Критические элементы p-i-n структур на основе высокоомного кремния. Анализ работы и модельные представления

Ерёмин, Игорь Владимирович

Критические элементы p-i-n структур на основе высокоомного кремния. Анализ работы и модельные представления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Ерёмин, Игорь Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Критические элементы p-i-n структур на основе высокоомного кремния. Анализ работы и модельные представления»

Автореферат диссертации на тему "Критические элементы p-i-n структур на основе высокоомного кремния. Анализ работы и модельные представления"

На правах рукописи УДК 538.9

ЕРЁМИН Игорь Владимирович

КРИТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ р-1-п СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ВЫСОКООМНОГО КРЕМНИЯ. АНАЛИЗ РАБОТЫ И МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Специальность 01.04.07- физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

О1

Санкт-Петербург 2013

I 0 !■'■:.■: і ¿013

005062172

Работа выполнена в Лаборатории физики неупорядоченных полупроводников НИИ Физики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А.И.Герцена».

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Серегин Павел Павлович, профессор кафедры физической электроники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А.И.Герцена».

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Семенов Валентин Георгиевич, профессор кафедры аналитической химии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет», специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния;

кандидат физико-математических наук Хусаинов Абдурахмаи Хусаинович, ведущий научный сотрудник отдела полупроводниковых детекторов Федерального государственного бюджетного учреждения «Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"».

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Защита состоится «27» июня 2013 г. в «15» часов на заседании Совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212. 199. 21 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А.И.Герцена» по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 48, корпус 3, ауд. 52.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А.И.Герцена», 191186, Санкт-Петербург, наб. реки ¡ки, 48, корпус 5.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент

Общая характеристика работы Актуальность работы

Инструментальное обеспечение экспериментальной физики высоких энергий многие десятилетия основывалось на газовых позиционно чувствительных детекторах и трековых пузырьковых камерах. Создание нового типа ускорителей — коллайдеров и проведение экспериментов на встречных пучках с недостижимой ранее энергией частиц потребовало разработки новых детектирующих систем. При столь высоких энергиях (в единицы ГэВ) и плотностях пучков сталкивающихся частиц возникают одновременно тысячи вторичных частиц, траектории которых расположены на расстояниях в десятки микрон, а времена жизни отдельных из них не превышают долей наносекунды. Очевидно, что упомянутые выше газовые детекторы не удовлетворяют требованию пространственного разрешения и быстродействия, а пузырьковые камеры не способны зарегистрировать траектории всех частиц при столь высокой плотности. Поэтому уже в 80-х годах прошлого века начались работы по применению кремниевых детекторов в физике высоких энергий, показавшие их перспективность. Основное внимание было уделено позиционно чувствительным детекторам в виде матрицы отдельных р-п переходов. Этот путь привел к существенному прогрессу в пространственной разрешающей способности, повысив ее в десятки раз, а с применением кремниевой планарной технологии было достигнуто координатное разрешение в единицы микрон.

В тоже время, в рамках экспериментов на встречных пучках на Большом Адронном Коллайдере (БАК) в ЦЕРНе исследовалось полное сечение протон-протонного взаимодействия релятивистских протонов. Исследования в этой области позволяют получить константы для описания взаимодействия ускоренных частиц и в частности их дифракции. Для проведения таких измерений необходимо регистрировать частицы, рассеянные под предельно малыми углами по отношению к первичному протонному пучку. Эта задача оставалась до недавнего времени не доступной для экспериментального исследования. Требование регистрации частиц, рассеянных под предельно малыми углами приводит к ограничению, накладываемому на максимальное расстояние между протонным пучком и чувствительной областью детекторов, критическая величина которого составляет десятки мкм.

Ранее для этой цели использовались сцинтилляционные детекторы. В совокупности с новым уровнем требований, высокой эффективностью преобразования энергии частицы в электрический сигнал по сравнению с другими типами детектирующих структур и малыми габаритами использование полупроводниковых детекторов в такой задаче являются оптимальным. Кремниевый детектор, удовлетворяющий описанной задаче, должен обладать следующим набором характеристик: позиционное разрешение на уровне единиц мкм; скорость отклика на зарегистрированную частицу - единицы не; рабочее напряжение в сотни вольт; стандартная для кремниевых детекторов чувствительность (соотношение сигнал/шум); чувствительную область распространяющуюся, как ми-

нимум, до одного края структуры (для регистрации частиц рассеянных под малыми углами).

Для получения указанных характеристик необходимо рассматривать следующие элементы детектирующих стриповых структур на основе высокоомно-го кремния как критические и определяющие оптимальный режим работы: межстриповую область и её изолирующие свойства; систему плавающих охранных кольцевых //-и-переходов для периферийных областей матриц р-п переходов и распределение потенциалов на кольцевых //-«-переходах; чувствительную торцевую область стриповых структур. Цель работы:

Исследование физических процессов в матричных структурах на основе р-п переходов в их чувствительных, периферийных и торцевых областях с целью создания обобщённой модели их функционирования, использование которой позволяет создавать матричные сенсоры оптимальной конструкции.

Для достижения намеченной цели при выполнении диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

• провести исследование межсегментной изоляции в матрицах р-п переходов на основе высокоомного кремния, которое определяет взаимовлияние соседних элементов позиционно-чувствительных приемников излучения, создать модель, объясняющую полученные результаты;

• провести исследование распределения потенциала в охранных структурах (системе плавающих кольцевых р+-п-переходов), создать модель, объясняющую полученные результаты;

• провести исследование распределения потенциала и ВАХ в торцевой области, создать модель, описывающую и объясняющую распределения потенциала, электрического поля и ВАХ в области торца р-1-п структуры.

