The study of bulk damage of high gamma-irradiated $n^+$-in-$p$ silicon diodes

技术摘要：高伽马辐射照射下 n+ in p 型硅二极管的体损伤

问题陈述
用于未来高亮度粒子加速器实验内部追踪区域的硅探测器面临极端的辐射环境。虽然针对强子诱导损伤的 p 型硅已有广泛研究，但对于 p 型体硅中伽马射线引起的位移损伤，仍需全面的数据支持，特别是针对高亮度 LHC 实验所采用的 n+ in p 技术。以往关于伽马射线照射 p 型样品的实验研究仅限于约 3 MGy 的总电离剂量 (TID)。本研究旨在将伽马射线引起的位移损伤调查扩展至 8.28 MGy，表征全耗尽电压 ($V_{FD}$)、有效掺杂浓度 ($N_{eff}$) 以及漏电流的演变，并确定伽马 TID 与 1 MeV 中子等效通量之间的关系。

方法论
本研究使用了三种类型的标准浮区 n+ in p 硅二极管（分别标记为 A、B 和 C），这些二极管由不同制造商提供。这些二极管具有相似的几何结构（有效面积 ~0.014 cm²，厚度 ~285–290 µm），但在初始体电阻率 ($\rho$) 和氧浓度方面有所不同：

• 二极管 A & B： $\rho \approx 3.1–3.3$ k$\Omega\cdot$cm。
• 二极管 C： $\rho \approx 24.0$ k$\Omega\cdot$cm（较低的硼掺杂或显著的补偿）。

氧浓度通过二次离子质谱法 (SIMIS) 测定至深度 14 µm。二极管在 UJP PRAHA a.s. 使用 $^{60}$Co 伽马源进行照射，TID 范围为 0.50 至 8.28 MGy。照射过程在电荷粒子平衡 (CPE) 箱中进行，以确保能量沉积均匀，并将温度维持在 35 °C 以下。照射后，样品被储存在 –20 °C 以下，以防止不受控制的退火。

表征过程包括：

1. I–V 和 C–V 测量： 在室温下以及经过标准退火步骤（60 °C 下 80 分钟）后进行。通过保护环配置将体漏电流与表面电流分离。
2. 瞬态电流技术 (TCT)： 采用红光激光 (660 nm) 进行顶层 TCT，用于验证 $V_{FD}$、提取电场分布，并确定低剂量和高剂量照射二极管的空间电荷符号 ($N_{eff}$)。

主要结果

• 漏电流： 对于所有类型的二极管，体漏电流 ($\Delta I/V$) 随 TID 呈线性增加。损伤系数 ($\alpha_\gamma$) 被发现取决于初始电阻率和氧浓度：

  • 对于二极管 A ($\rho \approx 3.1$ k$\Omega\cdot$cm)，$\alpha_\gamma \approx 6.33 \times 10^{-6}$ A$\cdot$cm$^{-3}\cdot$MGy$^{-1}$。
  • 对于二极管 B ($\rho \approx 3.3$ k$\Omega\cdot$cm)，$\alpha_\gamma \approx 6.49 \times 10^{-6}$ A$\cdot$cm$^{-3}\cdot$MGy$^{-1}$。
  • 对于二极管 C ($\rho \approx 24.0$ k$\Omega\cdot$cm)，$\alpha_\gamma \approx 10.20 \times 10^{-6}$ A$\cdot$cm$^{-3}\cdot$MGy$^{-1}$。
  • 表面电流在低 TID 时急剧增加并趋于饱和，尽管二极管 A 在剂量 > 4 MGy 时显示出二次增加。
  • 退火效应： 在 60 °C 退火步骤后，未观察到体漏电流的变化。

• 全耗尽电压 ($V_{FD}$) 与有效掺杂 ($N_{eff}$)：

  • $V_{FD}$ 和 $N_{eff}$ 最初随 TID 增加而显著下降，在达到最小值后又随剂量增加而上升。
  • $V_{FD}$ 出现最小值的 TID 与初始电阻率相关：二极管 C（高电阻率）在 ~4.14 MGy 时达到最小值，而二极管 A 和 B（低电阻率）在接近 6 MGy 时达到最小值。
  • 对于二极管 A，在 6 MGy 以上时 $V_{FD}$ 保持在较低水平（~10–20 V），但 7.78 MGy 时的 TCT 测量表明在 ~70 V 时达到全耗尽，这表明复杂的空间电荷分布（双结）阻止了 C-V 测量达到几何电容。

• 空间电荷符号反转 (SCSI)：

  • 对低辐照二极管的 TCT 测量确认了保留了 p 型体（n+ in p 结构）。
  • 对高辐照二极管（A 为 7.78 MGy，B 为 8.28 MGy）的 TCT 测量揭示了向 n 型体的符号反转。电场分布显示形成了双结，并在二极管两侧均存在高场区。

• TID 到通量的转换：
  假设漏电流的增加是由位移损伤引起的，研究估计了 TID 与 1 MeV 中子等效通量 ($\phi_{eq}$) 之间的转换关系：

  • 对于二极管 C ($\rho \approx 24$ k$\Omega\cdot$cm)：1 MGy $\approx 2.6 \times 10^{11}$ neq/cm²。
  • 对于二极管 A 和 B ($\rho \approx 3.1–3.3$ k$\Omega\cdot$cm)：1 MGy $\approx 1.6 \times 10^{11}$ neq/cm²。

意义与结论
本研究表征了高达 8.28 MGy 的伽马辐射诱导的 p 型硅二极管位移损伤，该剂量范围与未来的高亮度实验相关。主要发现如下：

1. 缺陷稳定性： 与表现出有益退火和反向退火的强子辐照样品不同，伽马辐照的 n+ in p 硅二极管在 60 °C 下 80 分钟后没有表现出退火效应（无论是 $V_{FD}$ 还是漏电流）。作者将其归因于主要是由于不活动的缺陷。
2. 电阻率依赖性： $V_{FD}$ 的演变强烈依赖于初始电阻率；高电阻率样品（较低的硼浓度）在较低的 TID 下达到 $V_{FD}$ 最小值及随后的类型反转。
3. 类型反转： 高剂量的伽马辐照诱导了从 p 型到 n 型的体类型反转，这通过 TCT 得到了证实，与在强子辐照样品中观察到的效应相似。

论文得出结论，初始有效掺杂浓度的降低很可能是由受体移除（硼掺杂剂的去激活）引起的，而高剂量下 $V_{FD}$ 的随后增加则与双结的形成和体类型反转有关。