[PDF]    https://doi.org/10.3952/physics.2023.63.2.3

Open access article / Atviros prieigos straipsnis
Lith. J. Phys. 63, 66–72 (2023)

INCREASE OF THE SURFACE RECOMBINATION VELOCITY AT HIGH BIAS VOLTAGE IN SILICON IRRADIATED BY NEUTRONS TO EXTREMELY HIGH FLUENCES
Juozas Vidmantis Vaitkus and Algirdas Mekys
Institute of Photonics and Nanotechnology, Faculty of Physics, Vilnius University, Saulėtekio 3, 10222 Vilnius, Lithuania
Email: juozas.vaitkus@ff.vu.lt

Received 16 January 2023; revised 13 April 2023; accepted 13 April 2023

The upgrading of ionizing radiation detectors is an actual problem especially related to the high energy physics and space research experiments. The simplest way to restore the signal of the irradiation degraded detector is the increase of the detector bias voltage. This method is widely used worldwide, including high energy physics experiments in ATLAS and CMS. This work presents an effect, which was caused by increased bias voltage in detectors irradiated to extreme high neutron fluence at low temperature. The effect could be related to the increase of surface recombination velocity.
The intrinsic photoconductivity spectra were exploited in order to investigate the properties of highly irradiated silicon as this effect depends on parameters that are important in radiation detectors. Two characteristic effects were observed in such highly irradiated samples: the increase of photoconductivity quantum yield and the enhancement of surface recombination at higher bias voltages. The increase of the quantum yield was analyzed in Ref. [1]. The increase of the surface recombination with bias electric field was analyzed in this work as an extension of the performed investigation in the same samples as in Ref. [1]. The investigated silicon samples were irradiated by neutrons to wide range fluence up to 1017 n/cm2.
The origin of this effect was analyzed and related to the radiation clusters, which decrease the free carrier lifetime.
Keywords: radiation detectors, silicon, photoconductivity, CERN

PAVIRŠINĖS REKOMBINACIJOS GREIČIO AUGIMAS DIDINANT ĮTAMPĄ SILICYJE PO ŠVITINIMO GREITAISIAIS NEUTRONAIS YPAČ DIDELIU ĮTĖKIU
Juozas Vidmantis Vaitkus, Algirdas Mekys

Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Fotonikos ir nanotechnologijų institutas, Vilnius, Lietuva
Didelių energijų dalelių fizikos eksperimentuose (pvz., ATLAS, CMS) dėl švitinimo poveikio degraduoja detektoriai ir silpsta iš jų gaunami signalai. Vienas populiariausių būdų atkurti nykstantį signalą yra kelti maitinimo įtampą. Šiame darbe nagrinėjamas reiškinys, kai silicio detektoriaus fotolaidumo spektre keliant įtampą stebimas pokytis po švitinimo greitaisiais neutronais įtėkių srityje nuo 1015 iki 1017 n/cm2. Atlikus teorinių fotosrovės matematinių išraiškų priderinimus prie eksperimentinių duomenų, buvo nustatyti paviršinės rekombinacijos greičiai, kurie tendencingai keitėsi priklausomai nuo pridėtos įtampos. Šio greičio kitimo intervalas apima ribas nuo 0,1 iki 3 000 cm/s, keičiant įtampą, lemiančią elektrinio lauko kitimo ribas nuo 23 V/cm iki 2,4 kV/cm. Tokio stiprumo elektrinis laukas nekeičia krūvininkų judrio, o krūvininkų tankio kitimas yra nulemtas rekombinacijos kitimo. Iš kitų tyrimų žinoma, kad greitaisiais neutronais paveiktame Si kuriasi defektų klasteriai, iš kurių 1/3 yra elektrinių dipolių pavidalo ir tik jie lemia krūvininkų gyvavimo trukmę. Taigi, likusią įtaką rekombinacijai daro medžiagos paviršiaus savybės. Todėl eksperimentiniams rezultatams paaiškinti šiame darbe buvo pasiūlytas modelis, pagal kurį bandinio paviršiuje dėl nelygumų ar kitų defektų yra mažesnis krūvininkų judris. Pridėta įtampa krūvininkus efektyviau nukreipia link defektų klasterių, dėl kurių mažėja gyvavimo trukmė, tačiau paviršiuje generuotų krūvininkų rekombinacijos greitis yra mažesnis dėl mažesnio judrio. Apibendrinant rezultatus, daromos tokios išvados: Si, švitintame greitaisiais neutronais įtėkiu 1015 n/cm2 ir didesniu, stebimas kvantinės išeigos padidėjimas, kuris nepriklauso nuo pridėtos įtampos; manoma, kad paviršinės rekombinacijos greičio padidėjimas yra susijęs su defektų klasteriais ir krūvininkų judrio sumažėjimu ties paviršine Si/SiO2 sandūra.