Научная новизна:

1. Разработаны и созданы образцы сегментированных р-п переходов с большой длиной межсегментных промежутков, необходимые для исследования свойств межсегментного промежутка.

2. Показано, что ВАХ межсегментного промежутка зависит от напряжения, приложенного к р-1-п структуре, и зависит от величины объемного темнового тока, генерируемого в ¡- области.

3. Разработана модель межсегментного взаимодействия.

4. Определены закономерности распределения потенциала по системе колец с плавающим потенциалом - нарушение линейности деления потенциала под действием тангенциальной составляющей электрического поля под сегментами делителя потенциала. Выполнена экспериментальная проверка сделанного вывода на специально разработанных тестовых структурах с увеличенным количеством колец в диапазоне напряжений до 1000 В.

5. Разработана модель распределения потенциала по системе колец с плавающим потенциалом.

6. Показано, что возможна оптимизация топологии сегментирования колец, которая, с учетом нелинейности деления потенциала, позволяет стабилизировать ВАХ структуры.

7. Проведен анализ свойств торца р-1-п структуры как элемента, влияющего на вольтамперную характеристику структуры и на транспорт носителей в области торца.

8. Разработана качественная физическая модель, описывающая формирования потенциала на торце и модель, описывающая процессы в прилежащей к торцу области пространственного заряда р-1-п структуры.

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложенная модель взаимовлияния соседних сегментов согласуется с экспериментальными вольт-амперными характеристиками межсегментного промежутка и объясняет зависимость величины межсегментной изоляции рм-п структуры от распределения электрического поля в межсегментном промежутке (от которого зависит прямая инжекция дырок в промежуток, и эффект переключения объемного тока между соседними сегментами) [ ].

2. Предложенная модель распределения потенциала в охранных структурах (система плавающих кольцевых р' -и-переходов) кремниевых детекторов согласуется с экспериментальными вольт-амперными характеристиками межкольцевых промежутков и объясняет эффект «задержки» распространения потенциала по системе плавающих кольцевых //-«-переходов (что приводит к жесткой стабилизации потенциалов отдельных колец и позволяет осуществить требуемое деление потенциала независимо от удельного сопротивления полупроводникового материала) [2].

3. Предложенная токовая модель сильно разрушенного слоя на торце детектирующей структуры согласуется с экспериментально определенными распределениями потенциала и напряженности электрического поля на поверхности края структуры с торцевой чувствительностью и демонстрирует, что процесс истекания тока из области разрушенного //-«-перехода торца ответственен за характерную омическую ВАХ внешнего кольца с большой величиной тока [3]. Теоретическая значимость работы

В результате выполненных исследований решена актуальная научная задача: создана токовая модель кремниевых р-1-п структур с торцевой чувствительностью, описывающая их работу. Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в создании модели кремниевых детекторов излучений нового типа - детекторов с торцевой чувствительностью. Разработанные модели позволили создать конструкцию позиционно чувствительных микростриповых детекторов с торцевой чувствительностью (ес^екзв-детекторов) для эксперимента ТОТЕМ на БАК в ЦЕРНе, которые затем были произведены в Научно-исследовательском институте материаловедения (НИИМВ г. Зеленоград) в количестве 400 приборов для детектирующих модулей БАК. Впервые для кремниевых планарных детекторов была получена

ширина нечувствительной области детектора вблизи его торца на уровне 40 мкм, что с учетом их долговременной стабильности и технологичности для массового изготовления является качественно новым результатом.

Результаты проведенных исследований позволили провести модернизацию системы детектирования рентгенофлуоресцентного спектрометра, используемого для определения количественного состава материалов [*]. Диссертационная работа финансировалась международным грантом INTAS-GSI № 06-1000012-8844, грантом президента РФ НШ-3306.2010.2, программой фундаментальных исследований Президиума РАН «Экспериментальные и теоретические исследования фундаментальных взаимодействий, связанные с работами на ускорительном комплексе ЦЕРН» за 2009-2012 г.г., а, также, научной программой ЦЕРН-1Ш50.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечиваются: использованием современных экспериментальных методик, воспроизводимостью экспериментальных данных, сопоставлением результатов исследования с литературными данными, интерпретацией полученных результатов на основе современных модельных представлений физики конденсированного состояния. Апробация работы

Результаты исследований опубликованы в 3 статьях в реферируемых журналах и 2 докладах международных конференций, докладывались на 8 и 9 Международных конференциях «Position Sensitive Detectors» (2009, 2011, Англия). Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в диссертации, заключается в обосновании целей исследования (совместно с соавторами), выборе объектов исследования, в получении основных экспериментальных данных, обобщении и анализе полученных результатов (совместно с соавторами). Содержание основных положений, выносимых на защиту, раскрыты в публикациях автора [1-5] (из них 3 публикации в реферируемых журналах).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из Введения, литературного обзора, трёх экспериментальных разделов и раздела Выводы. Диссертация изложена на 113 страницах машинопечатного текста, включая 32 рисунка и 90 наименований библиографии.

Основное содержание диссертации

Во введении рассмотрены актуальность работы, цель работы, научная новизна, положения выносимые на защиту, её практическая значимость. Продемонстрированы прикладная важность работы и личный вклад автора.

Во втором разделе «Литературный обзор» рассматриваются преимущества полупроводниковых детекторов используемых в исследовательских и прикладных задачах в области физики высоких энергий и радиационной физики. Содержатся литературные данные по физике работы одиночных и сегментированных полупроводниковых структур на основе р-п перехода со структу-

рами стабилизации их вольт-амперных характеристик. Рассматриваются методы оптимизации топологии сегментации чувствительной области.

