WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 2 Варизонный фотоэлектрический детектор ионизирующих излучений ¶ © Л. Дапкус, К. Пожела, Ю. Пожела, А. Шиленас, В. Юцене, В. Ясутис Институт физики полупроводников, 01108 Вильнюс, Литва (Получена 21 июня 2004 г. Принята к печати 4 июля 2004 г.) Гетероструктура — варизонный слой p-AlxGa1-x As на n-GaAs-подложке — исследована в качестве детектора рентгеновского излучения и -частиц с фотоэлектрическим откликом. Получено, что ампер-ваттная чувствительность детектора достигает 0.13 А/Вт. Вольт-ваттная чувствительность превышает 106 В/Вт.

Исследовано влияние облучения -частицами с энергией 5.48 эВ (241Am) на чувствительность детектора.

Установлено, что при дозе облучения до 5 · 109 частиц/см2 чувствительность детектора падает в 1.5-2 раза.

Дальнейшее увеличение дозы облучения до 4 · 1010 частиц/см2 не меняет чувствительности детектора.

1. Введение AlxGa1-x As на электронной GaAs-проводящей подложке. Доля Al составляет x = 0.4 у подложки и x = 0 у поИсследование поведения варизонных детекторов верхности варизонного слоя. Выращены структуры трех ионизирующего излучения при облучении -частицами типов детекторов, отличающиеся толщиной варизонного показало, что радиационная стойкость детекторов с слоя: L = 18 (D18), 25 (D25), 50 мкм (D50).

оптическим откликом значительно выше, чем детектоДетектируемое излучение направлялось на структуру ров с токовым откликом [1]. Показано, что скорость с узкозонной стороны варизонного слоя. В качестве рекомбинации неравновесных носителей заряда в вариисточника ионизирующего излучения использовалось зонном кристалле при дозе облучения -частицами с рентгеновское излучение с характеристической линиэнергией 5.48 МэВ (241Am) nd = 109 частиц/см2 растет в ей 8 кэВ (Cu-анод). Источником -частиц с энергией десятки раз. Соответственно снижается число носителей 241 5.48 МэВ был Am.

заряда, собираемых варизонным полем кристалла, или Фотоэлектрическим откликом детектора является фотоковый отклик варизонного детектора.

тоэдс (или ток), возникающая на Alx Ga1-xAs/GaAs Оптический отклик (люминесценция) через широкоp-n-переходе при поглощении в нем рекомбинационзонное окно варизонного кристалла при той же доного излучения неравновесных электронно-дырочных зе облучения снижается лишь в 1.5 раза благодаря пар, генерируемых в варизонном слое внешним иониувеличению скорости излучательной рекомбинации при зирующим излучением. Величина фотоэлектрического облучении -частицами [1].

отклика определяется скоростью генерации внешним Однако внешний квантовый выход оптического изионизирующим излучением электронно–дырочных пар лучения из-за малого угла полного внутреннего оти внутренним квантовым выходом рекомбинационного ражения на переходе AlxGa1-x As–воздух оказывается излучения.

очень низким (менее 2%). Поэтому для избежания Скорость генерации пар определяется мощностью потерь излучения на переходе AlxGa1-x As–воздух цепоглощаемого излучения Pabs и минимальной энергилесообразно собирать генерируемое оптическое излуей, необходимой для рождения электронно–дырочной чение внутри кристалла, помещая фотодетектор (GaAs пары Eth. Для GaAs Eth = 4эВ.

p-n-переход) на широкозонной стороне варизонной структуры. Такие структуры с фотоэлектрическим откликом на p-n-переходе использовались в качестве детекторов ионизирующих излучений в ряде работ [2,3].

В настоящей работе исследованы детекторы рентгеновского излучения и -частиц с фотоэлектрическим откликом и рассмотрено влияние на их характеристики облучения -частицами.

2. Варизонный детектор ионизирующих излучений с фотоэлектрическим откликом На рис. 1 схематически показана структура детектора. Она представляет собой выращенный методом жидкофазной эпитаксии дырочный варизонный слой Рис. 1. Структура фотоэлектрического детектора и схема ¶ E-mail: pozela@pfi.lt измерений.

282 Л. Дапкус, К. Пожела, Ю. Пожела, А. Шиленас, В. Юцене, В. Ясутис Внутренний квантовый выход равен =, (1) 1 + r /nr где r — время излучательной и nr — безызлучательной рекомбинации электронно–дырочных пар.

Половина рекомбинационного излучения доходит до p-n-перехода с широкозонной стороны, а остальная часть падает туда лишь в результате переизлучения.

Эффективный квантовый выход рекомбинационного излучения в широкозонную часть варизонного кристалла можно оценить так:

1 1 ef = 1 + + 2 +.... (2) 2 2 Ток короткого замыкания GaAs p-n-перехода равен Pabs I = ef. (3) ph Eth Фотоэдс на p-n-переходе kT Is + I ph U = ln, (4) q Is где Is — ток насыщения p-n-перехода, q — заряд электрона, kT — температура.

