Simulation and measurement of charge transport in the guard region of planar silicon sensors
Creators: name: Li, Peilin
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: TCT
subject: Transiente Simulation
subject: Oberflächentransport
subject: Feuchtigkeitssensitivität
subject: Transient simulation
subject: Surface transport
subject: Humidity sensitivity
subject: 530 Physik

description: Siliziumsensoren werden aufgrund ihrer hohen Strahlenhärte und mechanischen Stabilität in der Hochenergiephysik breit eingesetzt. Während des Herstellungsprozesses werden jedoch einige Defekte auf der Sensoroberfläche erzeugt, was zu komplexen Oberflächeneigenschaften führt. Die großflächigen Siliziumsensoren für das ATLAS Inner Tracker (ITK) Upgrade zeigen eine Sensitivität auf Luftfeuchtigkeit, was dazu führt, dass die Sensoren einen hohen Leckstrom aufweisen und dadurch mitunter nicht mehr als Teilchendetektoren unter einer hohen Spannung in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit betrieben werden können. Zur Erforschung der Oberflächeneigenschaften und um den Breakdown-Mechanismus zu verstehen, wird die Top Transient Current Technique (Top TCT) eingesetzt, um den Ladungstransportprozess in Siliziumsensoren zu analysieren. Diese Methode verwendet schnelle Laserpulse, die auf einen mikrometergroßen Bereich fokussiert sind, um die Vorderseite des Sensors zu beleuchten und Elektron-Loch-Paare innerhalb der ersten Mikrometer unter der Oberfläche zu erzeugen. Diese Ladungsträger bewegen sich unter dem Einfluss des angelegten elektrischen Feldes, wodurch transiente Ströme an der Elektrode induziert werden. Durch die Analyse dieser transienten Signale, in Abhängigkeit von der Position des laserinjizierten Bereiches und der angelegten Spannung, kann das elektrische Feld in der Nähe der Oberfläche qualitativ abgeschätzt werden. In dieser Arbeit werden sowohl Simulation als auch Messung unter Verwendung der Top TCT-Methode an einer planaren Diode durchgeführt. Die Simulation erfolgt mithilfe der Software Allpix Squared, einem Monte-Carlo-Simulationsframework, das speziell für Halbleiterdetektoren entwickelt wurde. Die effektive Dotierstoffkonzentration, die Vollverarmungsspannung und die aktive Dicke einer planaren Silizium n-in-p Diode werden mit der Top TCT-Methode gemessen. Die Übertragungsfunktion des externen Stromkreises wird durch Fourier-Transformationsanalyse sowohl der simulierten als auch der gemessenen Daten extrahiert. Ein neuer Parameter „Oberflächenreflektivität" wird in Allpix Squared implementiert und modifiziert, um den Ladungstransport an der Silizium-Siliziumdioxid-Grenzfläche zu simulieren, an welcher ein Feld existiert, das die Elektronen zur Grenzfläche drängt. Laser-Scans zwischen dem Edge-Ring und dem Guard-Ring der Diode werden für verschiedene angelegte Spannungen simuliert und gemessen. Durch den Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Messungen hinsichtlich der transienten Pulse, Geschwindigkeitsprofile und Ladungsprofile kann ein besseres Verständnis der Oberflächeneigenschaften einer Siliziumdiode gewonnen werden, auf dessen Basis sich die Feuchtigkeitsabhängigkeit der Oberflächendegradation untersuchen lässt.
description: Silicon sensors are widely used in high-energy physics due to their high radiation hardness and mechanical stability. However, during the fabrication process, several defects are introduced to the sensor surface, resulting in complex surface properties. The large-area silicon sensors for the ATLAS Inner Tracker (ITK) Upgrade show signs of early surface breakdown at high humidity. This results in the sensors experiencing a high leakage current and are not inoperable as particle detectors when biased in a high-humidity environment. To investigate the surface properties and understand the breakdown mechanism, the Top Transient Current Technique (Top TCT) is used to study the charge transport process in silicon sensors. This method utilizes fast laser pulses, focused to a micrometer-sized spot, to illuminate the front side of the sensor, generating electron-hole pairs within the first several micrometers from the surface. These charge carriers then drift under the influence of the applied electric field, inducing transient currents on the electrode. By analyzing these transient signals as a function of the laser-injected position and the applied bias voltage, the distribution of the surface electric field can be qualitatively estimated. In this work, both simulation and measurement using the Top TCT method on a planar diode are performed. The simulation is conducted using the Allpix Squared software, a Monte Carlo simulation framework specially developed for semiconductor detectors. The effective doping concentration, full-depletion voltage, and active thickness of a planar silicon n-in-p diode are measured using the Top TCT method. The transfer function of the read-out electric circuit is extracted through Fourier transform analysis of both the simulated and measured data. A new parameter ”surface reflectivity” is implemented and modified in Allpix Squared to simulate the charge transport at the silicon-silicon dioxide interface, where a field pushing the electrons toward the interface exists. Laser scans between the edge ring and guard ring of the diode for different bias voltages are simulated and measured. By comparing the simulation results to the measurement in aspects of the transient pulses, velocity profile and charge profile, a better understanding of the surface properties of a silicon diode can be obtained, from which the humidity dependence on the surface breakdown may be explored.