Отдельная часть литературного обзора содержит данные по физике работы кремниевых рч-п структур с торцевой чувствительностью. Рассматриваются свойства различных типов торцевых поверхностей р-5-п структуры. Проводится качественная оценка влияния различных типов торцов на транспорт носителей в торцевой области р-1-п структур.

Результатом анализа, проведённого в литературном обзоре, является вывод о том, что характеристики р-ьп структур во многом зависят от работы 3 характерных для них элементов: сегментированных близко расположенных р-п переходов; структуры стабилизации вольт-амперных характеристик при высоком обратном напряжении; торца р-1-п структуры, который может быть расположен в непосредственной близости от активной центральной области р-ьп структуры.

В третьем разделе «Межсегментное сопротивление в кремниевых по-зиционно-чувствитепъных приёмниках излучений на основе р-п переходов» рассматривается взаимовлияние соседних сегментов стриповой р-1-п структуры и объясняется эффект влияния свойств области пространственного заряда об-

ратносмещенных р-1-п структур на проводимость межсегментного промежутка [']•

Принципом достижения позиционной чувствительности сенсоров на основе р-ьп структур (как и во многих других приборах) является сегментация чувствительного элемента, что может быть реализовано лишь при условии минимальной связи соседних сегментов структуры. Ёмкостные связи определяются геометрическими размерами сегментов, шириной межсегментного промежутка, толщиной детектора и не зависят от свойств полупроводникового материала. Резистивная межсегментная связь, в отличие от емкостной, может зависеть от свойств материала сенсора, состояния поверхности межсегментного промежутка и свойств обедненной области структуры в непосредственной близости от сегментов.

Для исследования протекания тока в межсегментном промежутке были разработаны и изготовлены р-Ьп структуры со специальной топологией сегментированного контакта: в конструкции использовались только 2 сегмента с многократно увеличенной длиной межсегментного промежутка, рис.1.

Вольт-амперная характеристика межстрипового промежутка в условиях отсутствия напряжения смещения на структуре при и! =0, т.е. когда общий п+-контакт не подключен к источнику напряжения, приведена на рис. 2. Характеристика в области малых напряжений близка к линейной при обеих полярностях и симметрична относительно начала координат, наклон соответствует сопротивлению межсегментного слоя и определяется удельным сопротивлением ¡-базы. Характеристики при Ш] отличном от нуля имеют характерную ступень при межсегментном напряжении и2, близком к нулю.

В предложенной модели взаимовлияния соседних стрипов обнаружен- ная особенность ВАХ связывается с изменением распределения электрического поля в промежутке, которое фокусируется на более положительном сегменте. В результате, доля объемного тока, собираемая менее положительным сегментом, становится пропорционально меньше. В условиях значительного превышения положительного потенциала на соседнем сегменте объемная компонента тока сегмента с меньшим потенциалом уменьшится до нуля и измеряемый ток будет определяться переносом носителей заряда непосредственно в межсегментном промежутке. В рассматриваемой структуре к нему относятся: омическая проводимость, пассивирующий промежуток слоя 8Ю2; проводимость интерфейса З^/БЮг, как слоя с высокой концентрацией дефектов; объемный ток, генери- рованный в межсегментном промежутке.

ІІЛУХу ■і І 1 1 1 1 1 УГЛ ' ' ■ 1 IIIі і

■яте?

Рис. 1. Топология в виде двух взаимно проникающих гребенок из полосковых р-п переходов, каждая из которых имеет общую контактную шину для измерения тока (слева

------------------МЕ-Об-ї 3.0Е-07 6.0Е-07 4.0Е-07 2.0Е-07

.2 -1 -0.8 -0.6 -4.0Е-07 -8.0Е-07 0 -8.0Е-07 -----------------1ЛЕ-0&- ) 0,2 0.4 0.6 0.8 1 1

напряжение(В)

Рис. 2. ВАХ межсегментного промежутка.

В обратной полярности межсегментного напряжения распределение поля зеркально симметрично рассмотренному выше случаю. Электрическое поле и линии тока, также, фокусируются на более положительном сегменте, который ранее находился под меньшим положительным потенциалом. По аналогии с предыдущим рассмотренным случаем это приводит к большей доле объемного генерационного тока, собираемого на этот положительный сегмент. Характерно, что участки слева и справа от ступени линейны, рис. 3, и имеют практически одинаковый наклон, что указывает на доминирование в изменении тока при |У2| > 1В омической утечки. Таким образом, в предложенной модели участок плавного роста тока в области нулевых напряжений между сегментами определяется эффектом переключения объемной компоненты тока рЧ-п структуры между сегментами.

0.15 |--

... 8

-------------------

Г г

3 -

о.оо- 3 2Чт*Пмв.

-0.05-1-1-1-1--1-1-1-1-

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

иъ V

Рис.3. Вольт-амперные характеристики межсегментного промежутка после вычитания темпового тока сегмента. Напряжение 17/, В: 1 — 0, 2 — 5, 3 — 10, 4 — 20,5 — 30, 6 — 50, 7 — 70,8 — 90.

Обнаруженный и объясненный эффект влияния свойств области пространственного заряда обратносмещенных р-1-п структур на проводимость межсегментного промежутка показывает, что критическим для сегментированных сенсоров излучения являются электрофизические свойства объёма и стабильность распределения потенциала у сегментированных контактов. Любые изменения разности потенциалов между сегментами будут приводить к перераспределению токов, а, следовательно, и к дополнительной компоненте токового шума сенсора. Следствием, важным с практической точки зрения, является то, что увеличение концентрации дефектов или примесей в объеме 1 - области

1 !

