21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
Charge carrier detrapping in irradiated siliconsensors after microsecond laser pulses
Markus Gabrysch1, Mara Bruzzi2, Riccardo Mori2,
Michael Moll1Hannes Neugebauer1,
Marcos Fernandez Garcia3
PH-DT-DD, CERN (CH)
INFN and University of Florence (IT)
3 IFCA-Universidad de Cantabria (ES)
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th - 16th November 2012
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
Outline
1.Motivation/Aim
2.Setup and diodes
3.Photocurrent during illumination
4.TCAD simulations
5.Measurements and method
6.Conclusions
2
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
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)
Previous work: see e.g. Kramberger, Cindro, Mandic, Mikuz, Zavrtanika,Determination of detrapping times in semiconductor detectors”(2012 JINST 7 P04006)
3
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
Setup and Diodes
4
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
CERN TCT setup
  for µs-pulses
Red laser illumination with variable pulse width (0.5 - 20µs)
Variable bias voltage with T-Bias (20kHz-10GHz, HV < 200V)
Amplifier was not used (to have maximal bandwidth, but: ~1mV signals)
Temperature controlled (flushed with dry air for T < 10°C)
5
660 nm
Pulsed laserrandomized trigger (100Hz)
DUT
T-Bias
HV
Oscilloscope
Laser gets absorbedin first 3µm
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
Investigated diodes
6
Material:    Micron, 300µm, FZ p- and n-type
Irradiation:   24GeV protons with  = 51014, 11014, 51013, 11013 p/cm-2
Annealing:   80min at 60°C
Illumination: front (back fully metalized)
Pad: 4.5  4.5 mm2
window:
1.5  1.5 mm2
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
D:\_WinXP_Partition\_brennen\_Jobb\CERN\Mara DLTS-TCT\1211\121109 FZ_2328-11_A_Set1612 (Red,-15C_35C,0.25-5us)\FZ_2328-11_A_Set1612Set=12Pulses0.25to5us.png
Example of transient current
TCT signals have been measured (up to 50µs after illumination)
Temperature range investigated: ca. -10 to 30°C
Stability of signal confirmed by recording 10 times the (same) waveformwhich itself is an average of 1024 shots
7
Example:
1e14p/cm2
n-in-p (holes transport)
T = 21C
Bias: 50, 100, 150V
Pulse length: 0.25-5µs
660nm, top illumination
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
Photocurrent during illumination
8
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
D:\_WinXP_Partition\_brennen\_Jobb\CERN\Mara DLTS-TCT\1211\121111 FZ_2328-11_A_Set1613 (Red,-15C_35C,0.25-5us)\FZ_2328-11_A_Set1613Set=0Pulses0.5to2us.png
Photocurrent during illumination
Current can drop during illumination
Happens mostly for lower bias voltage and lower temperature
9
D:\_WinXP_Partition\_brennen\_Jobb\CERN\Mara DLTS-TCT\1211\121111 FZ_2328-11_A_Set1613 (Red,-15C_35C,0.25-5us)\FZ_2328-11_A_Set1613Set=7Pulses0.5to2us.png
T = 21C
Example: 5e14p/cm2, n-in-p (holes transport)
T = 1C
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
Photocurrent during illumination
Current can drop during illumination
Happens mostly for lower bias voltage and lower temperature
This effect is also visible in TCAD simulationsand can be explained by a reduction of the active volume due totrapped charges
10
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
TCAD Simulations
(Synopsis)
11
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
Synopsis TCAD Simulation of TCT signal of irradiated diode
Device
silicon: p-type; 5e11cm-3 boron  (Vdep(300µm)=35V; 25kcm)
bulk dimensions: 300101 µm3 (x-y-z)
diode: n-p-p
1 defect: D01 – CiOi (donor): E = 0.36eV, e= 2.1e-18 cm2= 2.5e-15 cm2      generation rate : g = 0.7 cm-1 (24GeV/c protons) such that Ndefect =  
Light pulse
660 nm, 10mW/cm2
linear rise and linear fall in intensity from 0 to 100% in 1ns
pulse length (variable, µs-order)
Physics
Simulation: Synopsys TCAD F-2011.09
Temperature: 300K
Leakage current via SRH lifetime “generated” (more details in M.Moll’s talk tomorrow)
12
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
Synopsis TCAD Simulation of TCT signal of irradiated diodes
13
O:\Michael\backup\PCRD5004-TCAD-120830\STDB_mmoll\mm014\inspect-pulse-01-50-150V.png
=1e13 p/cm2
=1e14 p/cm2
=1e15 p/cm2
simple lines = 50V
marked lines = 150V
Note:
All currents for thesimulated volume of300101 µm3
In experiment wehave diodes with30050005000 µm3
we need a scalingfactor of 2.5e6 suchthat, e.g., Idark for1e14p/cm2 is 30µA(but in exp.: 100µA)
Idark
Idark
Idark
10µs pulse
All data for 300K
Light OFF
Light ON
Light OFF
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
O:\Michael\backup\PCRD5004-TCAD-120830\STDB_mmoll\mm014\inspect-pulse-01-50-150V-close.png
Why do we have higher transients for lower bias voltage?
14
=1e13 p/cm2
=1e14 p/cm2
=1e15 p/cm2
simple lines = 50V
marked lines = 150V
Light OFF transient
Observations:
High transientamplitude after lightpulse for lower voltage
We have a better trapfilling for lower voltage
This can be seen in thedefect occupancy ploton next slide
Light OFF
Light ON
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
D:\_WinXP_Partition\_brennen\_Jobb\CERN\Mara DLTS-TCT\1211\121109 FZ_2328-11_A_Set1612 (Red,-15C_35C,0.25-5us)\FZ_2328-11_A_Set1612Set=12Pulses0.25to5us.png
Example from slide 7
15
Example:
1e14p/cm2
n-in-p (holes transport)
T = 21C
Bias: 50, 100, 150V
Pulse length: 0.25-5µs
660nm, top illumination
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
O:\Michael\backup\PCRD5004-TCAD-120830\STDB_mmoll\mm014\inspect-pulse-01-50-150V-occupancy.png
Defect Occupancy at x=150µm
16
=1e13 p/cm2
=1e14 p/cm2
=1e15 p/cm2
simple lines = 50V
marked lines = 150V
Observations:
Higher defectoccupancy for lowervoltage
This is a result of higherhole density for lowervoltage
10µs pulse
150V
50V
Light OFF
Light ON
Light OFF
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
O:\Michael\backup\PCRD5004-TCAD-120830\STDB_mmoll\mm014\inspect-pulse-01-50-150V-densities.png
Electron and Hole Densities at x=150µm for =1e14 p/cm2
17
Hole density
Electron density
simple lines = 50V
marked lines = 150V
Explanation:
Higher hole density forlower voltage higher occupancy larger transient
Note: the transientcurrents for 50 and 100Vin the case of 1e14p/cm2were the same. Since vdriftis lower for 50V we needhigher carrier density toobtain the same current.
10µs pulse
150V
50V
Light OFF
Light ON
Light OFF
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
Why do we see a current drop for high fluence and low bias?
18
O:\Michael\backup\PCRD5004-TCAD-120830\STDB_mmoll\mm014\inspect-pulse-01-50-150V.png
=1e13 p/cm2
=1e14 p/cm2
=1e15 p/cm2
simple lines = 50V
marked lines = 150V
Idark
Idark
Idark
10µs pulse
Observations:
Current drops duringillumination for 50Vand 1e15 p/cm2
Light OFF
Light ON
Light OFF
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
O:\Michael\backup\PCRD5004-TCAD-120830\STDB_mmoll\mm014\inspect-mm014-007-1e15-300K.png
Observation:
Decrease in current for50V for highestfluence 1e15 p/cm2
This is a result of areduction of the activevolume due to theopposing field fromoccupied defects
The leakage currentdrops and gives anegative contribution totransient photocurrent
Current drop for high fluence and low voltage  (Voltage scan)
19
10µs pulse
20V
50V
Light OFF
Light ON
300K, =1e15 p/cm2
time [s]
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
Time evolution of E-field     and     space charge density
20
O:\Michael\backup\PCRD5004-TCAD-120830\STDB_mmoll\mm014\tecplot-0014-n417-efield.png
D:\_WinXP_Partition\_brennen\_Jobb\CERN\Conferences & Visits\121114 - CERN - RD50 Workshop\Talk\tecplot-0014-n417-space-charge.png
t
t
t
40V
40V
For voltages below 60V thedetector goes into underdepletionat the front junction during thepulse which leads to a reduction inphotocurrent
Figure shows space charge signinversion (from neg. to pos. spacecharge)
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
Measurements and Method
21
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
22
Signal Components
For irradiated detectors we expect the current AFTER illumination to be ofthe form:
In the case of two time-constants:with free parameters A1A21 and 2.
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
D:\_WinXP_Partition\_brennen\_Jobb\CERN\Mara DLTS-TCT\1211\121111 FZ_2328-11_A_Set1613 (Red,-15C_35C,0.25-5us)\Plots for Talk\FZ_2328-11_A_Set1613_FitTau2_Bias = -50V_Set=0Pulses1.5us.png
Tau extraction for “slow” transient: 2
23
General model:
I(t)= a*exp(-t/tau)+z
a = 0.92µA
tau = 26µs
Fitting process:
Averaged data witherrorbars = std of10 “identical”measurements
Only fitting to “tail” oftransient: 2
95% confidenceinterval also obtained
=5e14 p/cm2
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
D:\_WinXP_Partition\_brennen\_Jobb\CERN\Mara DLTS-TCT\1211\121111 FZ_2328-11_A_Set1613 (Red,-15C_35C,0.25-5us)\FZ_2328-11_A_Set1613-tau2vsTemp_Bias-50V_Sets0to21_sep.png
Tau extraction for “slow” transient: 2
24
Each temperature wasmeasured twice (0 to30C and down to 0C)
Data shows correct trendand is reproducible
Tau extraction seems towork for “slow” transient
=5e14 p/cm2
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
D:\_WinXP_Partition\_brennen\_Jobb\CERN\Mara DLTS-TCT\1211\121111 FZ_2328-11_A_Set1613 (Red,-15C_35C,0.25-5us)\Plots for Talk\FZ_2328-11_A_Set1613_FitTau1_Bias = -50V_Set=0Pulses1.5us.png
Tau extraction for “fast” transient: 1
25
General model:
I(t)= a*exp(-t/tau)+z
a = 0.52µA
tau = 1.9µs
Fitting process:
“Slow” transientsubtracted beforefitting toaveraged data witherrorbars = std of10 “identical”measurements
Nearly all points afterillumination are taken
=5e14 p/cm2
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
D:\_WinXP_Partition\_brennen\_Jobb\CERN\Mara DLTS-TCT\1211\121111 FZ_2328-11_A_Set1613 (Red,-15C_35C,0.25-5us)\FZ_2328-11_A_Set1613-tau1vsTemp_Bias-50V_Sets0to21_sep.png
Tau extraction for “fast” transient: 1
26
Each temperature wasmeasured twice (0 to30C and down to 0C)
Data shows big spreadfor low temperature
Tau extraction seems tofail for “fast” transient
=5e14 p/cm2
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
27
Parameter extraction: -fitting & Arrhenius plot
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
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
D:\_WinXP_Partition\_brennen\_Jobb\CERN\Mara DLTS-TCT\1211\121111 FZ_2328-11_A_Set1613 (Red,-15C_35C,0.25-5us)\FZ_2328-11_A_Set1613_Arrhenius_tau2_Bias-50V_Sets0to21_sep.png
Arrhenius plot for “slow” transient: 2
28
from slope:
Eth = 0.32eV
from Intercept &= 1.8x1025 s-1(mK)-2
= 1.4x10-16 cm2
PRELIMINARY
=5e14 p/cm2
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
D:\_WinXP_Partition\_brennen\_Jobb\CERN\Mara DLTS-TCT\1211\121111 FZ_2328-11_A_Set1613 (Red,-15C_35C,0.25-5us)\FZ_2328-11_A_Set1613_Arrhenius_tau1_Bias-50V_Sets0to21_sep.png
Arrhenius plot for “fast” transient: 1
29
from fit:
Eth  0.1eV
h  1x10-19 cm2
PRELIMINARY
=5e14 p/cm2
Not physicallyreasonable
 maybe effect from      electronics?
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
http://www.distinctiveleadership.com.au/wp-content/uploads/2011/04/conclusion.jpg
Conclusions

Varying both pulse length and bias voltage together with TCAD simulations gave better understanding of the current transient formation
But we need to …
improve the extraction of the time constants i from 𝐼 𝑡  or    𝐼 𝑡 𝑑𝑡 (fitting to exp+exp is numerically very ill-conditioned)
increase the detrapping signal by choosing the “optimal” pulse length(for given temperature and bias voltage)
Study behaviour with IR laser (1060nm, instead of 660nm)which has much higher penetration depth
…
30
21th  RD50 Workshop, CERN, 14th – 16th November 2012
Thanks for your attention!
31