Development of infrared silicon BIB detectors with integrated linear amplification [Elektronische Ressource] / Valentin Fedl

Valentin Fedl

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• Physik

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• Publié par: universitat_siegen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 19
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 15 Mo

Extrait

DEVELOPMENT OF INFRARED SILICON
BIB DETECTORS WITH INTEGRATED
LINEAR AMPLIFICATION
DISSERTATION
zur Erlangung des Grades eines Doktors
der Naturwissenschaften
vorgelegt von
Valentin Fedl
eingereicht beim Fachbereich Physik
der Universität Siegen
Siegen, 2011
angefertigt am
Halbleiterlabor der Max-Planck-Institute für Physik und für
extraterrestrische Physik MünchenErster Gutachter: Prof. Dr. Lothar Strüder
Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Ullrich Pietsch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.5.2011Abstract
Topic of the thesis is the investigation of semiconductor radiation detectors at cryo-
genic temperatures, which are based on the DEpleted P-channel Field Effect Transistor
(DEPFET) active pixel sensor and the Blocked Impurity Band (BIB) detector concept.
The DEPFET is a monolithic sensor-amplifier combination, which is able to determine
the amount of signal electrons with very low noise. The BIB detector is a mid-infrared
sensor, which is sensitive in the 5 mm to 40 mm bandwidth.
The main subject is the investigation of the basic detector’s physical mechanisms at cryo-
genic conditions. It was the purpose of this thesis to develop a physical model for the
properties of this active pixel sensor operated at cryogenic temperatures. Special empha-
sis was given to the amplification mechanisms of the DEPFET and the removal of trapped
signal charge from the transistor’s gate. A detailed modeling of the electric field inside
the transistor’s bulk was required to describe the device properties correctly. Based on
the understanding of the electron dynamics in the signal collection area with electrons
partially trapped in shallow donor states a method for complete signal charge reset was
established. It is the basis for proper device operation and was successfully implemented.
The predictions of the developed model and the experimental results were very good. The
understanding of the device behaviour at cryogenic temperatures and the consistent ex-
perimental verification are a sound basis for the final integration of the DEPFET element
in a mid-infrared detector system.Kurzfassung
Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung von Halbleiter Strahlungsdetektoren bei
kryogenischen Temperaturen, die auf den DEpleted P-channel Field Effect Transistor
(DEPFET) aktiven Pixelsensor und das Blocked Impurity Band (BIB) Detektor Konzept
basieren. Der DEPFET ist eine monolithische Sensor-Verstärker Kombination, der die
Anzahl von Signalelektronen mit einem geringen Rauschen bestimmen kann. Der BIB
Detektor ist ein Sensor im mittleren Infrarot, der im Wellenlängenbereich von 5 mm bis
40 mm sensitiv ist.
Das Hauptthema befasst sich mit der Untersuchung von physikalischen Mechanismen im
Detektor bei kryogenischen Temperaturen. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Entwick-
lung eines physikalischen Modells, welches die Eigenschaften dieses aktiven Pixelsensors
für den Betrieb bei tiefen Temperaturen beschreibt. Der Schwerpunkt lag vor allem bei
den Verstärkungsmechanismen im DEPFET und das Entfernen von getrappten Signal-
ladungsträgern aus dem Gate des Transistors. Dabei wurde ein ausführliches Modell der
elektrischen Felder im Bulk des Transistors benötigt, um die Eigenschaften des Bauele-
ments genau zu beschreiben. Es wurde eine Methode zum vollständigen Löschen der
Signalladung entwickelt, die auf das Verständnis der Elektronendynamik in dem Sammel-
bereich, indem die Elektronen teilweise in die flachen Störstellen getrappt sind, basiert.
Sie bildet die Grundlage für einen einwandfreien Betrieb und wurde erfolgreich imple-
mentiert. Die Vorhersagen des entwickelten Modells und der experimentellen Ergebnisse
waren sehr gut. Das Verständnis des Bauelementeverhaltens bei kryogenischen Tempera-
turen und die konsistente experimentelle Verifikation bilden eine gute Grundlage für die
finale Integration des DEPFET Elements in ein Mittelinfrarotsensor-System.CONTENTS I
Contents
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Infrared detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Thermal detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 The conventional extrinsic photodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.1 Energy band structure and functional principle . . . . . . . . . . . 9
1.4.2 Drawbacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 The concept of a BIB detector with integrated linear amplification 11
2.1 Fundamental concept of the BIB structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Energy band structure of heavily doped Silicon . . . . . . . . . . . 12
2.1.2 The BIB structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 The DEPFET detector concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Functional principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 The combination DEPFET - BIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 The properties of doped semiconductors at cryogenic temperatures 23
3.1 The hydrogen model of shallow donor states . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 The Poole-Frenkel effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 The metal-insulator transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.1 Insulating regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.2 Intermediate regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.3 Metallic regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 The investigation of the DEPFET at cryogenic conditions 31
4.1 Setup for the DEPFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31II CONTENTS
4.1.1 Thermal control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.1.2 Readout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 Characterisation of the p-MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3 Spectroscopic measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.1 Sample schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.2 Clear performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.3 Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5 The investigation of BIB detector test structures 51
5.1 Material and Design of the BIB structure device . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2 Setup for the BIB structure measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2.1 Thermal control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.2 Biasing and readout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.3 Electron transport measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3.1 The blocking mechanism and impurity band conduction . . . . . . . 54
5.3.2 Intrinsic electric fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
+5.3.3 Influence of the p -contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6 The reset mechanism of the DEPFET at cryogenic temperatures 65
6.1 The reset problem at cryogenic temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.1.1 Freeze-out of free charge carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.1.2 A new method for the reset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.2 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.2.1 Electric field enhanced emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.2.2 field dependent recombination . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2.3 DEPFET Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2.4 Electron transport in the internal gate . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3 The finite difference method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3.2 Electron dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4 Experimental results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.4.1 Dependence on the gate- and clear pulse width . . . . . . . . . . . . 97
6.4.2 Gate pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.4.3 Temperature dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.5 Review of the experimental and theoretical methods . . . . . . . . . . . . . 108
6.6 Future prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.6.1 Proposal for a new design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.6.2 Source pulsing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.6.3 Burst mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112CONTENTS III
6.7 Summary of chapter 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7 Conclusion 115
References IIV CONTENTS1
Chapter 1
Introduction
1.1 Motivation
The universe sends us a tremendous amount of information in the form of electroma