4 3 2 1111 1 0 1111

p-i-n структуры, связанное, например, с технологией ее изготовления или радиационными повреждениями материала, уменьшают межсегментное сопротивления сенсоров и, даже, при сохранении свойств его поверхности, приводят к деградации его характеристик.

В четвёртом разделе «Распределение потенциала в охранных структурах с плавающими кольцевыми р—п переходами кремниевых детекторов » представлены результаты выполненных исследований распределения потенциала в охранных структурах изолированных кольцевых делителей (VTS, Voltage Terminating Structure) с целью установления основных закономерностей распределения в них потенциала и создания систем VTS для сенсоров, стабильно работающих при напряжении превышающем 1000В [2].

Критическим элементом большинства полупроводниковых приборов на основе p-i-n структур, в том числе и сенсоров ионизирующих излучений, является периферия р-n перехода, свойства которой определяют стабильность характеристик приборов: чувствительность, уровень шумовых сигналов, постоянство темнового тока и т.п.

В работе исследовались тестовые p-i-n структуры, состоящие из центрального квадратного р-n перехода, окруженного VTS системой из четырех изолированных кольцевых р-п переходов. Межкольцевые промежутки были пассивированы термически выращенным слоем Si02. Структуры были изготовлены на высокочистом кремнии с характерным для сенсоров удельным сопротивлением в диапазоне 1-5-25 кОм см. Толщина структур равнялась 300 мкм.

Экспериментально показано, что ВАХ межкольцевых промежутков VTS имеют резко возрастающий участок, связанный с инжекцией дырок из внешнего кольца, рис.4. Напряжение возникновения инжекции повышается с увеличением запорного напряжения приложенного к структуре. Качественно взаимосвязь инжекции с напряжением смещения была объяснена блокировкой инжекции в межкольцевой промежуток полем р+-п кольцевого электрода, образованного приложенным к структуре напряжением смещения (объемное поле). В этом случае инжекция становится возможной только при условии превышения этой объемной составляющей поля электрическим полем, созданным межкольцевой разностью потенциалов и направленного встречно ему. Поскольку детальные расчеты распределения полей при сложной геометрии электродов требуют привлечения компьютерного моделирования и дают результат только для конкретной геометрии промежутка, были выполнены измерения, давшие серии ВАХ промежутков при различных напряжениях смещения на структурах и различной ширине межкольцевых промежутков. Анализ таких зависимостей с использованием их экстраполяции в область больших напряжений позволил создать топологию VTS для детекторов, работающих при напряжении превышающем 1000 В. На рис. 5 приведены распределения потенциала по кольцам VTS, измеренные на изготовленных образцах p-i-n структур для «тривиальной» топологии с регулярными межкольцевыми промежутками. А рис.6 иллюстрирует распределение потенци&та для оптимизированной топологии, имеющей нере-

гулярную изменяемую с номером кольца ширину межсегментных промежутков.

У и v2,v

Рис. 4. Зависимости тока промежутка центральный электрод-первое кольцо 1р.г/ от напряжения К? на этом промежутке для образца с удельным сопротивлением 1.3 Юм см при напряжении смещения V, = 0 (1), 50 (2), 100 (3), 150 В (4) и ВАХ1-го кольца Ir(Vi) (5)

Рис. 5. Распределение потенциалов по кольцам для образца с регулярным расположением колец. Номера кривых соответствуют номерам колец, начиная с внутреннего. Сплошная линия — потенциал центрального электрода.

Сравнение показывает основное преимущество оптимизированной структуры - однородное распределение потенциалов по кольцам в диапазоне напря-

жения смещения до 1000 В. Напротив, в структуре с регулярным расположением колец распределение потенциалов неоднородно и только часть приложенного напряжения падает на У18. Начиная с напряжения 400 В падение потенциала преимущественно приходится на промежуток последнее восьмое кольцо -периферия структуры, что при напряжении на структуре равном 1000 В создает предпосылки к неконтролируемому пробою р-п перехода последнего кольца и нарушению стабильной работы структуры.

Таким образом, выполненные исследования показали, что условие возникновения разности потенциалов между кольцами системы УТБ р4-п структур на вы-сокоомном кремнии не зависит от удельного сопротивления материала ь области и определяется инжекцией тока в межкольцевой промежуток. С учетом влияния на протекание тока в межкольцевом промежутке напряженности поля в области колец и ширины промежутка была разработана топология УТБ и получены структуры для сенсоров с рабочим напряжением выше 1000 В.

В пятом разделе «Распределение электрического поля в р—п переходах кремниевых детекторов с торцевой чувствительностью» представлены результаты исследования распределений потенциала и напряженности электрического поля на поверхности края полупроводниковых структур с торцевой чувствительностью (edge¡ess -структур) [ ]. На основе анализа работы структур с торцевой чувствительностью определена и описана физическая модель их функционирования. Рассмотрен дополнительный аспект, расширяющий модель функционирования ес^е/ем-структур: характер истекания тока из области разрушенного р - п перехода торца, причем показано, что именно этот процесс ответствен за характерную для edgeless -структур омическую ВАХ внешнего кольца с большой величиной тока (сотни мкА).

Рис. 6. Распределение потенциалов по кольцам с нерегулярным расположением

В традиционных сенсорах ионизирующих излучений торец p-i-n структуры отделен от чувствительного объема значительной по ширине нечувствительной областью, занятой кольцевой структурой делителя потенциала и дополнительным пространством, отделяющим ее от сильно разрушенного после механической резки торца. Такая стандартная топология принципиально не удовлетворяет ряду современных задач, как например, развитию рентгеновской томографии, предполагающей использование крупноразмерных позици-онно чувствительных матриц, состоящих из плотно упакованных отдельных сенсоров с минимизированной нечувствительной областью на их периферии. При этом увеличение нечувствительной площади нарушает периодичность позиционной чувствительности и снижает точность определения структуры исследуемого объекта. Последние значимые успехи в направлении уменьшения нечувствительной области на периферии p-i-n структур связаны с созданием сенсоров частиц высоких энергий с торцевой чувствительностью для экспериментов в физике высоких энергий.

