Комплексная методика исследования полупроводниковых кремниевых детекторов и их применение в физике высоких энергий

Эксперименты в Физике Высоких Энергий (ФВЭ) с пучками тяжелых ионов выдвигают на первое место проблемы оперирования с большим количеством заряженных частиц, которые образуются в результате взаимодействий ионов при соударении. Начиная с 60-х гг. прошлого столетия и по настоящее время ФВЭ является активным стимулятором развития перспективных технических и информационных технологий. Проводя измерения продуктов реакций, желательно знать как минимум число образовавшихся в каждом событии частиц и их угловое распределение. Поэтому факт того, что впервые большое применение Координатные Кремниевые Детекторы (ККД) нашли именно в ФВЭ, не удивителен. Настоящее промышленное освоение ККД началось в действительности лишь с конца 70-х гг. после освоения электронной индустрией фотолитографических методов производства приборов на основе кремния. Первый эксперимент, в котором широко были использованы Микрополосковые Кремниевые Однокоординатные Детекторы (МКОД) начался в 1980 гг. в ЦЕРН [1]. Практически тогда же стало ясно, что производство даже этих простых ККД — весьма сложная задача. Сложности не ограничиваются лишь производством ККД и их топологической оптимизацией для решения определенных задач, но и тем, что для каждого эксперимента необходимо применять свою специальным образом оптимизированную электронику считываниях [2]. Не менее важной задачей стало тестирование работоспособности ККД — учитывая относительно высокую стоимость детектора и интегрированной электроники считывания (предусилитель-формирователь в самом простом случае), а также то, что при проведении монтажа и микроразварки Интегральной Схемы (ИС) предусилителя к детектору весьма сложно провести демонтаж без повреждения ИС и детектора. Именно по этой причине весьма важно убедиться в работоспособности детектора как можно точнее до подключения к нему электроники считывания.

Учитывая все более широкое применение кремниевых координатных детекторов, необходимо выработать общие правила, по которым проводится тестирование детекторов, и их сравнение. Исходя из этого, была сформулирована цель работы — предложить универсальную методику для оценки параметров и исследования ККД, позволяющую получать информацию, наиболее важную с точки зрения дальнейшего их применения. Акцент сделан на координатно-чувствительные детекторы, применяемые в физике высоких энергий. Учитывая особенности изготовления, тестирования и эксплуатации детекторов, для достижения поставленной цели необходимо показать что:

1. Существует простой алгоритм оценки параметров координатного КД, позволяющий получить параметры детектора, необходимые для оптимизации электроники считывания.

2. Методика измерений и анализа В АХ и ВФХ позволяет получать наиболее полную информацию об основных параметрах ККД, характеризующих его качество. Методика позволяет построить физическую модель ККД и его эквивалентную схему и провести моделирование работы детектора совместно с электроникой считывания, и, кроме того, оптимизировать шумовые характеристики системы Детектор-Предусилитель-Формирователь.

3. Для коррекции ВФХ необходимо учитывать то, что слой алюминия на диоксиде кремния образует Метал-Окисел-Полупроводник (МОП) емкость, включенную параллельно емкости P-N перехода, а поверхностные состояния на границе алюминий-диоксид кремния и на границе алюминий-поликремний образуют емкость, включенную последовательно с P-N переходом. Наличие этих емкостей может существенно исказить ВФХ исследуемого детектора. Величина искажений ВАХ и ВФХ зависит от величины заряда, фиксированного в диоксиде кремния.

4. Измерение переходной характеристики P-N перехода, а именно величины заряда перезарядки области обеднения, позволяет получать информацию о времени жизни не основных носителей в этой области. Метод применим для экспресс-измерений температуры P-N перехода.

5. Возможно применение простой модели работы Кремниевого Лавинного Фотодетектора с Отрицательной Обратной Связью (КЛФООС), основанной на эквивалентной схеме замещения для исследуемого детектора. Параметры эквивалентной схемы можно получать, измеряя ВАХ и ВФХ КЛФООС. Эквивалентная схема обеспечивает возможность моделирования работы КЛФООС совместно с электроникой считывания программой SPICE.

Говоря о комплексности методики, автор подразумевает следующее:

1)измерение статических и динамических характеристик тестовых структур для получения параметров, необходимых для построения эквивалентной схемы детектора;

2)проведение моделирования для вычисления распределения электрического поля в детекторе (тестовых структурах) и построение теоретических ВАХ, ВФХ и теоретической эквивалентной схемы детектора;

3)сравнение параметров теоретической и практической эквивалентной схем и анализ полученных отличий — для построения модели детектора, описывающей его детектирующие свойства и применения ее для анализа работы детектора совместно с электроникой считывания.

