engleski

Deterioration of electrical properties and charge collection efficiency of a silicon photodiode exposed to focused ion beam irradiation

Električka svojstva i efikasnost sakupljanja naboja Hamamatsu S5821 silicijskih fotodioda proučavana su nakon ozračavanja fokusiranim snopovima H, He, Li, O i Cl iona. Vrsta i pripadajuća energija (~ 0.4 MeV/u) iona su takvi da je doseg iona u siliciju ~ 5 mikrometara unutar područja osiromašenja fotodiode. Integrirani tok (doza) različitih iona kreće su u rasponu 108 – 1012 cm-2, a vrijednosti ionskih doza su takve da se ukupne vrijednosti deponirane energije ionskog snopa utrošene za oštećenje pomakom u materijalu (apsorbirana doza) Dd u rasponu 1010 – 1013 MeV/g . Provedenim električkim mjerenjima opažen je najveći porast kapaciteta kod fotodiode ozračene ionima vodika. U siliciju n-tipa koji je ozračen niskoenergijskim ionima vodika, i nije naknadno termički obrađivan, nastaju donorska stanja koji sadrže implantirani vodik. Porast generacijske komponente zaporne struje u fotodiodama ozračenim različitim fokusiranim ionskim snopovima, ali jednake vrijednosti apsorbirane doze, raste s masom iona. Prema teoriji neionizirajućeg gubitka energije (engl. Non-Ionizing Energy Loss - NIEL), dobiveni rezultati pokazuju da je efikasnost stvaranja rekombinacijskih stanja unutar energijskog procijepa poluvodiča proporcionalna gustoći stvorenih vakancija za svaki pojedini ion projektil. Eksperimentalna metoda mjerenja induciranog naboja kojeg proizvode pojedinačni ioni prolaskom kroz poluvodički element (engl. Ion Beam Induced Charge -IBIC) korištena je za određivanje amplitude induciranog naboja i proučavanje efikasnosti sakupljanja naboja (engl. Charge Collection Efficiency - CCE) ozračenih fotodioda. Promjene CCE vrijednosti fotodioda uzrokovane njihovim ozračavanjem fokusiranim ionskim snopovima proučavane su u skladu s NIEL teorijom koja previđa promjene inducirane struje (naboja) proporcionalne apsorbiranoj energiji ionizirajućeg zračenja utrošenoj za oštećenje pomakom u poluvodičkom materijalu. Za matematičku prilagodbu smanjenja amplitude induciranog naboja Q, povećanjem apsorbirane doze Dd, korištena je funkcija oštećenja zračenjem. Izračunate vrijednosti faktora ekvivalentnog oštećenja Ked dobivene detekcijom pojedinih iona pomoću fotodioda ozračenih različitim ionskim snopovima (pojedinačni slučajevi proba-oštećenje) kreću se u rasponu 4∙ 10-15 – 7.2∙ 10-14 g/MeV. Iako NIEL hipoteza prilično dobro objašnjava detekciju protona i alfa-čestica, izmjerene razlike između pojedinačnih vrijednosti Ked proizlaze iz različitosti dubinskih raspodjela primarnih defekata (vakancija i intersticijskih atoma) koje proizvode ioni-projektili i/ili efikasnosti stvaranja stabilnih električkih defekata iz proizvedenih primarnih defekata. Rezultati mjerenja pokazuju da teži ioni (kisik i klor) proizvode više električki aktivnih defekata od lakih iona za jednake vrijednosti apsorbiranih doza. Izmjerene CCE vrijednosti koje odgovaraju detekciji različitih iona bitno ovise o dubinskoj raspodjeli kočenja ionizacijom (engl. Linear Energy Transfer - LET) čestice koja se detektira. Detekcija težih iona kratkog dosega u materijalu (čiji LET doprinos je najveći u blizini površine ozračene fotodiode) je vrlo osjetljiva na lokalizirano oštećenje koje proizvode ioni slične brzine (energije po jedinici mase) na dubini koja odgovara dosegu iona u unutrašnjosti poluvodiča. IBIC model koji se bazira na Gunnovom teoremu razvijen za simulaciju mehanizma sakupljanja naboja u ozračenim fotodiodama potvrđuje IBIC rezultate.

ion irradiation effects; silicon; PIN photodiodes; semiconductor defects; NIEL; displacement damage dose; net donor concentration; leakage current; ion microprobe; focused ion beam; IBIC; CCE; damage factor; Gunn theorem; charge carrier lifetime

nije evidentirano