В представляемой работе рассмотрение торца как критического элемента сенсоров основано на результатах выполненных экспериментов по измерению распределения потенциала на его поверхности в направлении перпендикулярном контактам структуры. Эксперименты показали, что разработанная ранее модель торца с омической проводимостью поверхностного слоя качественно не согласуется с результатами эксперимента, предполагая его однородное распределение в отличие от измеренного квадратичного, рис. 7 и рис. 8.

о -20 -40 -60 > -80 "со -ЮО ^ -120 -140 -160 -180

0.000 0.005 0 010 0.015 0.020 0.025 0.030 х, cm

Рис. 7. Распределения потенциала V„ по глубине чувствительного края детектора при различных напряжениях Ubas¡s, В: 1 - 5, 2 - 10, 3 - 40, 4 - 60,5 - 80, б - 100, 7 -150, 8 - 200. Точки - экспериментальные значения,линии - аппроксимации

х, ст

Рис. 8. Распределения электрического поля Ев по глубине чувствительного края детектора при различных напряжениях иЬа_,!я В: 1 - 5, 2 - 10, 3 - 40,4 - 60, 5 - 80, 6 -100, 7 — 150, 8 — 200. Точки - экспериментальные значения, линии - аппроксимации.

Для снятия противоречия была предложена модель, в которой торец рассматривается как слой сильно разрушенного кремния с высоким темпом генерации электронов и дырок, которые затем собираются на р+ и п+ внешние контакты р-ьп структуры посредством протекания по торцу тока. Введение гене-рационно-рекомбинационного механизма как источника свободных электронов и дырок в разрушенном торце позволило учесть обмен носителями поверхности с объемом структуры. В модели этот обмен возникает за счет доминирующего диффузионного оттока электронов от поверхности торца в объем и последующего их транспорта в поле объемного заряда р-Ьп структуры к п+ контакту. Это приводит к обеднению поверхности торца электронной компонентой тока и вызывает градиент плотности тока, который, соответственно, создает градиент в распределении электрического поля на торце. Предложенный механизм позволил объяснить наблюденные квадратичные зависимости распределения потенциала по поверхности торца в том числе и эффект увеличения градиента поля на торце с увеличением приложенного к структуре обратного напряжения.

Токовая модель контроля распределения электрического поля на торце позволила связать наблюдаемую омическую вольт-амперную характеристику тока торца с распределением потенциала на торце. Для этого в работе был выполнен оригинальный эксперимент по моделированию характерного участка торца-угла, в котором смыкаются торец с механически разрушенным р+-п переходом внешнего кольцевого электрода, собирающего ток торца. Было показано, что ток, инжектируемый из механически разрушенного мелкого р+-п перехода в начальный момент после разрушения перехода не омичен. Однако, со временем в результате окисления разрушенной поверхности в воздушной среде, ВАХ перехода приближается к омической и в дальнейшем стабилизируется. Обнару-

женная закономерность инжекции тока и его локализация была использована в развитии модели торца и обосновала введение в нее независимого источника электронного тока, что объяснило всю совокупность наблюдаемых свойств торцевой области: наличие градиента напряженности электрического поля и его зависимость от приложенного обратного напряжения; зависимость напряженности поля у обоих контактов структуры от обратного напряжения; влияние тока торца на распределение электрического поля; омичность вольт-амперной характеристики торца. Таким образом, выполненное исследование позволило адекватно описать всю совокупность основных свойств торца p-i-n структуры и создало физическую базу для конструирования сенсоров с торцевой чувствительностью.

В шестом разделе «Выводы» сформулированы основные результаты работы:

1. Обнаружен и объяснен эффект «переключения» тока, определяющий сопротивление межсегментной изоляции, когда свойства области пространственного заряда обратносмещенных p-i-n структур определяют проводимость межсегментного промежутка. Показано, что изменения разности потенциалов между сегментами приводят к перераспределению токов сегментов и к дополнительной компоненте токового шума сенсора.

2. Сформулирована модель, объясняющая эффект «переключения» тока между сегментами p-i-n структуры и согласующаяся с экспериментом.

3. Показано, что распределение потенциалов по структуре колец, образованных плавающими р-n переходами, характеризуется нарушением линейности деления потенциала под действием тангенциальной составляющей электрического поля под сегментами делителя потенциала. Данный вывод экспериментально проверен на специально разработанных тестовых структурах с увеличенным количеством колец, в диапазоне напряжений до 1000 В. Показано, что возможна оптимизация топологии сегментирования колец, которая, с учетом нелинейности деления потенциала, позволяет стабилизировать ВАХ p-i-n структуры.

4. Предложена модель распределения потенциала в охранных структурах (VTS - voltage terminating structure) кремниевых p-i-n структур, в которых VTS представляет собой систему плавающих кольцевых р+-п-переходов. Модель базируется на экспериментальных вольт-амперных характеристиках межкольцевых промежутков, которые получены для структур, изготовленных на высокоомном кремнии с удельным сопротивлением от 1 до 25 кОм • см.

5. Показано, что протекание инжекционного тока является универсальным принципом работы VTS с плавающими кольцами и приводит к жесткой стабилизации потенциалов отдельных колец, в результате чего возможно осуществить требуемое деление потенциала независимо от удельного сопротивления полупроводникового материала. Модель не имеет ограничения по удельному сопротивлению материала.