Рис. 2. Токовый Ic (a) и вольтовый U (b) отклик фотоФототок I тем выше, чем короче время излуча- электрических детекторов (D18, D25, D50) в зависимости от ph поглощенной мощности Pabs рентгеновского излучения. Для тельной рекомбинации. Инерционность детектора также сравнения приведены характеристики Si p-i-n-детекторов определяется этим временем. В рассматриваемых нарентгеновского излучения.

ми структурах r 10-9 с достигается путем высокой степени легирования варизонного кристалла акцепторами Zn (p 1018 см-3), являющимися центрами излучательной рекомбинации.

пороговой энегии Eth(Si) для создания электронно– На рис. 2 показаны экспериментальные результаты дырочной пары, в 3 раза выше, чем у варизонного измерений фотоэлектрического отклика в зависимости AlxGa1-x As-детектора.

от поглощенной мощности рентгеновского излучения Эдс, возникающая на p-n-переходе в случае с энергией 8 кэВ для трех детекторов с различными AlxGa1-x As/GaAs, в 2 раза больше, чем на кремниевом толщинами варизонного слоя: L = 18 (D18), 25 (D25), p-n-переходе, из-за меньшего значения тока насыще50 мкм (D50).

ния js в более широкозонном Alx Ga1-xAs, чем кремТоковая чувствительность равна I = 0.13 А/Вт для ний (рис. 2, b).

D18 и D25 и I = 0.07 А/Вт для D50. Соответственно эффективный квантовый выход равен для образцов Dи D25 ef = 0.52 и для D50 ef = 0.27.

3. Поведение варизонного детектора Малый эффективный квантовый выход для образца с фотоэлектрическим откликом с толстым варизонным слоем (D50) следует связывать с поглощением рекомбинационного излучения в самом при облучении -частицами слое.

Максимальный ток, который может быть полу- Источник -частиц (241Am) помещался непосредчен при ef = 1, Imax = 0.25Pabs. Вольт-ваттная чув- ственно у поверхности с узкозонной стороны варизонного слоя. Глубина проникновения -частиц с энергиствительность детектора превышает 106 В/Вт при Pabs 50 нВт/мм2. На рис. 2 для сравнения приведены ей 5.48 Мэв через Alx Ga1-xAs слой — около 21 мкм.

экспериментально измеренные характеристики кремние- В образце D18 проникновение -частиц захватывало вого p-i-n-детектора рентгеновского излучения. GaAs p-n-переход, а в образцах D25 и D50 -частицы Отметим, что токовый отклик кремниевого детекто- останавливались в варизонном Alx Ga1-xAs слое не дора рентгеновского излучения, благодаря более низкой ходя до p-n-перехода.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Варизонный фотоэлектрический детектор ионизирующих излучений ческим откликом D50 при различных дозах предварительного облучения -частицами.

Амплитуда собираемого заряда равна:

exp(-L) Q() =n0ef exp(la cos ) - 1, (5) где L — толщина варизонного слоя, la —длина трека -частицы, —угол падения -частицы на варизонный слой, – коэффициент поглощения рекомбинационного излучения в широкозонную сторону варизонного слоя, n0ef — число рекомбинирующих с излучением электронно-дырочных пар, созданных -частицей.

Рис. 3. Токовый Ic и вольтовый U отклик фотоэлектриче- Из-за конечности размеров источника -частиц и ских детекторов (D18, D25, D50) при падающей мощности детектора угол изменяется в широких пределах, что рентгеновского излучения P = 3.7 · 10-5 Вт/см2 в зависимоопределяет уширение максимума спектра, соответствусти от дозы предварительного облучения -частицами. Доющего энергии -частицы.

за облучения указана в часах. 1 ч облучения соответствует Величина ef определяется отношением r /nr и задозе 108-частиц/см2.

висит от дозы предварительного облучения. Экспериментально наблюдается сдвиг амплитуд собираемого заряда в сторону меньших значений с ростом доНа рис. 3 показана зависимость фотоэлектрического зы облучения -частицами (см. рис. 4). Это означаотклика детектора рентгеновского излучения от времеет превышение роста скорости безызлучательной над ни облучения -частицами. Доза облучения составляростом скорости излучательной рекомбинации с увела 108 -частиц/cм2 в 1 ч.

личением дозы облучения, как это наблюдалось и Во всех образцах наблюдается падение величины I ph в случае детектирования рентгеновского облучения тока и фотоэдс U с ростом дозы облучения -частицами.

(рис. 3).

В образце D18 уменьшение I и U особенно сильно ph Отметим, что число импульсов в максимуме спектра на первоначальном этапе облучения: после 20 ч облуне уменьшается при уменьшении амплитуд Q с рочения токовый отклик падает в 8 раз, а вольтовый отстом дозы облучения варизонного детектора с токовым клик — в 2 раза. Столь резкое падение чувствительности откликом.