References / Nuorodos

[1] J.V. Vaitkus, M. Moll, V. Kažukauskas, and V. Vertelis, Increase of the photoconductivity quantum yield in silicon irradiated by neutrons to extremely high fluences, J. Phys. D 55, 395104 (2022),
https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac7f65
[2] W. Adam, T. Bergauer, E. Brondolin, M. Dragicevic, M. Friedl, R. Frühwirth, M. Hoch, J. Hrubec, A. König, H. Steininger, et al., Characterization of irradiated thin silicon sensors for the CMS phase II pixel upgrade, Eur. Phys. J. C 77, 567 (2017),
https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-017-5115-z
[3] G. Pellegrini, M. Baselga, M. Carulla, V. Fadeyev, P. Fernandez-Martinez, M. Fernandez-Garcia, D. Flores, Z. Galloway, C. Gallrapp, S. Hidalgo, et al., Recent technological developments on LGAD and iLGAD detectors for tracking and timing applications, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 831, 24–28 (2016),
https://doi.org/10.1016/j.nima.2016.05.066
[4] N. Moffat and R. Bates, Simulation of the small pixel effect contributing to a low fill factor for pixellated Low Gain Avalanche Detectors (LGAD), Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 1018, 165746 (2021),
https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.165746
[5] M.C.N. Cartiglia, R. Arcidiacono, G. Borghi, M. Boscardin, M. Costa, Z. Galloway, F. Fausti, M. Ferrero, F. Ficorella, M. Mandurrino, et al., LGAD designs for Future Particle Trackers, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 979, 164383 (2020),
https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164383
[6] B. Nachman, in: Proceedings of 33rd RD50 Workshop (CERN, 2018),
https://indico.cern.ch/event/754063/contributions/3222832/
[7] A. Rose, Concepts in Photoconductivity and Allied Problems (Interscience Publishers, 1963) p. 168
[8] R.A. Smith, Semiconductors (Cambridge University Press, N.Y., 1978) p. 504
[9] K. Nagai, Y. Hayashi, and Y. Tarui, Carrier injection into SiO2 from Si surface driven to avalanche breakdown by a linear ramp pulse, and trapping, distribution and thermal annealing of injected holes in SiO2, Jpn. J. Appl. Phys. 14, 1539–1545 (1975),
https://doi.org/10.1143/JJAP.14.1539
[10] G.G. Macfarlane, T.P. McLean, J.E. Quarrington, and V. Roberts, Fine structure in the absorption-edge specrum of Si, Phys. Rev. 111(5), 1245–1254 (1958),
https://doi.org/10.1103/PhysRev.111.1245
[11] C. Jacoboni, C. Canali, G. Ottaviani, A. Albrigi, and A.A. Quaranta, A review of some charge transport properties of silicon, Solid State Electron. 20(2), 77–89 (1977),
https://doi.org/10.1016/0038-1101(77)90054-5
[12] P.T. Landsberg, On detailed balance between Auger recombination and impact ionization in semiconductors, Proc. R. Soc. A 331, 1584 (1972),
https://doi.org/10.1098/rspa.1972.0166
[13] L. Reggiani and V. Mitin, Recombination and ionization processes at impurity centres in hot-electron semiconductor transport, Riv. Nuovo Cim. 12, 1–90 (1989),
https://doi.org/10.1007/BF02740011
[14] M. Huhtinen, Simulation of non-ionising energy loss and defect formation in silicon, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 491, 194–215 (2002),
https://doi.org/10.1016/S0168-9002(02)01227-5
[15] R.E. Beddoe, S. Messoloras, R.J. Stewart, G. Kostorz, and E.W.J. Mitchell, Temperature-dependent neutron scattering from silicon single crystals, Philos. Mag. A, 48, 935–952 (1983),
https://doi.org/10.1080/01418618308244328
[16] M. Moll, E. Gaubas, A. Uleckas, J. Vaitkus, J. Raisanen, and P. Tikkanen, Instrumentation for the in situ control of carrier recombination characteristics during irradiation by protons, Rev. Sci. Instrum. 81, 053303 (2010),
https://doi.org/10.1063/1.3429944
[17] E. Gaubas, T. Ceponis, L. Deveikis, D. Meskauskaite, J. Pavlov, V. Rumbauskas, J. Vaitkus, M. Moll, and F. Ravotti, Anneal induced transformations of defects in hadron irradiated Si wafers and Schottky diodes, Mater. Sci. Semicond. Process. 75, 157–165 (2018),
https://doi.org/10.1016/j.mssp.2017.11.035
[18] L. Deveikis, J.V. Vaitkus, T. Čeponis, M. Gaspariūnas, V. Kovalevskij, V. Rumbauskas, and E. Gaubas, Profiling of proton beams by fluence scanners, Lith. J. Phys. 61, 75–83 (2021),
https://doi.org/10.3952/physics.v61i2.4436
[19] R.N. Hall, Electron-hole recombination in germanium, Phys. Rev. 87, 387 (1952),
https://doi.org/10.1103/PhysRev.87.387
[20] W. Shockley and W.T. Read, Statistics of the recombinations of holes and electrons, Phys. Rev. 87, 835–842 (1952),
https://doi.org/10.1103/PhysRev.87.835
[21] V. Eremin, E. Verbitskaya, A. Zabrodskii, Z. Li, and J. Harkonen, Avalanche effect in Si heavily irradiated detectors: Physical model and perspectives for application, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 658, 145–151 (2011),
https://doi.org/10.1016/j.nima.2011.05.002
[22] J.S. Blakemore, Semiconductor Statistics (Pergamon Press, Oxford, 1962)
[23] E. Gaubas, J. Bučinskas, J. Kaladė, V. Šugurov, and J. Vaitkus, in: Proceedings of 19th RD50 Workshop (CERN, 2011),
[PDF]
[24] J.V. Vaitkus, A. Mekys, V. Rumbauskas, and J. Storasta, Neutron irradiation influence on mobility and compensation on dark conductivity in silicon, Lith. J. Phys. 56, 102–110 (2016),
https://doi.org/10.3952/physics.v56i2.3306
[25] J.V. Vaitkus, A. Mekys, and Š. Vaitekonis, Electron mobility dependence on neutron irradiation fluence in heavily irradiated silicon, Lith. J. Phys. 61, 91–96 (2021),
https://doi.org/10.3952/physics.v61i2.4438
[26] P.O. Hahn, The Si–SiO2 interface: Correlation of atomic structure and electrical properties, J. Vac. Sci. Technol. A 2, 574 (1984),
https://doi.org/10.1116/1.572449