Detektor Partikel dengan Material Semikonduktor Bercelah Energi Lebar

Interaksi partikel bermuatan dengan material detektor terjadi karena adanya gaya Coulomb. Partikel mempengaruhi elektron di dalam atom, sehingga jika energi cukup, partikel bermuatan memungkinkan elektron valensi bebas dari atom. Pasangan elektron tereksitasi dan atom bermuatan positif disebut pasangan electron-hole (e-h) seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Hal tersebut merupakan prinsip dasar operasi detektor ketika elektron yang dilepaskan dapat mengarah ke elektroda dan dideteksi oleh sistem elektronik maka sinyal dari partikel dapat terdeteksi [Kno00]. Karakteristik utama material detektor dan desain detektor menentukan kinerja detektor untuk menghasilkan sinyal beresolusi tinggi.

 

Line chart

Description automatically generated with low confidence

Gambar 1. Sebuah partikel menciptakan pasangan e-h dalam detektor zat padat

 

Bila dilihat dari karakteristik materialnya, diamond umumnya memiliki karakteristik yang lebih baik daripada silikon seperti yang ditunjukkan pada tabel 1. Satu-satunya kelemahan utama adalah energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan pasangan e-h yang lebih tinggi. Namun, kelemahan ini tidak menghalangi diamond untuk menjadi pendeteksi partikel yang ideal. Beberapa metode dikembangkan untuk mengkompensasi masalah energi penciptaan detektor partikel berbasis diamond [Sku16, Mus17]. Selain itu, beberapa sensor diamond kristal-tunggal yang dihasilkan dari proses Chemical-Vapor-Deposition (scCVD) telah dipasang di Large Hadron Collider (LHC) di CERN sebagai detektor Beam Monitoring sejak dekade terakhir [Vel08]. Instalasi ini merupakan bukti dari semikonduktor celah energi lebar dapat diterapkan segatai detektor partikel energi tinggi.

 

Table 1. Properti dari material silikon and diamond [Kas17, Ras08]

Table

Description automatically generated

Bahan dengan beberapa sifat spesifik diklasifikasikan sebagai pilihan ideal untuk bekerja dengan baik sebagai detektor partikel di bawah kondisi radiasi yang intens [Nav08]. Beberapa syarat material tersebut adalaa:

?       Pertama, bahan dapat menghasilkan kebocoran arus yang kecil di bawah medan listrik tinggi ataupun kondisi suhu tinggi. Arus bocor yang rendah juga diperlukan untuk menghasilkan noise yang rendah selama operasi detektor.

?       Kedua, konstanta dielektrik yang rendah pada material menghasilkan kapasitansi rendah yang juga lebih jauh mengurangi noise.

?       Ketiga, material memiliki kerapatan cacat rendah dan konsentrasi doping rendah. Properti ini diperlukan untuk mengoptimalkan pengumpulan muatan, meminimalkan arus bocor, dan menghasilkan resolusi energi yang lebih baik.

?       Keempat, material yang menghasilkan waktu hidup muatan pembawa yang panjang. Waktu hidup menunjukkan waktu maksimum pembawa muatan sebelum pembawa terperangkap oleh atom atau cacat material.

?       Kelima, energi kinetik yang ditransfer oleh partikel yang menumbuk atom material saat proses deteksi dapat menciptakan cacat pada struktur material detektor. Cacat yang disebabkan oleh radiasi partikel dapat bertindak sebagai pusat perangkap bagi pembawa muatan. Pusat perangkap yang melimpah mencegah pengumpulan muatan yang efisien, dan akhirnya resolusi energi menjadi rendah. Material yang ?mempunyai sifat ikatan mekanik antar atom yang kuat memungkinkan cacat yang dihasilkan oleh tumbukan partikel menjadi rendah

?       Keenam, menjaga suhu detektor merupakan salah satu metode untuk meningkatkan radiation-hardness. Dengan menggunakan material dengan konduktivitas termal yang baik, perpindahan panas dari detektor terjadi lebih efisien.

Semua sifat diatas dimiliki oleh material dengan celah energi yang lebar seperti halnya diamond seperti ditunjukkan pada table 1. Namun, tidak semua sifat material bercelah energi lebar lebih unggul daripada silikon dalam aplikasi deteksi partikel. Suatu bahan membutuhkan energi minimum tertentu untuk membuat pasangan e-h yang disebut energi kreasi pasangan e-h (ε). Rasio signal-to-noise (SNR) yang tinggi dapat lebih mudah dicapai jika energi tersebut rendah. Dengan demikian, jumlah pasangan e-h yang dihasilkan oleh partikel peng-ion dapat lebih besar dibandingkan dengan tingkat noise. Namun, energi tersebut cenderung sebanding dengan nilai band-gap. Hal ini juga dapat terlihat pada sifat material bercelah energi lebar dimana energi kreasi pasangan e-h beberapa kali besar dari nilai energi yang diperlukan jika menggunakan silicon sebagai material detektor.

Sebuah partikel energi tinggi dengan fluence tinggi dapat meningkatkan suhu detektor secara signifikan. Bahan celah lebar mempertahankan kinerjanya pada lingkungan suhu yang sangat tinggi ketika silikon sudah gagal [Nav08]. Diamond juga menunjukkan setidaknya dua kali lipat kebocoran arus yang lebih rendah daripada silikon [Bru07]. Silikon masih dapat mempertahankan resolusi energinya pada +30 0C atau lebih rendah [Nav08]. Namun, pada praktiknya, suhu detektor silicon perlu dijaga tetap dingin di bawah 0 0C untuk menekan noise yang berlebihan dari arus gelap material silicon [Nav08]. Akibatnya, sistem pendingin tambahan digunakan untuk menjaga kinerja optimal detektor silikon. Massa tambahan menghasilkan probabilitas hamburan partikel yang lebih tinggi. Oleh karena itu, konduksi termal yang lebih tinggi dari diamond sangat penting untuk menghasilkan kontrol yang lebih baik pada suhu operasional sistem detektor tanpa penambahan system detektor yang mempengaruhi akurasi dan efisiensi system detektor.

Sifat utama untuk bahan celah energi lebar adalah membutuhkan energi yang lebih tinggi untuk mengaktifkan charge carriers (pembawa muatan). Energi aktivasi yang lebih tinggi menghasilkan arus bocor yang lebih rendah secara signifikan. Oleh karena itu, material ini dapat memperoleh rasio signal-to-noise (SNR) yang lebih baik. Dari hasil pengukuran, arus bocor detektor partikel berbahan diamond dalam kondisi operasional normal adalah sekitar 0,1 nA/cm2, sedangkan pada silikon 10 nA/cm2. Arus bocor yang dihasilkan oleh diamond satu order of magnitude lebih kecil, sehingga diharapkan noise yang dihasilkan oleh detektor diamond juga lebih kecil secara signifikan. Namun, penggunaan diamond juga memiliki kelemahan yang signifikan sebagai pendeteksi partikel karena energi yang dibutuhkan untuk menghasilakan pasangan e-h jauh lebih tinggi. Detektor berbahan diamond membutuhkan 13 eV untuk menhasilkan sebuah pasangan e-h dibandingkan dengan hanya 3,62 eV untuk detector berbahan silikon. Dengan demikian, resolusi energi diamond sekitar tiga kali lebih kecil dari silikon. Untuk mengatasi masalah ini, dapat dirancang detektor diamond yang mampu menghasilkan amplifikasi charge carrier sehingga kelemahan ini dapat teratasi.

Untuk mengimbangi kinerja resolusi energi silikon, pembawa muatan dalam detector diamond harus dikalikan setidaknya dengan faktor tiga. Dalam membangkitkan amplifikasi pembawa muatan, dibutuhkan medan listrik yang tinggi. Beberapa data eksperimen menunjukkan bahwa diamond dapat menahan medan listrik yang sangat tinggi hingga 20 MV/cm [Lan93]. Dua kelompok penelitian mengklaim bahwa mereka berhasil menghasilkan efek penggandaan muatan di perangkat diamond mereka. Pendekatan pertama adalah menggunakan lapisan aktif berlian yang sangat tipis dengan ketebalan 3,2 ?m [Sku16]. Dengan menggunakan lapisan tipis, medan listrik yang tinggi dapat dicapai dengan membiaskan perangkat dengan tegangan bias yang cukup rendah. Pendekatan kedua adalah menggunakan kontak logam berdiameter kecil pada permukaan perangkat diamond. Yang terkecil berdiameter 20 ?m [Mus17]. Elektroda kecil itu memfokuskan medan listrik di area kecil di bawah antarmukanya. Selain itu, metode lain yang mungkin cocok untuk meningkatkan medan listrik di area aktif berlian seperti elektroda 3D [Oh13] berdiameter kecil pada permukaan berlian yang dapat juga menghasilkan medan elektrik yang besar. Jika ketiga solusi tersebut bisa direalisasikan dalam fabrikasi detector partikel berbasis diamond, maka sangat dimungkinkan realisasi sebuah partikel detector yang memiliki segala kelebihan material bercelah energi lebar dan resolusi energi yang setara dengan silicon.

Referensi:

[Bru07] M. Bruzzi et al., Nucl. Instrum. Meth. A 579 (2007).

[Kas17] F. Kassel. Karlsruhe Institute of Technology. Dissertation 2017.

[Kno00] G. F. Knoll. Wiley. 2000.

[Mus17] M. Mu?kinja et al., Nucl. Instrum. Meth. A 841, 2017.

[Nav08] F Nava et al., Meas. Sci. Technol. 19, 2008.

[Lan93] M. I. Landstrass et al., Diamond Relat. Mater. 2, 1033, 1993.

[Oh13] A. Oh et al., Diam. Relat. Mater. 38, 2013.

[Ras08] S. J. Rashid. IEEE T. Electron Dev. 55, 10, 2008.

[Sku16] N. Skukan et al., Appl. Phys. Lett. 109, 043502, 2016.

[Vel08] J.J. Velthuis et al.,? Nucl. Instrum. Meth. A 591, 2008.