Simulation of Guard Ring Type Effects on the Electrical Characteristics of n-on-p Planar Silicon Detectors

Abstract

Оновлення високоенергетичних фізичних експериментів на великому адронному коллайдері (LHC) у ЦЕРНі вимагатиме застосування нових випромінювальних технологій у наступних поколіннях пристроїв стеження, які будуть необхідні для витримування надзвичайно високих доз опромінення. Планарні піксельні датчики n-on-p є перспективними кандидатами і повинні бути реалізовані у майбутньому піксельному детекторі ATLAS. У роботі представлено порівняльне дослідження двох різних конструкцій багатозахисних структур до і після опромінення. Обидві структури засновані на технології підкладки p-типу з та без стопорної ізоляції між імплантами. Більш того, одна структура має захисні кільця p-типу, в той час як інша – n-типу. Для вивчення електричних характеристик конструкцій змінювалися різні технологічні параметри, такі як товщина і легування кремнієвої підкладки, глибина і легування захисних кілець, та товщина діоксиду кремнію. Ефективність багатозахисних кільцевих структур оцінюється за допомогою моделювання TCAD до флюенсу випромінювання 1×10+16 neq/см2 з використанням існуючої моделі об'ємного радіаційного пошкодження p-типу на основі так званої "Perugia tri level traps model", де опромінення генерує два акцепторних рівня, розташованих трохи вище середньої забороненої зони, і один донорний рівень, розташований трохи нижче середини забороненої зони. Ми розглянули збільшення кількості оксидного заряду з ростом дози опромінення. Для високоякісного шару SiO2 початкова щільність заряду на інтерфейсному шарі встановлювалася рівною 5×10+10 cm–2 для неопроміненого детектора, тоді як для сильно опроміненої структури значення щільності заряду може сягати 1×10+12 cm–2. Вони моделювалися на високоомних кремнієвих пластинах з використанням програмного забезпечення Silvaco Virtual Wafer Fab (VWF).

The upgrades of high-energy physics experiments at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN will call for new radiation hard technologies to be applied in the next generations of tracking devices that will be required to withstand extremely high radiation doses. N-on-p planar pixel sensors are promising candidates and to be implemented in the future ATLAS pixel detector. In this work, we present a comparative study for two different designs of multi-guard structures, before and after irradiation. Both structures are based on the p-type substrate technology with and without p-stop isolation between implants. Moreover, one structure has p-type guard rings while the other has n-type ones. Various technological parameters are varied like thickness and doping of the silicon substrate, depth and doping of the guard rings, and thickness of the silicon dioxide to study the electrical performances of the structures. The performance of the multi-guard ring structures are evaluated with TCAD simulations up to a radiation fluence of 1 x 1016 neq/cm2 using an existing p-type bulk radiation damage model based on the so called "Perugia three level traps model", where irradiation generates two acceptor levels, positioned slightly above the mid bandgap, and one donor level, located below the mid bandgap. We have considered an increasing amount of oxide charge with the irradiation dose. For a good quality SiO2 layer, an initial charge density at the interface layer was set to 5 x 1010 cm–2 for a non-irradiated detector, whereas for a heavily irradiated structure the charge density value can reach 1 x 1012 cm–2. They have been simulated on high resistivity silicon wafers using Silvaco Virtual Wafer Fab (VWF) software.