Radiation-Hard 4H Silicon Carbide Particle Detectors for High-Energy Physics and Medical Applications

Abstract

Zukünftige Teilchenphysikexperimente mit hoher Luminosität stellen extreme Anforderungen an Detektormaterialien hinsichtlich der Positions- und Zeitauflösung für Leptonen-Kollider sowie der Strahlenhärte für Hadronen-Kollider dar. Im Vergleich zum gängigen Silizium stellt das Wide-Bandgap Halbleitermaterial 4H-Siliziumkarbid (4H-SiC) eine Alternative mit überlegener Strahlenhärte dar, da es auch nach Bestrahlung mit hohen Fluenzen extrem geringe Leckströme aufweist. Durch jüngste Verbesserungen in der Materialqualität und Kosten, die auf Investitionen der Leistungselektronikindustrie zurückzuführen sind, sind großflächige 4H-SiC-Detektoren realisierbar geworden. Neben der Strahlenhärte von 4H-SiC sprechen auch die Unempfindlichkeit gegenüber sichtbarem Licht und die geringe Temperaturabhängigkeit dafür, dass das Material ein vielversprechender Kandidat für medizinische Anwendungen wie Strahlmonitore und Dosimetrie ist.In dieser Dissertation werden 4H-SiC-Detektoren, die von IMB-CNM-CSIC (Barcelona) hergestellt wurden, mithilfe von Labormessungen, Simulationen und Bestrahlungsstudien untersucht.Monte-Carlo-Simulationen wurden im Allpix 2 Framework durchgeführt, um die Zeitauflösungsgrenzen von 4H-SiC-Detektoren zu untersuchen. Dabei wurden der Beitrag des Jitters (Signal-zu-RauschVerhältnis) sowie die stochastischen Fluktuationen der Energiedeposition durch ionisierende Strahlung (Landau-Fluktuationen) berücksichtigt.Der Hauptfokus dieser Dissertation liegt jedoch auf der experimentellen Charakterisierung von 4HSiC-Detektoren. Zu diesem Zweck wurden drei neue Laboraufbauten in Betrieb genommen oder überholt. Hierzu zählen eine Probestation für Hochspannungen bis 3 kV, ein Vakuumaufbau für Alphaspektroskopie sowie ein UV-Laser-basiertes Setup für Transient-Current-Technique-(TCT)-Messungen. Mithilfe dieser Aufbauten wurden fundamentale Materialeigenschaften wie die Ladungsträgerdriftgeschwindigkeiten oder die Ionisationsenergie von 4H-SiC gemessen. Darüber hinaus werden Ergebnisse von Wafer-Level-Charakterisierungen von sechs Zoll großen 4H-SiC-Wafern vorgestellt, die von HEPHY entworfen und von CNM produziert wurden. Zusätzlich wurde eine neuartige Hochfrequenzausleseelektronik mit einer Bandbreite von 6 GHz entwickelt, welche erstmals die experimentelle Messung des transienten Stroms des Ladungsträgerdrift in 4H-SiC-Detektoren mit einer Dicke von 50 μm ermöglichte. Zwei Neutronenbestrahlungsstudien mit Fluenzwerten bis zu 10^16 /cm^2 und 10^18 /cm^2 1 MeV-Neutronenäquivalent wurden durchgeführt, um die Strahlenhärte von 4H-SiC zu bewerten. Nach der Bestrahlung blieben die Leckströme mit Werten von unter einem < 1 pA/mm^2 sehr niedrig und die Dotierungen der epitaktischen Schicht der Detektoren werden durch Defekte mit tiefen Energielevel kompensiert. Die Ladungssammel-Effizienz (CCE) wurde mithilfe von Alphateilchen, UV-Lasern und einem Protonenstrahl untersucht und zeigte einen Wert von bis zu 50 % bei einer Fluenz von 10^15 . Es wurde beobachtet, dass die CCE mit der Quadratwurzel der Bias-Spannung wächst, was darauf hindeutet, dass donor-artige Defekte eine effektive Raumladung einführen, welche das elektrische Feld verkleinert und die gesammelte Ladung reduziert.Schließlich kamen 4H-SiC-Detektoren zur Messung neuartiger Extraktionsmethoden am Synchrotron des MedAustron Ionentherapiezentrums zum Einsatz. Diese zielen darauf ab, ultra-hohe Dosisraten zu liefern, die den sogenannten FLASH-Effekt auslösen können, welcher das therapeutische Fenster bei der Patientenbehandlung vergrössern kann. Mithilfe einer Ausleseelektronik mit einer Bandbreite von 20 MHz konnte die Extraktion im Synchrotron turn-by-turn gemessen werden. Dies lieferte wertvolle Einblicke, die zur Implementierung eines gepulsten Extraktionsschemas genutzt wurden, mit dem Ziel sichere FLASH-Strahlen für zukünftige präklinische Studien bereitstellen.