Комплексность понимается как синтез методики измерений и анализа полученных данных для исследуемого детектора и дальнейшего моделирования характеристик детектора и его работы.

Научная новизна и практическая ценность работы обеспечивается тем, что впервые рассмотрен последовательный подход к оценке параметров и методике исследования координатных КД. Разработаны система оценки параметров КД, позволяющая теоретически построить его физическую модель (и эквивалентную схему), и система тестов произведенного детектора, позволяющая получать реальные физические параметры детектора (и его эквивалентной схемы) и таким образом, судить о качестве производства детектора. Эквивалентная схема позволяет проводить моделирование работы КД совместно с электроникой считывания и оптимизировать систему детектор-предусилитель.

Предложена методика анализа переходных характеристик P-N перехода, позволяющая определить время жизни не основных носителей и температуру P-N перехода.

Впервые представлена простая модель работы КЛФООС. Предложенная модель позволяет проводить сравнительный анализ КЛФООС, анализ переходных процессов при воздействии на детектор прямоугольного импульса фототока и оценочные расчеты при проектировании КЛФООС.

Практически все предложенные в работе методики и алгоритмы могут применяться при тестировании координатных КД не только для ФВЭ, но и для других областей их применения (медицина, биология, астрономия и т. д.).

Основные научные положения работы, выносимые на защиту:

1. Предложен алгоритм оценки параметров координатного КД, позволяющий получить параметры детектора, необходимые для оптимизации электроники считывания.

2. Предложена методика измерений и анализа В АХ и ВФХ, позволяющая получать наиболее полную информацию об основных параметрах КД, характеризующих его качество. Разработанная методика позволяет построить физическую модель КД и его эквивалентную схему и провести моделирование работы детектора совместно с электроникой считывания, и кроме того оптимизировать шумовые характеристики системы Детектор-Преду силитель-Формирователь.

3. Показано, что слой алюминия на диоксиде кремния образует Метал-Окисел-Полупроводник (МОП) емкость, включенную параллельно емкости P-N перехода, а поверхностные состояния на границе алюминий-диоксид кремния и на границе алюминий-поликремний образуют емкость, включенную последовательно с P-N переходом. Предложен метод коррекции ошибок, вводимых этими емкостями.

4. Установлено, что измерение переходной характеристики P-N перехода позволяет получать информацию о времени жизни не основных носителей. Метод применим для экспресс-измерений температуры P-N перехода.

5. Разработана простая модель работы КЛФООС. Для применения модели необходимо построить эквивалентную схему замещения для исследуемого детектора. Параметры схемы получают, измеряя В АХ и ВФХ КЛФООС. Эквивалентная схема позволяет проводить моделирование работы КЛФООС совместно с электроникой считывания программой SPICE. Приведены примеры применения теории для анализа переходных процессов в КЛФООС и расчет чувствительности предложенного нового типа КДД с лавинным усилителем.

6. Разработана и создана система автоматической калибровки многоканальных систем считывания. Система успешно применялась для калибровки электроники триггера множественности в эксперименте CERES/NA45 1999;2000гг.

7. Разработана и успешно испытана портативная система считывания КДД для эксперимента ALICE, основанная на применении Swithced Capacitors Array технологии.

Методики и алгоритмы, предложенные в настоящей работе, применялись при разработке, моделировании и тестировании детекторов для экспериментов CERES (NA45), ALICE, DISK. Основные результаты работы опубликованы в отечественных и зарубежных изданиях, а также докладывались и обсуждались на Международных конференциях:

1) 4th International Conference on Advanced Technology and Particle Physics, Como, Italy, 3−7 Oct 1994,.

2) 7th International Wire Chamber Conference (WCC 95): Recent Trends and Alternative Techniques, Vienna, Austria, 13−17 Feb 1995,.

3) International School-Workshop RHIP'97, Prague, Czech Republic, 2−6 September, 1996.

4) International School-Workshop RHIP'98, Prague, Czech Republic, 1−5 Septembr, 1997.

5) Международная математическая конференция MMTT-14 «Математические методы в технике и технологиях», Смоленск 5−8 Июня 2001.

Заключение

.

1. Показано, что существует простая методика исследования координатных кремниевых детекторов, которая позволяет унифицировать подход к анализу данных измерений детекторов и тестовых структур. Построенная на основе предлагаемой методики эквивалентная схема детектора применима для моделирования работы детектора совместно с электроникой считывания и позволяет оптимизировать работу детектора.

