properties of the SiO_2 layer and of the Si-SiO_2 interface using MOS capacitors manufactured on high resistivity n-type silicon irradiated to X-ray doses between 10 kGy and 1 GGy, have been studied. Measurements of Capacitance/Conductance-Voltage (C/G-V) at different frequencies, as well as Thermal Dielectric Relaxation Current (TDRC) have been performed. The data can be described by a radiation dependent oxide charge density and three dominant radiation-induced interface states with Gaussian-like energy distributions in the silicon band gap. It is found that the densities of the fixed oxide charges and of the three interface states increase up to dose values of approximately 10 MGy and then saturate or even decrease. The shapes and the frequency dependences of the C/G-V measurements can be quantitatively described by a simple model using the parameters extracted from the TDRC measurements.

研究动机与目标

• 评估在与XFEL成像相关的极端12 keV X射线剂量下，高电阻率n型硅上MOS电容器的辐射损伤。
• 表征SiO2/Si结构在高达1 GGy剂量的辐射下产生的氧化层电荷和界面态。
• 理解在高剂量X射线辐照下，MOS结构电容/电导的频率和剂量依赖性。
• 利用TDRC和C/G-V数据开发定量模型，以预测传感器性能。

提出的方法

• 在高电阻率n型硅衬底上制备MOS电容器用于辐射测试。
• 使用12 keV X射线对样品进行辐照，剂量范围从10 kGy到1 GGy，以模拟XFEL条件。
• 进行多频率电容/电导-电压（C/G-V）测量，以提取界面态和氧化层电荷密度。
• 进行热释电介质弛豫电流（TDRC）测量，以提取辐射诱导电荷参数。
• 使用包含辐射依赖性氧化层电荷和三种高斯分布界面态的模型，拟合实验C/G-V和TDRC数据。
• 利用提取的参数，定量描述频率依赖的C/G-V行为和辐射响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高电阻率n型硅上MOS结构中，辐射诱导的氧化层电荷和界面态如何随12 keV X射线剂量的增加而演变？
• RQ2 在高剂量X射线辐照下，辐照后MOS电容器的C/G-V特性具有何种频率依赖性？
• RQ3 是否能通过一个简单的物理模型定量描述在整个剂量范围内测得的C/G-V和TDRC响应？
• RQ4 在何种剂量下，辐射诱导的氧化层电荷和界面态达到饱和或开始减少？
• RQ5 界面态的能量分布如何影响MOS结构在极端辐射条件下的电学响应？

主要发现

• 辐射诱导的固定氧化层电荷密度随剂量增加而上升，并在约10 MGy后趋于饱和或略有下降。
• 识别出三种主要的界面态，其在硅带隙中具有类似高斯分布的能级分布，其密度随剂量增加而在约10 MGy附近趋于饱和。
• C/G-V曲线的形状和频率依赖性可通过基于TDRC测量提取参数的模型得到定量描述。
• 该模型成功捕捉了高达1 GGy全剂量范围内电容和电导的辐射诱导变化。
• 氧化层电荷和界面态密度在高剂量下趋于饱和，表明辐射损伤累积存在限制机制。
• 数据表明，MOS结构的辐射效应并非纯粹的累加性，极端剂量下可能存在缺陷复合或钝化。