WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 3 Спектрометрия короткопробежных ионов детекторами на основе CVD-пленок 4H-SiC © Н.Б. Строкан, А.М. Иванов¶, Е.В. Калинина, Г.Ф. Холуянов, Г.А. Онушкин, Д.В. Давыдов, Г.Н. Виолина Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, 197376 Санкт-Петербург, Россия (Получена 14 июля 2004 г. Принята к печати 9 августа 2004 г.) На эпитаксиальных слоях 4H-SiC толщиной 50 мкм, выращенных методом газотранспортной эпитаксии, термовакуумным напылением Cr были изготовлены барьеры Шоттки площадью 10-2 см2. Концентрация нескомпенсированных доноров в пленках составляла (4-6) · 1014 см-3, что позволяло при обратном смещении 400 В развить рабочую зону детектора до 30 мкм. Спектрометрические характеристики детекторов определялись с использованием -частиц в диапазоне энергий 4.8-7.7 МэВ. Для линий 5.0-5.5МэВ достигнуто значение разрешения по энергии менее 20 кэВ (0.34%), что лишь в 2 раза уступает прецизионным кремниевым детекторам, изготовленным по спецализированной технологии. Величина максимальной амплитуды сигнала соответствует значению средней энергии образования пары электрон–дырка в SiC, равной 7.70 эВ.

1. Введение барьерами Шоттки, сформированными на этих эпитаксиальных слоях, облучали -частицами естественного Проблемы регистрации ядерных излучений с целью распада с энергиями 5.1-5.5 МэВ, используя изото239 240 241 238 обеспечения безопасности работы на атомных и коспы Pu, Pu, Am и Pu. В структурах при мических станциях, при утилизации ядерных отходов и напряжениях 225-400 В наблюдалось насыщение завиработе в радиоактивно-зараженных районах, особенно симости сигнала детектора от обратного напряжения, при повышенных температурах и при наличии химичто указывало на полный перенос образованного обчески агрессивной среды, являются весьма актуальнылучением неравновесного заряда и, следовательно, на ми. Решение этих проблем невозможно без создания максимальную величину сигнала детектора. В таких высокотемпературных детекторов ядерных излучений с SiC-детекторах впервые реализовывалось разрешение по высоким разрешением, способных работать в спектроэнергиям 0.5% [6].

метрическом режиме в экстремальных условиях. Однако В настоящей работе приведены новые данные по приборы с указанной совокупностью свойств не могут исследованию спектрометрических возможностей детекбыть реализованы с использованием традиционных поторов на основе более высокоомных чистых эпитаксилупроводниковых материалов (Ge, Si, CdTe, GaAs). Наиальных слоев 4H-SiC.

более подходящим исходным материалом для создания подобных детекторов является широкозонный карбид кремния. 2. Методика эксперимента Перспективность использования SiC для изготовления высокотемпературных детекторов и спектрометров Исследовались характеристики детекторных структур, ядерных излучений была показана уже в ранних рабо- сформированных на базе эпитаксиальных слоев 4H-SiC тах по исследованию влияния облучения нейтронами и толщиной 50 мкм, выращенных методом газотранс-частицами на свойства SiC и приборов на его осно- портной эпитаксии (CVD) с концентрацией нескомве [1–3]. Однако высокое содержание дефектов и высо- пенсированных доноров Nd-Na =(4-6) · 1014 см-3 на кие значения концентраций носителей тока в материале коммерческих подложках n+-4H-SiC с концентрацией не позволяли получать разрешение по энергии, превы- Nd-Na = 1019 см-3. Барьеры Шоттки из Cr площашающее 8–9% [4]. В последние годы достигнут значи- дью 10-2 см2 и толщиной 0.1 мкм, а также базовые контельный прогресс в выращивании чистых эпитаксиаль- такты Cr/Al формировались методом термовакуумного ных слоев SiC с низким содержанием глубоких уровней напыления. Диодные структуры облучали -частицами и относительно высокими величинами диффузионных с энергиями 4.8-7.7 МэВ, используя изотопы Ra, 241 длин и времен жизни носителей заряда [5]. Недавно на Am и Pu.

таких чистых эпитаксиальных слоях политипа 4H-SiC с Качество CVD-пленок оценивалось несколькими меконцентрацией доноров Nd-Na =(1-2) · 1015 см-3 бытодами. Так, структура дефектных центров в образли проведены исследования по спектрометрии короткоцах изучалась по спектрам фотолюминесценции при пробежных ионов. Для этих целей диодные структуры с температуре 77 K. Диффузионные длины неосновных ¶ носителей заряда — дырок (LD) определялись из заE-mail: alexandr.ivanov@pop.ioffe.rssi.ru Fax: +7 (812) 247 1017 висимости фототока от обратного напряжения в темСпектрометрия короткопробежных ионов детекторами на основе CVD-пленок 4H-SiC пературном интервале 300-450 K. Распределение электрически активной примеси вблизи барьеров Шоттки, а также характеристики глубоких уровней в запрещенной зоне 4H-SiC изучались по вольт-фарадным (C-V) измерениям и DLTS-данным, полученным в температурном диапазоне 80-700 K. Прямые и обратные вольтамперные (I-V) характеристики диодов Шоттки измерялись на постоянном токе.

В детекторных структурах определялись зависимость средней амплитуды сигнала от смещения на диоде („charge collection efficiency“ — CCE), разрешение по энергии, а также проводилось определение характера шума с привлечением методики сопоставления шумов темнового тока и фототока [7]. Данные по CCE поз- Рис. 1. Спектр фотолюминесценции эпитаксиальных CVDволяют также независимо оценить значения Nd-Na слоев 4H-SiC, измеренный при T = 77 K.

