Alpha particle silicon detectors based on induced junction

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2021-01-25
Department
Major/Subject
Photonics and Nanotechnology
Mcode
ELEC3052
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
48
Series
Abstract
Detection of alpha particles is an important safety measure in applications producing alpha radiation. Silicon-based alpha detectors have taken their place in the industry due to their desirable properties, such as small size and inexpensive manufacturing. The operation principle of the silicon detectors has traditionally based on a p-n junction created by external doping. However, doping results in an area of high recombination near the surface of the detector often called a dead layer. The energy resolution and efficiency of the detector suffer from the dead layer and thus it is rather surprising that this issue has not been solved yet in state-of-the-art detectors. In this thesis, a novel idea to overcome the above-mentioned dead layer issue is proposed. Instead of using external doping, the junction could be realized as an induced junction using a highly charged dielectric layer. The main goal is to study whether this idea is realistic and to develop a possible fabrication process for such induced junction alpha detectors. First, the principles of alpha particle detection are reviewed to recognize the most important aspects and a baseline alpha detector fabrication process is built. Leakage current is identified as an especially important property, and hence additional test measurements are performed to optimize it. The findings are then applied to create a more advanced process flow. Finally, both process flows are used to fabricate the actual detectors, which are then characterized with IV/CV and alpha spectroscopy measurements. The results show that functional alpha detectors can be fabricated without a need for external doping using the proposed idea for the induced junction technology. In fact, multiple induced junction detectors reach leakage currents close to 50 pA/mm2, which compares well with detectors produced by the market leaders. Test measurements show that the induced junction has a hundred times lower dark surface saturation current than implanted junction. Preliminary alpha spectroscopy demonstrates that the detectors can clearly distinguish particles emitted by different alpha emitters although the used setup was insufficient for accurate determination of energy resolution. The detectors are currently being measured in an industrial setting, which will provide accurate device performance data. Nevertheless, the leakage currents already indicate that utilizing the induced junction could be a promising option for achieving improved energy resolution with alpha detectors.

Alfasäteilyä hyödyntävissä sovelluksissa on turvallisuussyistä tärkeää pystyä havaitsemaan säteilyn voimakkuutta. Piipohjaiset alfailmaisimet ovat ottaneet paikkansa teollisuudessa hyvien ominaisuuksiensa, kuten pienen koon ja halvan tuotannon vuoksi. Pii-ilmaisimien operaatioperiaate on perinteisesti perustunut ulkoisesti seostettuun p-n -liitokseen. Seostus aiheuttaa kuitenkin ilmaisimen pintaan korkean rekombinaation alueen, jota kutsutaan kuolleeksi kerrokseksi. Ilmaisimen energiaresoluutio ja tehokkuus kärsivät kuolleesta kerroksesta ja onkin yllättävää, ettei ongelmaa ole nykyilmaisimissa ratkaistu. Tässä työssä ehdotetaan uutta ideaa ratkaista kuolleen kerroksen ongelma. Ulkoisen seostuksen sijaan liitos voitaisiin toteuttaa indusoituneena liitoksena käyttäen vahvasti varattua eristekerrosta. Tämän työn tavoitteena on tutkia, olisiko tämä ehdotus mahdollinen, ja kehittää vastaava valmistusprosessi indusoiduille ilmaisimille. Alfahiukkasten havaitsemisen perusteet kerrataan, jotta tärkeimmät osa-alueet voidaan tunnistaa. Näiden pohjalle tehdään prosessi, joka toimii lähtökohtana prosessikehitystä varten. Vuotovirta havaitaan erityisen tärkeäksi ominaisuudeksi ja testimittauksia suoritetaan sen optimoimiseksi. Löydöksiä sovelletaan seuraavaksi edistyneen prosessivuon luomiseksi. Sekä lähtökohtaprosessilla että edistyneellä prosessivuolla valmistetaan lopuksi ilmaisimet, jotka karakterisoidaan IV/CV- ja alfaspektroskopiamittauksilla. Tulokset osoittavat, että toimivia alfailmaisimia voidaan valmistaa ilman ulkoista seostamista käyttäen indusoitua liitosta. Useampi indusoitu ilmaisin saavutti 50 pA/mm2 vuotovirran, joka vertautuu hyvin markkinajohtajien ilmaisimiin. Testimittaukset näyttävät, että indusoidulla liitoksella on yli sata kertaa pienempi pimeä saturaatiovirta kuin implantoidulla liitoksella. Alustava alfaspektroskopia-analyysi todistaa, että ilmaisimet erottavat selvästi eri säteilijöiden emittoimat hiukkaset, vaikka mittaussysteemi olikin riittämätön tarkan energiaresoluution määrittämiseen. Ilmaisimia mitataan parhaillaan teollisessa ympäristössä, mikä tulee antamaan tarkkaa dataa ilmaisimien toimintakyvystä. Jo vuotovirrat kuitenkin osoittavat, että indusoidun liitoksen käyttö voi olla lupaava vaihtoehto paremman energiaresoluution saamiseksi alfailmaisimilla.
Description
Supervisor
Savin, Hele
Thesis advisor
Pasanen, Toni
Keywords
alpha radiation, silicon detectors, induced junction, leakage current, alpha spectroscopy
Other note
Citation