6. Проведено сопоставление результатов измерения распределений потенциала и напряженности электрического поля на поверхности края p-i-n структуры с торцевой чувствительностью с модельными представлениями о его функционировании. Выполненный анализ подтвердил справедливость модели аморфного слоя на торце p-i-n структуры. Важным дополнительным аспектом, расширяющим модель функционирования edgeless-структур, является определение характера истекания тока из области разрушенного р+- n-перехода торца, причем показано, что именно этот процесс ответственен за характерную для edgeless - структур омическую ВАХ внешнего кольца с большой величиной тока (сотни мкА).

Основное содержание и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

[ ] Еремин, И.В. Межсегментное сопротивление в кремниевых позицпонно-чувствительных приемниках излучений на основе р-п-переходов. Еремин В.К., Вербицкая Е.М., Ильяшенко II.II., Сафонова II.II., Тубольцев Ю.В., Егоров H.H., Голубков С.А., Коньков К.А. // Физика и техника полупроводников. 2009. т. 43. вып. 6. с.825-829. (0.4 ПЛ./0.2 пл.)

|г] Еремин, И.В. Распределение потенциала в охранных структурах с плавающими кольцевыми р-п-переходами кремниевых детекторов излучений. // Физика и техника полупроводников. Вербицкая Е.М., Еремин В.К., Сафонова H.H., Тубольцев Ю.В., Голубков С.А., Коньков К.А. 2011. т. 45. вып. 4. с.547-553. (0.4 ПЛ./0.2 п.л.)

[3| Еремин, И.В. Распределение электрического поля в р-п-переходах кремниевых детекторов с торцевой чувствительностью. Еремин В.К., Налетко A.C., Вербицкая Е.М., Егоров H.H. // Физика и техника полупроводников. 2011. т. 4S. вып. 9. с.1282-1289. (0.5 п.л.У0.2 пл.)

[4] Еремин, И.В. Рентгенофлуоресцентный анализ халькогеиидных стекол As-Ge-Se. Бордовский Г.А., Гладких П.В., Марченко A.B., Серегин П.П., Смирнова H.H., Теруков Е.И. // Письма в журнал технической физики. 2011. т.37. Вып. 6. с. 15-20. (0.5 пл./0.2 пл.)

[5] Eremin I., Verbitskaya Е., Ruggiero G., Ilyashenko I., Cavallini A., Castaldini A., Pellegrini G., Lozano M., Golubkov S., Egorov N., Konkov K., Tuuva T. Electrical properties of the sensitive side in Si edgeless detectors. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2009. V. 604. № 1-2. pp. 246-249. (0.2 п.л./O.l п.л.)

[®] Eremin I., Eremin V., Verbitskaya E., TuboltsevYu., Fadeeva N., Egorov N., Golubkov S., Chen W., Li Z. Spectra distortion by the interstrip gap in spectroscopic silicon strip detectors. // J. Instrum. 2012. v.7. № 7. ArtNo: C07002. pp. 1-12. The 9th International Conference on Position Sensitive Detectors, 12-16 September 2011, Aberystwyth, U.K. (0.5 П.Л./0.2 п.л.)

[7] Еремин И.В., Марченко A.B., Гладких П.В., Дземидко И.А., Кожокарь М.Ю., Серегин П.П., Теруков Е.И. Определение состава халькогенидных стекол Asx(GeySei.y)i.x методом рентгенофлуоресцентного анализа. // В кн. Физика диэлектриков. Материалы XII Международной конференции. СПб. 2011. т.2. с.32-34. (0.2 п.л./0.1 п.л.)

Подписано в печать 20.05.2013 г. Формат 60x84 1\8 Печать офсетная. Бумага офсетная. Объём: 1.0 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 279.

Типография РГПУ им. А. И. Герцена 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Ерёмин, Игорь Владимирович, Санкт-Петербург

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А. И. ГЕРЦЕНА»

На правах рукописи

Ерёмин Игорь Владимирович

ЛХ ЭЛ4 4J.riJ.-7А

"Г

КРИТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ р4-п СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ВЫСОКООМНОГО КРЕМНИЯ. АНАЛИЗ РАБОТЫ И МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Специальность 01.04.07- физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Серёгин Павел Павлович.

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

13-18

19-26

1. ВВЕДЕНИЕ 4 - 9

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10- 32

2.1. Кремниевые полупроводниковые детектирующие структуры с р-п переходом - преимущества и области использования 10 - 12

2.2 Элементы стабилизации вольт амперных характеристик р-п переходов

2.3. Выбор и обоснование физического принципа создания кремниевых р-1-п структур с торцевой чувствительностью

2.4. Способ уменьшения влияния близко расположенного торца на характеристики р4-п структур. Изоляция торца

2.5. Заключение. Постановка задачи диссертационной работы

3. МЕЖСЕГМЕНТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ В КРЕМНИЕВЫХ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИЁМНИКАХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ р-п ПЕРЕХОДОВ 33 - 52

3.1. Введение 33 - 38

3.2. Модельные структуры для исследования межсегментного сопротивления 39 - 43

3.3. Экспериментальные результаты 44 - 47

3.4. Обсуждение результатов 48 - 51

3.5. Заключение 52

27-29

30-32

4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА В ОХРАННЫХ СТРУКТУРАХ С ПЛАВАЮЩИМИ КОЛЬЦЕВЫМИ р—п ПЕРЕХОДАМИ КРЕМНИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИЗЛУЧЕНИЙ 53 - 76

4.1. Введение 53 - 55

4.2. Образцы и техника эксперимента 56 - 57

4.3. Влияние на распределение потенциала в УТ8 удельного сопротивления кремния 58 - 60

