Low dose gamma irradiation study of ATLAS ITk MD8 diodes

Dit artikel presenteert resultaten van een studie naar de effecten van lage-dosis Co60-gammastraling op ATLAS ITk MD8-diodes, waarbij de afhankelijkheid van oppervlakte- en bulkstroom van de totale ioniserende dosis, temperatuur en annealing wordt onderzocht om de initiële werking van de nieuwe ATLAS-tracker te optimaliseren.

De kern

De Strijd tegen Straling: Een Verhaal over de ATLAS Detector

Stel je voor dat de ATLAS-detector bij deeltjesversneller LHC een gigantische, ultra-gevoelige camera is die foto's maakt van de kleinste deeltjes in het universum. Deze camera zit echter in een zeer gevaarlijke omgeving: de HL-LHC. Het is alsof je deze camera in een straal van radioactief vuur zet. Om de camera te beschermen, hebben de wetenschappers een speciaal "schild" nodig: de ITk (Inner Tracker), gemaakt van silicium.

Maar wat gebeurt er als je silicium blootstelt aan straling? Het wordt als een oude muur die langzaam begint te barsten en lekken krijgt.

1. Het Probleem: Twee soorten "lekken"

Wanneer straling op het silicium slaat, ontstaan er twee soorten schade, die de auteurs in dit artikel bestuderen:

• De "Binnenste Lekken" (Bulk Current):

  • De analogie: Stel je het silicium voor als een bak met water. Straling slaat gaten in de bodem van de bak. Het water (elektriciteit) lekt erdoorheen. Dit is schade in het materiaal zelf.
  • Wat ze vonden: Bij hun experimenten met gammastraling (van een Cobalt-60 bron) bleek dat deze binnenste lekkage niet echt toenam, zelfs niet bij de stralingsniveaus die ze testten. Het was alsof de bodem van de bak nog heel sterk was.

• De "Oppervlakte-Lekken" (Surface Current):

  • De analogie: Nu kijk je naar de randen van de bak. Hier zit een laagje beschermingsverf (het SiO2-laagje). Straling zorgt ervoor dat er positieve ladingen vast komen te zitten in deze verf. Deze ladingen trekken negatieve deeltjes aan en creëren een nieuw kanaal waar stroom langs de rand kan lekken.
  • Wat ze vonden: Dit was het echte probleem. Zelfs bij heel lage stralingsniveaus (zoals 0,5 tot 100 kilorad) nam deze oppervlakte-lekkage dramatisch toe. Het was alsof de straling direct de randen van de bak ondermijnde.

2. De Experimenten: Een "Stralingsbad" en een "Oven"

De onderzoekers namen speciale diodes (kleine elektronische componenten) en doopten ze in een bad van gammastraling. Ze gebruikten twee soorten diodes:

1. De gewone: Een simpele diode.
2. De "MD8p": Een verbeterde versie met een extra "stop-ring" (een p-stop).
   • De analogie: De gewone diode is als een huis zonder hekken; je ziet niet goed waar het water vandaan komt. De MD8p heeft een extra hekwerk (de p-stop) dat het water van de randen (oppervlakte) scheidt van het water in het huis (de binnenkant). Hierdoor konden ze precies meten hoeveel er aan de randen lekte en hoeveel in het midden.

De resultaten:

• Bij lage straling (0,5 - 100 krad) explodeerde de lekkage aan de oppervlakte.
• De binnenkant bleef rustig.
• Ze vonden geen verzadiging. Dat betekent: de lekkage bleef groeien en stopte niet. In eerdere studies bij extreem hoge straling (miljoenen keren meer) zag men dat de lekkage stopte, maar hier zagen ze dat het proces nog lang niet klaar was. De "verzadigingsdrempel" ligt dus ergens tussen 100 krad en die extreme waarden.

3. De "Reparatie": Annealing (Het bakken)

Na de straling kregen de diodes een behandeling: ze werden verwarmd. Dit noemen ze annealing.

• De analogie: Stel je voor dat je een gebakken ei hebt dat door straling is beschadigd. Als je het heel zachtjes warmt (60°C), wordt het ei misschien nog een beetje plakkeriger (de lekkage neemt iets toe). Maar als je het in een hete oven doet (boven de 100°C, tot 300°C), smelt de schade weg en wordt het ei weer als nieuw.
• Wat ze vonden:
  • Bij 60°C (een warme dag): De lekkage bleef zelfs iets stijgen.
  • Bij 300°C (een hete oven): De schade verdween volledig! De stroom liep weer terug naar het niveau van voor de straling. Dit betekent dat de stralingsschade bij deze lage niveaus volledig "herstelbaar" is door te bakken.