структуры при малых дозах облучения следует связыОднако после облучения -частицами свыше 20 ч вать со структурными нарушениями в области GaAs (доза облучения 2 · 109 частиц/см2) варизонный детекp-n-перехода. В образцах D25 и D50, где -частицы тор перестает быть спектрометром энергии частиц, не достигают GaAs p-n-перехода, уменьшение чувствитак как максимум, соответствующий энергии -частительности с ростом дозы облучения происходит более цы, сдвигается в область высокого фонового излучеплавно. В образце D25 после 100 ч чувствительность ния (рис. 4).

детектора падает в 1.5 раза. При дозе облучения выше 100 ч чувствительность детекторов D18 и D25 очень слабо зависит от повышения дозы облучения. Таким образом, эффективный квантовый выход, а значит, и отношение скоростей рекомбинаций с излучением и без излучения, не меняется с ростом дозы облучения выше 1010 частиц/см2. Образованные -частицами дефекты в Alx Ga1-xAs-слое увеличивают скорость излучательной рекомбинации, и рост скорости безызлучательной рекомбинации полностью компенсируется ростом скорости излучательной рекомбинации.

Таким образом, предварительно облученные детекторы оказываются весьма радиационно стойкими приборами.

4. Спектр -частиц Рис. 4. Спектр амплитуд токового отклика варизонного фотоэлектрического детектора на излучение -частиц при На рис. 4 показан спектр амплитуд собираеморазличных дозах предварительного облучения -частицами.

го заряда при облучении -частицами с энергией Доза облучения указана в часах. P — фоновый сигнал в 5.48 МэВ (241Am) варизонного детектора с фотоэлектри- отсутствие источника -частиц.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 284 Л. Дапкус, К. Пожела, Ю. Пожела, А. Шиленас, В. Юцене, В. Ясутис 5. Заключение A photoelectric graded-gap detector for ionizing radiation Варизонный слой p-AlxGa1-xAs с n-GaAs на шиL. Dapkus, K. Poela, J. Poela, A. ilnas, V. Jucien, рокозонной стороне образует структуру детектора V. Jasutis ионизирующего излучения с фотоэлектрическим откликом. Рекомбинационное излучение генерированSemiconductor Physics Institute, ных ионизирующим излучением электронно–дырочных 01108 Vilnius, Lithuania пар в варизонном слое детектируется фотодиодом p-AlxGa1-x As/n-GaAs.

Abstract

The heterostructure: representing a graded-gap Токовая чувствительность фотоэлектрического детекp-AlxGa1-x As layer on the n-GaAs substrate is investigated as an тора рентгеновского излучения с энергией 8 кэВ соX-ray and -particle detector with photoelectric response. It has ставляет 0.13 А/Вт поглощенной мощности. Вольтовая been obtained that the current-power sensitivity achieves 0.13 A/W.

чувствительность превышает 106 В/Вт.

The volt-power sensitivity exceeds 106 V/W.

Токовая чувствительность в 3 раза ниже, а вольтовая The influence of the -particles radiation (the energy в 2 раза выше, чем у кремниевого детектора рентгенов- of 5.48 MeV) on the detector sensitivity is investigated. It is ского излучения.

shown that the detector sensitivity decreases by 1.5 times under Токовая и вольтовая чувствительность детекторов с the radiation dose of 5 · 109 particles/cm2. The further increase of толщиной варизонного слоя выше 25 мкм, облученных the radiation dose up to 4 · 1010 particles/cm2 does not change the -частицами с энергией 5.48 МэВ, снижается в 1.5 раза detector sensitivity.

при дозе облучения 5 · 109 частиц/см2. Дальнейшее повышение дозы облучения до 4 · 1010 частиц/см2 не меняет чувствительности.

Снижение чувствительности обусловлено ростом скорости безызлучательной рекомбинации в варизонном слое при облучении -частицами. При дозе облучения выше 5 · 109 частиц/см2 отношение скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации остается постоянным. Эффективный квантовый выход рекомбинационного излучения и чувствительность детектора не меняются при дальнейшем облучении -частицами.

Рост скорости излучательной рекомбинации выше 109 с-1 обеспечивает высокое быстродействие детектора.

Работа выполнена при финансовой поддержке Литовского государственного фонда науки и образования (программа „CERN–Vilnius–RD“).

Список литературы [1] Л. Дапкус, К. Пожела, Ю. Пожела, А. Шиленас, В. Юцене, В. Ясутис. ФТП, 38, 1147 (2004).

[2] В.М. Андреев, В.Н. Блинов, В.А. Носенко, О.Г. Резванов, В.Н. Родионова. ФТП, 8, 4227 (1974).

[3] A. Silenas, J. Pozela, K.M. Smith, K. Pozela, V. Jasutis, L. Dapkus, V. Juciene. Nucl. Instrum. Meth. A, 487, 54 (2002).




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.