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

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.

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 [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.

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 //-«-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-г-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 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.

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 зарядар-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 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 /зя-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 № 06−1 000 012−8844, 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 UEPH-RD50.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования.

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 четырех статьях [14] 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

.

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.

6. выводы.

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 р-ьп структуры с торцевой чувствительностью с модельными представлениями о его функционировании. Выполненный анализ подтвердил справедливость модели аморфного слоя на торце р-ьп структуры. Важным дополнительным аспектом, расширяющим модель функционирования её§ е1еБ8-структур, является определение характера истекания тока из области разрушенного р± п-перехода торца, причем показано, что именно этот процесс ответственен за характерную для ес^еквБ — структур омическую ВАХ внешнего кольца с большой величиной тока (сотни мкА).

5. 5.

Заключение

.

Проведено сопоставление результатов измерения распределений потенциала и напряженности электрического поля на поверхности края ес^е1е88-структуры с торцевой чувствительностью с модельными представлениями о его функционировании. Выполненный анализ подтвердил справедливость модели аморфного слоя на торце ес^екзБ-структуры. Важным дополнительным аспектом, расширяющим модель функционирования ес1§ е1еБ8-структуры, является определение характера истекания тока из области разрушенного р± п перехода торца, причем показано, что именно этот процесс ответствен за характерную для ес^еЬБЗ-структур омическую ВАХ внешнего кольца с большой величиной тока (сотни мкА).