4. De Temperatuur: Kou vs. Warmte

Ze keken ook hoe de lekkage reageerde op kou en warmte.

• De analogie: Stroom door een beschadigd pad is als water dat stroomt. In de winter (koude) stroomt het langzamer, in de zomer (warmte) sneller.
• Wat ze vonden: De "snelheid" waarmee de stroom reageerde op temperatuur was precies hetzelfde voor de binnenkant, de buitenkant en de totale stroom. Het gedrag was voorspelbaar en kon worden beschreven met een simpele formule.

Waarom is dit belangrijk?

De nieuwe ATLAS-detector gaat binnenkort aan de slag. De eerste tijd zal de straling niet extreem hoog zijn, maar wel aanwezig.

• De les: De onderzoekers weten nu dat in de beginfase de oppervlakte-lekkage het grootste probleem is, niet de binnenkant.
• De oplossing: Ze weten nu dat als ze de detector op de juiste manier "bakken" (verwarmen) na de eerste stralingsblootstelling, ze de schade kunnen herstellen.
• De toekomst: Ze weten nu dat de "verzadiging" (het punt waarop de lekkage stopt) pas veel later komt dan ze dachten. Dit helpt hen om de levensduur en het gedrag van de detector in de eerste jaren van de HL-LHC nauwkeuriger te voorspellen.

Kortom: De wetenschappers hebben ontdekt dat de "randen" van hun silicium-schild het eerst lekken bij straling, maar dat ze deze lekken kunnen dichten door de schilden even in de oven te zetten. Dit zorgt voor een veiligere en langere levensduur van de ATLAS-camera.

Technische samenvatting

Probleemstelling

De siliconen stripdetectoren voor de Inner Tracker (ITk) van het ATLAS-experiment zullen werken in een extreem stralingsomgeving van de High-Luminosity LHC (HL-LHC). Deze detectoren moeten bestand zijn tegen een totale ioniserende dosis (TID) van 66 Mrad en een totale fluentie van $1,6 \times 10^{15}$ 1-MeV $n_{eq}/cm^2$.

Stralingsschade in silicium ontstaat via twee mechanismen:

1. Niet-ioniserende energie-verlies (NIEL): Leidt tot "bulk-schade" (verplaatsing van atomen in het kristalrooster), wat resulteert in lekkagestroom, veranderingen in weerstand en verslechtering van ladingsopname.
2. Totale Ioniserende Dosis (TID): Beïnvloedt de isolerende laag ($SiO_2$) en het $Si-SiO_2$-interface. Dit veroorzaakt "oppervlakteschade" door opgeslagen lading in de oxide, wat leidt tot verhoogde oppervlakte-lekkagestromen en verslechterde isolatie.

Het specifieke probleem: Eerdere studies met $\gamma$-bestraling op $n^+$-in-$p$-diodes toonden een lineaire toename van de bulkstroom en een verzadiging van de oppervlakte-stroom aan. Echter, deze studies begonnen pas bij een TID van 66 Mrad, waardoor het onbekend bleef bij welke lage dosis de oppervlakte-stroom verzadigt. Andere studies op strip-sensoren toonden een sterke stroomtoename al bij lage TIDs (11 krad), maar konden de oppervlakte- en bulkstromen niet gescheiden meten. Er is dus behoefte aan gedetailleerde data bij lage TIDs (0,5 tot 100 krad) om het gedrag tijdens de initiële operaties van de ATLAS-tracker te begrijpen.

Methodologie

De studie werd uitgevoerd op twee typen $n^+$-in-$p$-diodes vervaardigd door Hamamatsu Photonics voor de ATLAS18 ITk-productie:

• MD8: Standaard diodes (0,8 cm x 0,8 cm) zonder $p$-stop-implantatie.
• MD8p: Diodes met een extra $p$-stop-implantatie tussen de bias-ring en de guard-ring. Dit ontwerp isoleert de stromen die door het diode-oppervlak lopen van de randstromen, waardoor een nauwkeurigere meting van de oppervlakte-stroom mogelijk is.