4.4. Свойства межкольцевого промежутка УТ8 61 - 66

4.5. Практическое использование результата 67 - 75

4.6. Заключение 76

5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В р—п ПЕРЕХОДАХ КРЕМНИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ С ТОРЦЕВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ 77 -102

5.1. Введение 76 - 79

5.2. Образцы и эксперимент 80 - 81

5.3. Экспериментальные результаты 82 - 86

5.4. Модели распределения поверхностного потенциала и электрического поля на торце edgeless-детектора 87 - 99

5.5. Заключение 100

6. ВЫВОДЫ 101 -102

7. Список литературы 103-112

8. Список публикаций по теме диссертационной работы 113

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. Актуальность темы исследований

Инструментальное обеспечение экспериментальной физики высоких энергий многие десятилетия основывалось на газовых позиционно чувствительных детекторах [1] и трековых пузырьковых камерах [2]. Создание нового типа ускорителей - коллайдеров и проведение экспериментов на встречных пучках с недостижимой ранее энергией частиц потребовало разработки новых детектирующих систем. При столь высоких энергиях (в единицы ГэВ) и плотностях пучков сталкивающихся частиц возникают одновременно тысячи вторичных частиц, траектории которых расположены на расстояниях в десятки микрон, а времена жизни отдельных из них не превышают долей наносекунды. Очевидно, что упомянутые выше газовые детекторы не удовлетворяют требованию пространственного разрешения и быстродействия, а пузырьковые камеры не способны зарегистрировать траектории всех частиц при столь высокой плотности. Поэтому уже в 80-х годах прошлого века начались работы по применению кремниевых детекторов в физике высоких энергий, показавшие их перспективность [3]. Основное внимание было уделено позиционно чувствительным детекторам в виде матрицы отдельных р-п переходов. Этот путь привел к существенному прогрессу в пространственной разрешающей способности, повысив ее в десятки раз, а с применением кремниевой планарной технологии было достигнуто координатное разрешение в единицы микрон.

тавалась до недавнего времени не доступной для экспериментального исследования. Требование регистрации частиц, рассеянных под предельно малыми углами приводит к ограничению, накладываемому на максимальное расстояние между протонным пучком и чувствительной областью детекторов, критическая величина которого составляет десятки мкм.

Ранее для этой цели использовались сцинтилляционные детекторы [4]. В совокупности с новым уровнем требований, высокой эффективностью преобразования энергии частицы в электрический сигнал по сравнению с другими типами детектирующих структур и малыми габаритами использование полупроводниковых детекторов в такой задаче являются оптимальным. Кремниевый детектор, удовлетворяющий описанной задаче, должен обладать следующим набором характеристик [3]:

• позиционное разрешение на уровне единиц мкм;

• скорость отклика на зарегистрированную частицу - единицы не;

• рабочее напряжение в сотни вольт;

• стандартная для кремниевых детекторов чувствительность (соотношение сигнал/шум);

• чувствительную область распространяющуюся, как минимум, до одного края структуры (для регистрации частиц рассеянных под малыми углами).

Для получения указанных характеристик необходимо рассматривать следующие элементы детектирующих стриповых структур на основе высо-коомного кремния как критические и определяющие оптимальный режим работы:

• межстриповую область и её изолирующие свойства;

• систему плавающих охранных кольцевых /?+-и-переходов для периферийных областей матриц р-п переходов и распределение потенциалов на кольцевых £>+-и-переходах;

• чувствительную торцевую область стриповых структур. Цель работы

Для достижения намеченной цели при выполнении диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

• провести исследование распределения потенциала в охранных структурах (системе плавающих кольцевых //-«-переходов), создать модель, объясняющую полученные результаты;

Научная новизна

2. Показано, что ВАХ межсегментного промежутка зависит от напряжения, приложенного к р-1-п структуре, и зависит от величины объемного темнового тока, генерируемого в i - области.

3. Разработана модель межсегментного взаимодействия.

4. Определены закономерности распределения потенциала по системе колец с плавающим потенциалом - нарушение линейности деления потенциала под

действием тангенциальной составляющей электрического поля под сегментами делителя потенциала. Выполнена экспериментальная проверка сделанного вывода на специально разработанных тестовых структурах с увеличенным количеством колец в диапазоне напряжений до 1000 В.

5. Разработана модель распределения потенциала по системе колец с плавающим потенциалом.

Положения, выносимые на защиту

1. Предложенная модель взаимовлияния соседних сегментов согласуется с экспериментальными вольт-амперными характеристиками межсегментного промежутка и объясняет зависимость величины межсегментной изоляции р-г-п структуры от распределения электрического поля в обеднённой ¡-области и межсегментном промежутке ['].

2. Предложенная модель распределения потенциала в охранных структурах (система плавающих кольцевых /?+-и-переходов) кремниевых р-1-п структур согласуется с экспериментальными вольт-амперными характеристиками межкольцевых промежутков и объясняет эффект «задержки» распространения потенциала по системе плавающих кольцевых /?+-«-переходов (что приводит к жесткой стабилизации потенциалов отдельных колец и позволяет осуществить требуемое деление потенциала) [ ].

3. Предложенная токовая модель сильно разрушенного слоя на торце рч-п

структуры согласуется с экспериментально определенными распределениями потенциала и напряженности электрического поля на поверхности края структуры с торцевой чувствительностью и демонстрирует, что процесс ис-текания тока из области разрушенного /з -я-перехода торца ответственен за характерную омическую ВАХ внешнего кольца с большой величиной тока [3].

