硅微条探测器辐射损伤(试讲).pptx

硅微条探测器辐射损伤 汪鹏飞指导老师 李占奎 报告大纲 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 双面硅微条探测器的制作工艺 厚氧 光刻B注入孔 刻蚀 去胶清洗 薄氧 双面注入B 退火 厚氧 光刻背面P注入 刻蚀 去胶清洗 薄氧 背面P注入 退火 双面光刻引线孔 刻蚀 双面溅射Al 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 2020 2 18 带电粒子与物质相互作用 带电粒子与核外电子的弹性 非弹性碰撞带电粒子与介质原子核的弹性 非弹性碰撞a 阻止本领 MeV cm或MeV mg cm2 4 2 4 0 2ln2 0 2 ln1 2 2I为介质原子的平均电离电势 Si约为150KeVb 比电离及射程比电离 在阻止介质的单位路程上产生的电子 离子对数目 包含原始比电离和次级比电离之和 射程 在阻止介质中完全损失能量所走的路程 00 c 能损岐离与射程岐离单能粒子束穿过一定厚度介质后 能量不再单一 成高斯分布 为能量损失岐离 同理射程围绕某个平均值涨落 为射程岐离 2020 2 18 C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 00MeV5 356E 012 496E 041 59mm62 63um18 47um375 00MeV5 070E 012 345E 041 79mm69 26um20 79um400 00MeV4 817E 012 212E 042 01mm75 96um23 22um450 00MeV4 387E 011 989E 042 48mm101 10um28 43um500 00MeV4 036E 011 808E 042 99mm124 66um34 09um550 00MeV3 744E 011 658E 043 54mm147 57um40 18um600 00MeV3 496E 011 532E 044 14mm170 25um46 69um650 00MeV3 284E 011 425E 044 77mm192 91um53 62um700 00MeV3 100E 011 332E 045 45mm215 65um60 95um800 00MeV2 796E 011 179E 046 91mm299 67um76 75um900 00MeV2 554E 011 059E 048 52mm377 35um94 04um1 00GeV2 358E 019 624E 0510 28mm452 54um112 72um1 10GeV2 196E 018 822E 0512 17mm526 73um132 75um1 20GeV2 059E 018 148E 0514 20mm600 62um154 04um 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 00MeV2 636E 037 107E 07351 95mm13 95mm12 13mm375 00MeV2 546E 036 670E 07393 43mm15 23mm13 44mm400 00MeV2 468E 036 284E 07436 30mm16 50mm14 78mm450 00MeV2 338E 035 638E 07525 80mm20 98mm17 54mm500 00MeV2 235E 035 115E 07619 84mm25 03mm20 37mm550 00MeV2 152E 034 685E 07717 86mm28 80mm23 25mm600 00MeV2 084E 034 323E 07819 40mm32 38mm26 18mm650 00MeV2 027E 034 014E 07924 02mm35 79mm29 13mm700 00MeV1 979E 033 749E 071 03m39 08mm32 10mm800 00MeV1 904E 033 313E 071 25m50 43mm38 06mm900 00MeV1 848E 032 970E 071 48m60 29mm44 01mm1 00GeV1 805E 032 694E 071 72m69 20mm49 91mm1 10GeV1 773E 032 466E 071 96m77 42mm55 75mm1 20GeV1 748E 032 275E 072 20m85 10mm61 49mm 2020 2 18 半导体材料的辐射损伤 非电离能损NIEL 2020 2 18 1 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 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 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 2020 2 18 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 2020 2 18 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 2020 2 18 NIFL定标探测器辐射损伤 NIEL NonIonisingEnergyLoss 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 2020 2 18 k硬度参数 EDK energyspectrumaverageddisplacementKERMA KERMA 比释动能 微分通量 反应弹性碰撞能量P 配分函数 fk为看反应几率 EDK 1MeV 95MeVmb 2020 2 18 硅 A 28 06g mol 100MeVmb 20144KeVcm2 g 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 2020 2 18 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 06 A q 6 1 6 10E 19C 计算