Senzori de siliciu tip p cu inginerie de defecte implantate pentru LHC /DEPSIS


Project Director: Dr. Ioana Pintilie

ID Proiect: CERN/05

Perioada: 1.01.2020- 31.12.2021

Titlu proiect: Senzori de siliciu tip p cu inginerie de defecte implantate pentru LHC /DEPSIS

Obiective:

Prezentul proiect este parte integranta a RD50, cu subgrupul Caracterizarea de Materiale și Defecte. Directorul prezentului proiect este conducătorul echipei INCDFM implicata în colaborarea CERN-RD50 și convocatorul aceste linii de cercetare în cadrul colaborarii RD50. Obiectivul general al acestul proiect este de a imbunatati rezistenta la radiații a diferitelor tipuri de senzori pe baza de siliciu ce vor fi folosiți în cadrul ATLAS și CMS Strip Tracker ca upgrade (pads, LGAD și HVCMOS), ce vor fi construiti folosind ingineria de defecte de tip p în Si. În siliciul de tip p (dopat cu Bor) modificarea cea mai evidenta a performantei electrice este pierderea dopajului în timpul iradierii, proces cunoscut sub numele de „acceptor removal”. Acest proces este în principal cauzat de formarea de centri BiOi. Prin adaugarea intentionata de impuritati de Carbon în volumul Si dopat cu B se poate schimba calea obișnuită de formare a defectelor în timpul iradierii, prin crearea unor defecte ce contin C care au un impact mult mai mic asupra caracteristicilor electrice a senzorilor la temperatura nominala de funcționare. Proiectul se va concentra pe detectarea, analizarea și modelarea generarii și a dinamicii defectelor în siliciu iradiat dopat cu B și codopat/implantat cu C. Tehnicile specifice de investigare ce vor fi folosite (DLTS, TSC și TDRC, HRTEM, caracterizari I-V și C-V) vor livra parametri de input legați de generarea de defecte și dinamica lor în prezenta diverselor tipuri și cantitati de impuritati necesari pentru dezvoltarea de modele teoretice capabile de a calcula (numeric și în unele cazuri chiar analitic) și prezice impactul defectelor generate de radiatia detectata asupra proprietatilor senzorilor de Si în raport cu continutul de impuritati și scenariul de operare. Scopul final al proiectului este de a livra un profil complet al defectelor induse de radiații și mecanismele lor de generare, informație ce va fi folosită pentru a imbunatati rezistenta la radiații a dispozitivelor pad, LGAD și HVCMOS. Folosind aceste studii de inginerie a defectelor, modele teoretice viabile vor putea fi construite pentru a descrie și prezice generarea și evolutia defectelor în prezenta impuritatilor adaugate în mod intenționat. În acest mod va fi posibila dezvoltarea în cadrul proiectului de strategii de optimizare a continutului de dopant și impuritati ce va conduce la obtinerea performantelor cerute pentru fiecare senzor de siliciu de tip p propus. Studiile vor porni de la un set de senzori pad, LGAD și HVCMOS deja fabricat. La jumătatea celui de-al doilea an al proiectului, se vor produce senzori de tip p optimizati cu inginerie de defecte în cadrul colaborarii RD50, bazati pe rezultatele obtinute pana acel moment. Este de așteptat ca noua runda de experimente pe senzori optimizati va avea loc în ultimul an al proiectului și va valida pe deplin predictiile modelarilor teoretice și a rezultatelor experimentale obtinute. În eventualitatea unor rezultate diferite se vor efectua corectii pentru imbunatatirea rezultatelor obtinute pentru a obtine noi soluții de optimizare.

Etape/Activitati (An)

I. Investigarea procesului de "acceptor removal" in siliciu de tip p (2020)

I.1        Analiza continutului de impuritati in diferite tipuri de senzori de Si

I.2        Analiza defectelor electric active cu metodele DLTS si TSC/TDRC si a schimbarilor induse de iradiere in caracteristicile electrice ale dispozitivelor.