2. Предложена методика восстановления ВФХ детектора (тестовых структур) при сильном влиянии быстрых поверхностных состояний (с характерным временем жизни около одной микросекунды). Эти поверхностные состояния проявляются как емкость, включенная последовательно к емкости P-N перехода. Также показано, как устранить влияние на ВФХ, емкости образованной алюминием на диоксиде кремния (емкость включена параллельно емкости P-N перехода). Учет влияния искажений, вносимых этими емкостями, позволяет восстановить реальную ВФХ детектора (тестовой структуры) и, таким образом, провести точный расчет напряжения полного обеднения, распределения поля, распределения концентрации примеси в объеме кремния. Это позволяет более точно построить эквивалентную схему детектора и провести моделирование работы детектора совместно с электроникой считывания.

3. Измерение переходной характеристики тестовых структур на основе P-N перехода позволяет получать информацию о диффузном времени жизни неосновных носителей заряда в приповерхностном слое кремния (в окрестности P-N перехода). Сравнивая полученное значение диффузного ВЖННЗ с объемным ВЖННЗ (которое получаем из анализа обратной ветви ВАХ), можно оценить качество приповерхностного слоя кремния. Чем больше отличаются эти два ВЖННЗ, тем больше дефектов в приповерхностном слое. При построении калибровочной зависимости «заряд переключения от температуры» мы получаем простой и эффективный метод безинерционного контроля температуры P-N перехода с точностью не хуже 0.1°С.

4. Разработана и успешно применялась на практике автоматизированная установка для калибровки триггера множественности (построенного на основе двух радиальных кремниевых дрейфовых детекторов) для эксперимета CERES/NA45. Применение калиброванного на данной установке триггера множественности позволило существенно улучшить характеристики измерительной установки CERES/NA45 в сеансах 1999;2000гг.

5. Создана и успешно проверена на практике портативная тестирующая система считывания КДД при помощи персонального компьютера. Применение современных технологических решений позволило создать компактную и надежную систему считывания КДД. Система позволяет считывать 240 каналов КДД, запоминая аналоговую информацию с каждого из каналов в интервале 3−6мкс с последующей оцифровкой и передачей информации в цифровом виде на ПК. Программное обеспечение позволяет проводить графическую визуализацию информации о состоянии КДД со скоростью один графический кадр за 500мс.

6. Впервые предложена простая модель, описывающая работу кремниевого лавинного фотодетектора с отрицательной обратной связью. Показано, что, применяя эквивалентную схему КЛФООС, построенную на основе анализа данных измерений, и выражение коэффициента усиления системы в виде передаточной функции для системы с обратной связью, можно проводить моделирование работы детектора и электроники считывания программой SPICE.

7. Предложенная модель позволила провести расчет переходной характеристики КЛФООС и провести сравнение с экспериментальными данными. Небольшое отличие расчетных и экспериментальных данных объясняется предположением, что коэффициент обратной связи не зависит от напряжения на резистивном слое. То, что модель весьма точно описывает особенности лавинного усиления в КЛФООС, позволило провести расчет эффективности лавинного усилителя в КДД. Результат расчетов подтвердил ожидаемый вывод о том, что лавинный усилитель наиболее эффективен в случае использования сильно шумящего предусилителя.

Автор рад поблагодарить своих научных руководителей к.ф.-м.н. М. Шумберу из ИЯИ в Ржеж (Чехия) и д.ф.-м.н. А. С. Водопьянова из ОИЯИ (ЛВЭ) за плодотворное сотрудничество, поддержку работы на всех ее этапах, оказавшую сильное влияние на научную деятельность и жизненную позицию автора.

Автор благодарен своим коллегам Готре Ю. Н., Малахову Наилю, Пиляру Николаю из ОИЯИ, а также Раку Яну, Петрачеку Войте из ИЯИ в Ржеже за сотрудничество и помощь на разных этапах работы автора над диссертацией.

Приятным долгом автор считает поблагодарить сотрудников ОИЯИ: Садыгова Заира и Жежера Валерия за полезные и плодотворные обсуждения и помощь в работе.

Автор благодарит Манько Владимира за помощь при корректировании текста диссертации. Особую благодарность приносит своей жене Кушпиль Светлане за большую помощь в работе и за поддержку и терпение в течении всего времени подготовки этой работы. Также хочу поблагодарить своего сына Данилу — за понимание и ожидание во время, когда я не мог уделять ему достаточного внимания.