Atomikerroskasvatuksella tuotettujen ohutkalvojen soveltaminen puolijohdeilmaisimiin

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Piitä käytetään laajasti erilaisissa säteily- ja hiukkasilmaisimissa sen matalan hinnan, hyvän saatavuuden ja valmistettavuuden takia. Piistä valmistettuja pikseli-ilmaisimia käytetään myös hiukkasten ratojen määrittämiseen korkeaenergiafysiikan kokeissa, mukaanlukien kaikissa Suuren Hadronitörmäyttimen (Large Hadron Collider, LHC) koeasemissa. Näissä vallitsevat hyvin haastavat olosuhteet pii-ilmaisimille, erityisesti korkeiden säteilytasojen muodossa. Lisäksi ilmaisimilta edellytetään hyvä paikkaresoluutio ja nopeaa signaalinmuodostusta LHC:n 40 MHz:ntaajuudessa. Tämä tutkielma käsittelee atomikerroskasvatus -menetelmällä (atomic layer deposition, ALD) kasvatettujen alumiinioksidiohutkalvojen (Al2O3) käyttöä pii-pikseli-ilmaisimissa eristeenä ja pintapassivointina. Negatiivisen oksidivarauksensa vuoksi tämä materiaali on lupaava vaihtoehto yleisesti käytetylle piioksidille (SiO2) ja eristävälle ioni-implantoinnille korkean paikkaresoluution pikseli-ilmaisimissa, jollaisia kehitetään useisiin tuleviin koeasemien päivityksiin ja kokonaan uusiin hiukkasfysiikan kokeisiin. Tässä esitetyssä lähestymistavassa pyritään myös vähentämään säteilyn aiheuttamaa pii-ilmaisimen toimintakyvyn heikkenemistä käyttämällä kapasitiivisesti kytkettyjä ilmaisimia, joissa Al2O3 toimii kytkintäeristeenä ja kuvioitu titaaninitridikalvo bias-vastuksena. Aluksi tutkitaan Al2O3-ohutkalvojen pintapassivointia ja sähköisiä ominaisuuksia n- ja p-tyypin float zone -piissä kasvatuksen jälkeisen lämpökäsittelyn lämpötilan funktiona. P-tyypin Czochralski-piissä, joka on tämän tutkimuksen ensisijainen kohdemateriaali pikseli-ilmaisimille, eri hapen lähtöaineella kasvatettuja Al2O3-ohutkalvoja tutkitaan ensin kontaktittomilla karakterisointimenetelmillä ja myöhemmin diodeissa ja MOS-kondensaattoreissa. Vaikka perinteisesti käytetty vesi lähtöaineena tarjoaa korkeimmat rekombinaatioelinajat sekä parhaat läpilyöntiominaisuudet diodeissa, näin kasvatettujen kalvojen oksidivaraus jää verrattain matalaksi ja kompensoituu nopeasti positiiviseksi gammasäteilytyksen vaikutuksesta. Otsonilla kasvatetuilla kalvoilla varaus on korkeampi ja sen säteilynkestävyys on parempi. Ottaen huomioon kaikki näin saadut tulokset, veden ja otsonin yhdistelmä osoittautuu tässä tapauksessa parhaaksi hapen lähtöaineeksi ALD:ssa. Tämän lisäksi tutkitaan tarkemmin vedellä kasvatetuissa Al2O3-kalvoissa esiintyvää blisteröintiä ja esitellään uusia havaintoja tämän ilmiön kytkeytymisestä piisubstraatin dopaukseen. Lopuksi kuvaillaan pikseli-ilmaisimien prosessointia, kiinnittäen erityistä huomiota ALD-prosessivaiheisiin, sintrauslämpötilaan sekä TiN -vastusten valmistamiseen. Pikseli-ilmaisimissa alumiinioksidia kasvatetaan vesi-otsoni -lähdeaineyhdistelmällä perustuen yllä mainittuihin materiaalitason tuloksiin. Ilmaisimien flip-chip -bondaus CMS PSI46dig -lukuelektroniikkasiruun ja niiden testaaminen radioaktiivisilla lähteillä vahvistavat, että AC-kytketyt alumiinioksidia hyödyntävät pikseli-ilmaisimet soveltuvat korkeaenergiafysiikan jälki-ilmaisimiksi.
Julkaisun otsikon käännösAtomikerroskasvatuksella tuotettujen ohutkalvojen soveltaminen puolijohdeilmaisimiin
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Savin, Hele, Vastuuprofessori
  • Luukka, Panja, Ohjaaja
  • Härkönen, Jaakko, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-0276-5
Sähköinen ISBN978-952-64-0277-2
TilaJulkaistu - 2021
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • pii
  • pikseli-ilmaisin
  • säteilynkestävyys
  • atomikerroskasvatus
  • alumiinioksidi

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Atomikerroskasvatuksella tuotettujen ohutkalvojen soveltaminen puolijohdeilmaisimiin'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä