Fabrication, Simulation and Performance of Ultra-Thin Silicon Detectors-Development of a Detection System for Living Cell Irradiation

Abstract

For the development of a Single–Ion Hit Facility (SIHF) for living cells irradiation at the Lund Ion Beam Analysis

facility (LIBAF), newly developed pre-cell detectors have been investigated. These detectors can determine the

number of ions reaching the sample. Central to the thesis is their fabrication and characterization. Two different

detectors ’ Design A and Design B’ were fabricated with thicknesses down to 3.5 μm, and different physical and

structural characteristics using silicon micro-fabrication technology. The main electrical characteristics of the

detectors were an extremely low leakage current less than 12 nA and a low full depletion voltage at a reverse bias

less than 1.5 V.

The Silvaco software was used to simulate the structure and electrical characteristics of the fabricated

detectors. By this software, the doping level for p+- and n+ type layers was found as a function of diffusion time

and temperature. Also, the I-V characteristic of the simulated device was predicted to be <6 nA.

Using the MeV proton microprobe facility at the LIBAF, the detectors were tested using a ΔE-E

configuration. The results showed that the detection efficiency for protons was >91% for Design B detectors, and

>77% for Design A detectors. Furthermore, the efficiency of the detectors of Design B reached 98% by cooling

them to below 2°C. Design B detectors were thus shown to have better performance than Design A detectors for

counting the passage of MeV protons.

The radiation tolerance of these detectors was evaluated using a 2.55 MeV proton microbeam. The radiation

tolerance of the detectors that have thicknesses less than or equal to 10 μm was found to be 2 ×1013 cm-2, and for

detectors thicker than 10 μm to be 2 ×1012 cm-2.

In an experiment irradiating living cells, the new pre-cell detector was used to count 2.4 MeV protons for

two different doses (405 and 83 mGy). The preliminary results of this study showed that the viable fraction was

lower at the higher dose than at the lower dose.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Strålningsterapi är en viktig metod för att behandla många cancertyper och man söker konstant efter olika sätt att förbättra användningen av joniserande strålning vid behandling. Radiobiologisk forskning för cancerterapi söker att förbättra vår förståelse för hur joniserande strålning verkar på olika livsformer. Idag finns det många sätt att utröna en behandlings inverkan på levande organismer, alltifrån tester på försöksdjur ned till bestrålning av cellkulturer. En aktuell teknik använder protonbestrålning från en liten accelerator till att skicka en väl bestämd dos av strålning mot enstaka levande celler i en kultur. Efter bestrålningen undersöks cellernas vitalitet. Ett sådant bestrålningssystem utvecklades tidigare i Lund vid mikrostrålelaboratoriet (LIBAF), och i det här presenterade arbetet har en viktig del, den s.k. transmissions-detektorn, utvecklats. Dess uppgift är att noggrant mäta dosen innan protonerna träffar cellerna, och dessutom ner till mycket låga värden (en proton/cell).



Mer än 150 ultra-tunna transmissions-detektorer framställdes och karaktäriserades. Man vill ha en tunn detektor eftersom det ger en högre precision när man siktar på cellerna, å andra sidan blir en alltför tunn detektor ömtålig och brusig. Med hjälp av kiselbaserad processteknologi tillverkades två huvudmodeller av detektorer med tjocklekar ner till 3.5 mikrometer. En viktig elektrisk egenskap var att detektorerna hade extremt låg läckström vilket är viktigt för att uppnå hög känslighet och tillförlitlighet.



Ett speciellt programpaket (från Silvaco) användes för att simulera strukturen och de elektriska egenskaperna hos detektorerna. Med programmet kunde dopningsnivåerna för p+ och n+ lagren i detektorn fås fram och därmed kunde de elektriska egenskaperna förutsägas.



Detektorerna undersöktes experimentellt med protonbestrålning från acceleratorn. Resultaten visade att detektoreffektiviteten var minst 91% för den bästa modellen, vilket kunde förbättras till 98% genom nedkylning till under +2°C. Dessutom undersöktes detektorernas strålningstålighet, en uppskattning ger att de kan användas vid konstant (cell-) bestrålning i minst 4 månader utan att förlora i prestanda.



I ett experiment där levande celler bestrålades användes de nya transmissions- detektorerna till att räkna protoner i två olika doser (4 och 20 protoner/cell). De preliminära resultaten från studien visar att färre celler överlevde den högre dosen, vilket var förväntat.

• author: Salim, Naseem
• supervisor: Jan Pallon
• opponent: Thungström, Göran, Electronics Design Division, Mid Sweden University, Sundsvall, Sweden
• organization: Nuclear physics; Nuclear Microprobe-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Subatomic Physics
• keywords: Fysicumarkivet A:2014:Abdel, micro-fabrication technology, ultra-thin silicon detector, single ions, SIHF, ΔE detector
• categories: Higher Education
• pages: 136 pages
• defense location: Lecture hall Rydbergsalen, Department of Physics, Sölvegatan 14a, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2014-12-12 13:15:00
• ISBN: 978-91-7623-188-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Nuclear Physics (Faculty of Technology) (011013007)
• id: ac261edc-3c7d-4b70-a552-2ec65d287dff (old id 4780413)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:53:49
• date last changed: 2018-11-21 21:01:25