Теоретическая значимость работы

В результате выполненных исследований решена актуальная научная задача: создана токовая модель кремниевых рА-п структур с торцевой чувствительностью, описывающая их работу. Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в создании модели кремниевых детекторов излучений нового типа - детекторов с торцевой чувствительностью. Разработанные модели позволили создать конструкцию позиционно чувствительных микростриповых детекторов с торцевой чувствительностью (её§е1еБ8-детекторов) для эксперимента ТОТЕМ на БАК в ЦЕРНе, которые затем были произведены в Научно-исследовательском институте материаловедения (НИИМВ г. Зеленоград) в количестве 400 приборов для детектирующих модулей БАК. Впервые для кремниевых планарных детекторов была получена ширина нечувствительной области детектора вблизи его торца на уровне 40 мкм, что с учетом их долговременной стабильности и технологичности для массового изготовления является качественно новым результатом.

Результаты проведенных исследований позволили провести модернизацию системы детектирования рентгенофлуоресцентного спектрометра, используемого для определения количественного состава материалов [4]. Диссертационная работа финансировалась международным грантом 1ЫТА8-081 № 06-1000012-8844, грантом президента РФ НШ-3306.2010.2, программой фундаментальных исследований Президиума РАН «Экспериментальные и теоретические исследования фундаментальных взаимодейст-

вий, связанные с работами на ускорительном комплексе ЦЕРН» за 2009-2012 г.г., а, также, научной программой UEPH-RD50.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования

Результаты исследований опубликованы в четырех статьях [1_4] в рефе-

5 7

рируемых журналах и трех докладах международных конференций [ " ], докладывались на 8 и 9 Международных конференциях «Position Sensitive Detectors» (2009, 2011, Англия). Структура и объем диссертации

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

2.1. Кремниевые полупроводниковые детектирующие структуры ср-п переходом - преимущества и области использования [2, 3, 5 - 28]

Полупроводниковые детектирующие структуры прочно заняли свое место в арсенале средств экспериментальной физики и приобретают все большее значение в технике и технологиях. В качестве принципиальных преимуществ полупроводниковых детектирующих структур перед другими приборами для регистрации излучений отметим следующие [2, 3]:

• Небольшая энергия, расходуемая на образование электронно-дырочной пары, которая в таких наиболее широко применяемых полупроводниках, как кремний или германий, составляет ~ 3 эВ;

• Значительно более высокая тормозная способность для частиц у твердотельных детекторов, чем у газонаполненных приборов, это важно для многих экспериментов ядерной физики;

• В полупроводниковых структурах (Ое и 81) носители тока (электроны и дырки) имеют сравнимые по величине подвижности, т. е. время их собирания на электродах не сильно различается, в результате чего не возникает серьезных трудностей с регистрацией частиц, проникающих на различную глубину;

• Хотя полупроводниковые детектирующие структуры уступают магнитным спектрометрам по разрешению, но они позволяют получать весь спектр одновременно, что обеспечивает более высокую скорость анализа сложных спектров и набора статистики.

Перечисленные выше достоинства полупроводниковых детектирующих структур во многих случаях привели к их доминированию в приборах экспрессной спектрометрии излучений средних энергий и в таких задачах, где требуется получить высокое временное разрешение.

Дополнительным преимуществом полупроводниковых детектирующих структур является их компактность в совокупности с регистрирующей

электроникой и низкий диапазон рабочих напряжений от десятков до сотен вольт в отличие от газовых или сцинтилляционных детекторов с ФЭУ требующих напряжений более 1000 В.

Детектирующие структуры на основе р-п перехода используются как в научных экспериментах, так и в сугубо прикладных целях. Поэтому серийное производство полупроводниковых детектирующих структур характеризуется большим количеством выпускаемых сенсоров с использованием хорошо отлаженных полупроводниковых технологий [5 - 28].

В фундаментальных исследованиях полупроводниковые детектирующие структуры незаменимы в экспериментах в области физики высоких энергий, в частности для исследования взаимодействия высокоэнергетичных частиц с энергиями, лежащими в диапазонах МэВ и ГэВ. Широкое применение полупроводниковые детекторы получили и в экспериментах, где характерные энергии ионизирующих частиц имеют значения единицы и десятки КэВ.

Стоит отметить, что в экспериментах в области радиационной физики часто требуется помимо определения энергии частиц знать ещё и пространственное распределение эмиссии. Использование позиционно-чувствительных полупроводниковых детекторов удовлетворяет этим критериям в полной мере. С учётом их компактности и высокой надёжности предпочтительность использования полупроводниковых детекторов в этой области физики вполне очевидна.

Что касается прикладных областей, то здесь назовем лишь самые значимые из них:

• космические исследовательские аппараты;

• дозиметрия на атомных электростанциях и предприятиях переработки атомного топлива;

• медицинская томография;

• радиационные методы лечения опухл ей;

• рентгеновская спектрометрия и дефектоскопия, где полупроводниковые детекторы выступают в роли регистрирующих узлов;

• электронная микроскопия, где полупроводниковые детекторы используются для оценки интенсивности электронного пучка и его сечения.

2.2. Элементы стабилизации вольт-амперных характеристик р-п переходов [3, 4, 29 - 39]

2.2.1. Введение

Любые полупроводниковые сенсоры, в особенности те, которые не имеют механической защиты от влияния окружающей среды, подвержены внешним воздействиям. Такие факторы как осаждение на их поверхность пыли, влаги, паров химически активных соединений неизбежно вызывают изменение их характеристик. В первую очередь возрастает темновой ток и снижается напряжение пробоя приборов. Исследования показывают, что влияние поверхностных загрязнений в большинстве случаев не создает тривиальных поверхностных утечек, а влияет на характеристики прибора посредством изменения свойств активных слоев формирующих р-п переход и его периферию.

Примен