I.3        Caracterizare microstructurala a senzorilor iradiati - studii de imbatranire la 80 C

I.4        Modelarea generarii si cineticii defectelor observate experimental la 80 C

 

II. Siliciu de tip p, obtinut prin inginerie de defecte, rezistent la radiatii (2021)

II.1      studii de imbatranire  la temperaturi ridicate (intre 150 si 350 C) a defectelor induse de iradiere

II.2      teste de validare a optimizarii senzorilor de Si obtinute prin inginerie de defecte

II.3      Caracterizare microstructurala in-situ a senzorilor iradiati si incalziti la temperaturi de 150-250C

II.4      Modelarea generarii si cineticii defectelor observate experimental

2020

Rezultate 2020_RO

2021

Rezultate 2021

  • Publicatii
  1. Radiation damage in p-type EPI silicon pad diodes irradiated with protons and neutrons
    Gurimskaya, Yana ; Dias de Almeida, Pedro; Fernandez Garcia, Marcos; Suau, Isidre MateuMoll, Michael; Fretwurst, Eckhart ; Makarenko, Leonid; Pintilie, Ioana, Nucle. Instr.&Meth. In Phys. Res. A, 958, 162221, 2020.
  2. C. Besleaga, A. Kuncser, A. Nitescu, G. Kramberger, M. Moll, I. Pintilie,
    Bistability of the BiOi complex and its implications on evaluating the “acceptor removal” process in p-type silicon, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 1017, 2021, 165809, ISSN 0168-9002, https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.165809.
  3. C. Liao, E. Fretwurst, E. Garutti, J. Schwandt, M. Moll, A. Himmerlich, Y. Gurimskaya, I. Pintilie, A. Nitescu, Z. Li, L. Makarenko; The boron-oxygen (Bi Oi) defect complex induced by irradiation with 23 GeV protons in p-type epitaxial silicon diodes, submitted to IEEE Transactions on Nuclear Science, ID: TNS-00613-2021
  • Prezentari conferinte/workshop-uri:
    1) L.D. Filip and I. Pintilie, Modelling of the Coulombic centres charge emission: electric field approximation comparison in simulating the measured TSC signal, 38th RD50 Workshop, June 21-23, 2021, online meeting CERN, Geneve.2) C. Besleaga, A. Nitescu, G. Kramberger, M. Moll and I. Pintilie, Bistability of the BiOi complex – a reason for the observed large scattering in the determined acceptor removal rates in irradiated p-type silicon, 38th RD50 Workshop, June 21-23, 2021, online meeting CERN, Geneve.3) A. Kuncser and I. Pintilie, LGAD sample irradiated at 1019 1MeV neutrons/cm2: HRTEM annealing study up o 350oC, 38th RD50 Workshop, June 21-23, 2021, online meeting CERN, Geneve4) A. Himmerlich, C. Liao, E. Fretwurst, I. Pintilie, I. Mateu, J. Schwandt, L. Makarenko, M. Moll, N. Castello-Mor , V. Maulerova, Y. Gurimskaya, Defects formed in boron-doped Si diodes after high energy electron irradiation, 38th RD50 Workshop, June 21-23, 2021, online meeting CERN.

    5) Y. Gurimskaya, A. Himmerlich, M. Moll, C. Liao, E. Fretwurst, I. Pintilie, I. Mateu, J. Schwandt, L. Makarenko, V. Maulerova, Current Deep Level Transient Spectroscopy (I-DLTS) technique applied to p-type silicon diodes for Acceptor Removal studies, 38th RD50 Workshop, June 21-23, 2021, online meeting CERN, Geneve

    6) A. Himmerlich, C. Liao, E. Fretwurst, I. Pintilie, J. Schwandt, L. Makarenko, M. Moll, N. Castello-Mor , V. Subert, Y. Gurimskaya and E.C. Rivera, Defect characterization studies on highly irradiated Low Gain Avalanche Detectors, November 17-19, 2021, Valencia, Spain

    7) C. Liao, E. Fretwurst, E. Garutti, I. Pintilie, J. Schwandt, A. Himmerlich, L. Makarenko, M. Moll, N. Castello-Mor and Y. Gurimskaya, Investigation of the BiOi defect in EPI and Cz silicon diodes using Thermally Stimulated current (TSC) and Thermally Stimulated Capacitance (TS-Cap), November 17-19, 2021, Valencia, Spain


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

Copyright © 2022 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved