Positron lifetime spectroscopy : digital spectrometer and experiments in SiC
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2006-06-29
Major/Subject
Fysiikan instrumentointi ja puolijohdefysiikka
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
46, [44]
Series
Dissertation / Laboratory of Physics, Helsinki University of Technology, 141
Abstract
A digital positron lifetime spectrometer has been designed, set up and tested comprehensively. The system consists of a fast commercial digitizer connected to a computer, a simple coincidence circuit and software to extract the timing from the collected detector pulses. The system has the same time resolution as a conventional analog apparatus using the same detectors. The pulse processing part of the spectrometer is able to analyze and store in real time several thousands of events per second, which is an order of magnitude more than the count rates in typical positron lifetime experiments. The data acquisition can handle small pulses, down to a few tens of millivolts, and its time scale linearity and stability are very good. Positron spectroscopy has been used to study native vacancy defects in High Temperature Chemical Vapor Deposition grown semi-insulating silicon carbide. The material is shown to contain (i) vacancy clusters consisting of 4-5 missing atoms and (ii) Si vacancy related negatively charged defects. The growth of the clusters due to the annealing of the samples was observed. The total open volume bound to the clusters anticorrelates with the electrical resistivity both in as-grown and annealed material. It is concluded that Si vacancy complexes compensate electrically the as-grown material, but are suggested to migrate to increase the size of the clusters during annealing, leading to loss of resistivity.Description
Väitöskirja käsittelee positronin elinaikaspektroskopian kehittämistä ja käyttöä puolijohdetutkimukseen. Positronispektroskopia on menetelmä, jota käytetään kiinteiden aineiden sisältämän tyhjän tilan tutkimiseen. Tyypillinen käyttökohde menetelmälle on esimerkiksi vakanssityyppisten hilavirheiden tutkimus kiteisissä aineissa, kuten metalleissa tai puolijohteissa. Piikarbidi (SiC) on lupaava puolijohdemateriaali käyttökohteisiin, jotka vaativat esimerkiksi suurta taajuutta, suuria jännitteitä tai suuria lämpötiloja.
Väitöskirjassa on kehitetty positronispektroskopiaa toteuttamalla digitaalinen positronin elinaikalaitteisto ja tutkimalla laitteiston ominaisuuksia ja toimintaa. Laitteistossa positronien elinajat määritetään havaitsemalla tuikeilmaisimilla positronien syntymisessä ja annihilaatiossa emittoituvat gammakvantit. Ilmaisimien pulssit digitoidaan, ja pulsseja vastaavat ajanhetket ym. pulssinkäsittely suoritetaan tietokoneohjelmalla.
Väitöskirjassa on myös tutkittu HTCVD menetelmällä kasvatetun puolieristävän piikarbidin ominaisuuksia positronispektroskopian avulla. Mittaustulokset osoittavat, että materiaali sisältää vakanssiklustereita, joiden koko vaihtelee noin 5-30 atomin välillä. Klustereiden koko kasvavaa toivutuksessa korkeassa lämpötilassa (1600 °C), ja niiden esiintyminen on haitallista materiaalin puolieristävyyden kannalta.
Supervising professor
Hautojärvi, Pekka; Prof.Keywords
positron lifetime spectrometer, digital, timing, SiC, HTCVD, semi-insulation, vacancy clusters
Other note
Parts
- K. Rytsölä, J. Nissilä, J. Kokkonen, A. Laakso, R. Aavikko and K. Saarinen, Digital measurement of positron lifetime, Applied Surface Science 194 (1-4) (2002) pp. 260-263. [article1.pdf] © 2002 Elsevier Science. By permission.
- R. Aavikko, K. Rytsölä and J. Nissilä, Linearity tests of a Digital Positron Lifetime Spectrometer, Materials Science Forum 445-446 (2004) pp. 462-464. [article2.pdf] © 2004 Trans Tech Publications. By permission.
- J. Nissilä, K. Rytsölä, R. Aavikko, A. Laakso, K. Saarinen and P. Hautojärvi, Performance analysis of a digital positron lifetime spectrometer, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 538 (2005) pp. 778-789. [article3.pdf] © 2005 Elsevier Science. By permission.
- R. Aavikko, K. Rytsölä, J. Nissilä and K. Saarinen, Stability and performance characteristics of a Digital Positron Lifetime Spectrometer, Acta Physica Polonica A 107 (2005) pp. 592-597.
- R. Aavikko, K. Saarinen, B. Magnusson and E. Janzén, Clustering of vacancies in semi-insulating SiC observed with positron spectroscopy, Materials Science Forum, in print. [article5.pdf] © 2006 Trans Tech Publications. By permission.
- R. Aavikko, K. Saarinen, F. Tuomisto, B. Magnusson, N. T. Son and E. Janzén, Clustering of vacancy defects in high-purity semi-insulating SiC, arXiv:cond-mat/0603849.
- B. Magnusson, R. Aavikko, K. Saarinen, N. T. Son and E. Janzén, Optical studies of deep centers in semi-insulating SiC, Materials Science Forum, in print. [article7.pdf] © 2006 Trans Tech Publications. By permission.