Experimentele opzet:

• Bestraling: De samples werden blootgesteld aan $^{60}Co$ $\gamma$-straling bij UJP PRAHA a.s. in 14 verschillende TID-stappen, variërend van 0,5 tot 100 krad. De bestraling vond plaats in een Pb/Al-doos om elektronen-evenwicht te garanderen en de dosisverdeling uniform te houden.
• Metingen: De $I-V$-karakteristieken werden gemeten voor en na bestraling bij een temperatuur van 20°C.
• Scheiding van stromen: Door het gebruik van de guard-ring en de $p$-stop (bij MD8p) konden de bulkstroom ($I_{BULK}$, door het actieve volume) en de oppervlakte-stroom ($I_{SURF}$, van guard-ring naar rand) gescheiden worden gemeten.
• Annealing (Uitgloeien):
  • Isochronale annealing: 80 minuten bij 60°C.
  • Tijdafhankelijke annealing: 10 tot 1280 minuten bij 60°C.
  • Temperatuurafhankelijke annealing: stappen van 20 minuten van 60°C tot 300°C.
• Temperatuurafhankelijkheid: Gemeten tussen -50°C en +20°C om de activeringsenergie ($E_A$) te bepalen.

Belangrijkste Resultaten

1. Invloed van lage TID op stromen:

   • Vóór bestraling: Bulk- en oppervlakte-stromen zijn van vergelijkbare grootte.
   • Na bestraling: De totale stroom neemt sterk toe, voornamelijk door een toename van de oppervlakte-stroom, zelfs bij zeer lage TIDs (0,5 krad). De bulkstroom blijft tot de maximale gemeten dosis van 100 krad relatief stabiel.
   • Verzadiging: Er werd geen verzadiging van de oppervlakte-ladingen waargenomen binnen het bestudeerde bereik (tot 100 krad). Dit suggereert dat de verzadigingsdrempel ligt tussen 100 krad en de eerder gerapporteerde 66 Mrad.

2. Annealing-effecten:

   • Bij 60°C: Na bestraling neemt zowel de bulk- als oppervlakte-stroom licht toe met de tijd, maar stabiliseren ze na ongeveer 640 minuten. Bij hogere spanningen (>450 V) wordt de toename van de oppervlakte-stroom verwaarloosbaar, wat suggereert dat het "soft breakdown"-gedrag wordt verzacht.
   • Bij hoge temperaturen (>100°C): De stromen nemen eerst toe tot 100°C, maar dalen daarna drastisch. Na annealing bij 300°C keren de stromen terug naar het niveau van vóór de bestraling. Dit bewijst dat de door $\gamma$-straling geïnduceerde defecten in zowel de bulk als het oppervlak volledig worden geanneald bij hoge temperaturen.

3. Temperatuurafhankelijkheid en Activeringsenergie:

   • De temperatuurafhankelijkheid van de stromen werd gefit met de formule $I(T) = A T^2 \exp(-E_A / 2kT)$.
   • De gemiddelde activeringsenergie ($E_A$) voor totale, bulk- en oppervlakte-stromen bleek consistent te zijn rond 1,19 - 1,20 eV.
   • Er waren geen significante verschillen in $E_A$ tussen de verschillende stroomtypen of tussen de verschillende TID-niveaus, wat aangeeft dat de defectmechanismen bij deze lage doses vergelijkbaar zijn met eerdere resultaten in de literatuur.

4. Invloed van de $p$-stop:

   • De MD8p-diodes (met $p$-stop) toonden iets hogere stromen dan de MD8-diodes, maar het ontwerp maakte het mogelijk om de oppervlakte-stroom nauwkeuriger te isoleren en te bestuderen zonder interferentie van randstromen.

Bijdragen en Significantie

• Nieuw inzicht bij lage doses: Dit werk vult een kritieke kennislacune op door het gedrag van oppervlakte- en bulkstromen te karakteriseren bij TIDs die veel lager zijn dan de maximale verwachte dosis (0,5 - 100 krad vs. 66 Mrad).
• Operationaliteit ATLAS ITk: De resultaten zijn direct relevant voor de initiële bediening van de nieuwe ATLAS-tracker. Omdat de oppervlakte-stroom bij lage doses al sterk toeneemt en niet verzadigt, moeten de operationele parameters (zoals bias-spanning en koeling) zorgvuldig worden ingesteld om ruis en lekkage te beheersen tijdens de vroege fasen van de HL-LHC-campagnes.
• Defectherstel: Het bewijs dat hoge temperatuur-annealing (300°C) de stralingsschade volledig kan herstellen, biedt inzicht in de stabiliteit van de materialen en mogelijke herstelmechanismen.
• Technologische validatie: De studie bevestigt dat de gebruikte $n^+$-in-$p$-technologie geschikt is, maar benadrukt het belang van het monitoren van oppervlakte-effecten die bij lage doses dominant worden.

Samenvattend biedt dit onderzoek een fundamenteel begrip van hoe de ITk-sensoren reageren op de initiële stralingsbelasting, wat essentieel is voor het waarborgen van de prestaties en levensduur van de detector in de toekomstige High-Luminosity LHC.