Evaluation of electron and hole detrappingin irradiated silicon sensors
Markus Gabrysch1, Mara Bruzzi2, Michael Moll1,
Nicola Pacifico3, Irena Dolenc Kittelmann4,Marcos Fernandez Garcia5
PH-DT-TP, CERN (CH)
INFN and University of Florence (IT)
3 Université Montpellier II (FR)
4 Ohio State University (US)
5 Universidad de Cantabria (ES)
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May - 1st June 2012
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
Outline
1.Motivation/Aim
2.TCT-DLTS setup
3.Investigated diodes
4.Measurement principle
5.First measurements
6.Conclusions
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
2
Motivation/Aim
Knowledge of energy levels and cross-sections of de-trapping centresis crucial for defect characterization
These parameters can be determined by investigating the temperaturedependence of the time-constant  for de-trapping
For defects deep in the bandgap the de-trapping happens on aµs-timescale (around RT)
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
3
CERN TCT setup
Red laser illumination with two different pulse width (80ps or 2µs)
T-Bias (20kHz-10GHz, constant HV < 200V) used
Amplifier was not needed for 2µs illumination
Temperature controlled (flushed with dry air for T < 10°C)
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
4
660 nm
Pulsed laser (2s)randomized trigger (100Hz)
DUT
T-Bias
HV
Oscilloscope
Optionalcurrent amp.
Laser gets absorbedin first 3µm
Investigated diodes
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
5
Name
Sample A
(HIP_05_C16)
Sample B
(HIP-MCz-01-n-23)
Sample C
(FZ_2328-11_A)
Sample D
(FZ_2852-23)
Material
HIP
FZ n-type
300m
HIP
MCz n-type
300m
Micron
FZ p-type
300m
Micron
FZ n-type
300m
Irradiation
--
24GeV protons = 91014 cm-2
24GeV protons = 51014 cm-2
24GeV protons = 51014 cm-2
Annealing
--
4min at 80°C
80min at 60°C
80min at 60°C
Illumination
660nm (2s)
front
660nm (80ps)
front/back
660nm (2s)
front
660nm (2s)
front
Measurement method
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
6
Measurement method
TCT signals have been measured with long integration times (up to 50µs)
Temperature range investigated: ca. 10 - 50°C
Stability of signal confirmed by recording 10 times the (same) waveformwhich itself is an average of 1024 shots
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
7
FigC_I_20C
10 repetitions
FigC_intI_20C
2µs illumination
FigC_intI_all
FigC_I_all
Measurement method
TCT signals have been measured with long integration times (up to 50µs)
Temperature range investigated: ca. 10 - 50°C
Stability of signal confirmed by recording 10 times the (same) waveformwhich itself is an average of 1024 shots
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
8
2µs illumination
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
9
FigC_intI_all
Measurement method
Zoomed:
Each set consistsof 10 curves andhas its own colour
Bias: 150V
3
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
10
Measurement method
before: without randomized trigger and 80ps pulse width
all at room temperatureand only up to 16µs
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
11
Signal Components
For irradiated detectors we expect the integrated current to have the form:
In the case of two time-constants:with free parameters AN1N21 and 2. The first ones should betemperature independent.
Due to charge collected during carrier drift
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
12
Parameter extraction – Alternative 1: -fitting
The detrapping time constant is linked to defect parameters by:
Looking explicitly on T-dependence:
And we can analyse data in an Arrhenius plot:
absolute value of the energy level calculatedfrom valence band maximum
h… hole detrapping cross-section
vh… thermal hole velocity
NV… effective density of states in valence band maximum
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
13
Parameter extraction – Alternative 2: DLTS Scan
In DLTS (Deep-Level Transient Spectroscopy) we look at the difference ofsignals measured at two different times t1 and t2:during a temperature scan.
Temperature independent contributions cancel out:
The function S(T) goes to zero for high and low temperatures but peaksat intermediate temperatures. The time constant at peak temperature canbe determined as a function of t1 and t2 as:
These data pairs can be analysed in an Arrhenius plot
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
14
Parameter extraction – Alternative 2: DLTS Scan
DLTS-Scan-Exp
simulated datafor fixed t1
First measurements
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
15
Fig1
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
16
Integrated current for unirradiated diode (Sample A)
Current drops to zero “instantly” after illumination
Bias: 100V
Fig3
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
17
Integrated current for unirradiated diode (Sample A)
No clear time-constant and no temperature trend observable
 small rise most likely due to imperfect offset correction
Bias: 100V
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
18
Integrated hole current for irradiated MCz diode (Sample B)
Sum of two exponentials used to fit the data:
one faster 1 (T-independent) and one slower 2=d (trapping)
MaraReport_Fig2
Example:
Hole transport
T=46.5°C
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
19
Arrhenius plot for hole transport MCz diode (Sample B)
from slope:
Eth = 0.53eV
from Intercept &h=1.81x1025 s-1(mK)-2
h=1.57x10-12 cm2
MaraReport_Fig3
ln(T2h)
1/(kBT)
Data points correspond to time-constants extracted from fits to integrals S(t)
PRELIMINARY
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
20
Arrhenius plot for hole transport FZ diode (Sample C)
Time-constants were not extracted well, since fitting [exp(.)+exp(.)] is tricky …
PRELIMINARY
Arrhenius from fit to tau values
ln(T2h)
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
21
DLTS Scan for hole transport FZ diode (Sample C)
ln(T2h)
DLTS_Scan
PRELIMINARY
Solid lines are fits to data
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
22
Arrhenius plot for electron transport FZ diode (Sample D)
ln(T2h)
Arrhenius from fit to tau values
PRELIMINARY
First T scan from 10 to 52°C (blue)then from 52 down to 10°C (black)
But form of signal had changed meanwhile
1/(kBT)
DLTS_Scan
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
23
DLTS Scan for electron transport FZ diode (Sample D)
PRELIMINARY
Solid lines are fits to data
(both Temp-up and -down)
Conclusion
Setup improved to guarantee reproducibility even for 50µs integration time
Important changes:
Randomized triggering
2µs instead of 80ps illumination to obtain large enough signaleven without current amplifier
Observed = 2-40µs (for 10-50°C) and = 1-10µs (for 10-50°C)
Still more improvements are necessary …
to extract time constants from S(t) or I(t).
to minimize leakage current but still to deplete the same volumefor each temperature
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
24
Thanks for your attention!
20th  RD50 Workshop, Bari, 30th May – 1st June 2012
25