и LD в эпитаксиальных слоях. Полученные величины сравнивались с результатами C–V-характеристик и хода фототока от смещения.

ний 120 В и не зависели от частоты и температуры изПри определении указанных характеристик детектомерений. Такое поведение C–V-характеристик является ров (включая шумы) использовалась стандартная для предпосылкой низкого содержания дефектных центров в спектрометрии аппаратура. Установка включала функCVD-слоях. И действительно, DLTS-измерения выявили циональные блоки фирмы ORTEC: зарядочувствительналичие только одного центра неизвестной пока приный предусилитель 142, усилитель с формированием роды с энергией 0.82 эВ в количестве 1.8 · 1012 см-3 с полосы пропускания RC-цепочками 571 и прецизионный сечением захвата 3 · 10-15 см2.

генератор 419. Анализ амплитудного спектра провоI–V-характеристики были типичны для барьеров Шотдился с помощью сочлененной с компьютером платы, тки с высотой барьера 1 В и коэффициентом идеальобеспечивающей общее число каналов 4000 (разработка ности 1.1. При обратных напряжениях 500 В обратные „RI-161/01“ ПИЯФ РАН). Для калибровки цены канала токи не превышали 1 пА. Такие характеристики барьеров использовались линии -распада Ra и прецизионный Шоттки позволяли развить область объемного заряда кремниевый детектор ФТИ РАН [8].

в десятки мкм и использовать структуры в качестве спектрометрических детекторов -частиц.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение 3.2. Спектрометрия -частиц 3.1. Характеристики исходного материала Работа детектора в режиме спектрометрии подразумеСогласно данным фотолюминесценции, для иссле- вает реализацию высокого разрешения по энергии. Для дованных эпитаксиальных CVD-слоев наблюдалась ин- этого необходимо, чтобы созданный ионом неравновесный заряд переносился к электродам детектора макситенсивная основная полоса с максимумом при 390 нм (рис. 1). Эта полоса идентифицируется как рекомби- мально полно. На рис. 2 для двух образцов приведен ход сигнала в зависимости от приложенного к детектору нация свободного экситона, связанная с переходами смещения (U) при регистрации -частиц с энергией оптических фононов (FE-TO) в SiC политипа 4H [9].

E = 5390 кэВ. Значения энергии по оси ординат (E) Наличие триплета линий в максимуме, разрешаемых получены с использованием величины средней энергии даже при температуре 77 K, указывает на высокое образования пары электрон–дырка SiC = 7.70 эВ [6].

качество эпитаксиальных слоев. Однако при этом в спектре наблюдались слабые линии, обусловлен- Прослеживается четкое насыщение зависимости при ные донорно-акцепторными переходами (DAP) азот– напряжениях, превышающих 150 В. Это позволяет заключить, что перенос заряда при U > 150 В происходит алюминий [10], наличием малого количества различных полно.

дефектов (см. максимум при 460 нм) и присутствием включений политипа 15R [9]. Как следствие высокого При малых смещениях пробег частицы (R) превыкачества эпитаксиальных слоев, диффузионные длины шает протяженность области электрического поля W.

неосновных носителей — дырок, определенные из из- В переносе заряда помимо „быстрого“ дрейфа участвует мерений фототока при обратных смещениях, составля- также сравнительно медленная диффузия дырок в базе ли 8-10 мкм и увеличивались в 1.4 раза при нагреве детектора. Рекомбинация неравновесных носителей в до 450 K. ходе диффузии обусловливает потери заряда и приводит C–V-характеристики барьеров Шоттки были линей- к отклонению CCE = E/E от величины 100%. Для ны в координатах 1/C2 = f (U) до обратных напряже- начального участка зависимости E(U) возможна аппрокФизика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 384 Н.Б. Строкан, А.М. Иванов, Е.В. Калинина, Г.Ф. Холуянов, Г.А. Онушкин, Д.В. Давыдов, Г.Н. Виолина Соотношение энергии -частиц E, их пробега R в SiC и проление FWHM SiC-детектора по „тонким“ линиям диатяженности области электрического поля W0, обеспечивающей пазона 4.7-6.0 МэВ некорректно. Поэтому разрешение потери заряда E - E = 6кэВ SiC-детектора определялось с помощью другого спектрометрического источника, имевшего 4 близко лежащих E, кэВ R, мкм W0, мкм линии в диапазоне 5.4-5.5 МэВ. Измеренные спек4787 15.5 15.тры сравнивались с полученными для прецизионного 5489 18.8 18.Si-детектора.

6002 21.6 21.Как следует из рис. 4, Si-детектор разделяет два правых пика, а наличие „плеча“ у левого пика указывает на присутствие менее интенсивной (и меньшей по энергии) линии. В спектре SiC-детектора картина несколько симация линейной функцией смазана, однако получено значение FWHM = 18.8кэВ dE (0.34%), что лишь в 2 раза уступает хорошо технологиE = (LD + W ). (1) dx чески отработанным Si-детекторам. Следует также подчеркнуть, что Si-детектор был выполнен с применением Здесь dE/dx — удельные потери энергии -частицы режима фрактальной диффузии бора, обеспечившего в начале пробега 200 кэВ/мкм, LD — длина дифтонкое (порядка 300 в эквиваленте Si) „входное окно“ фузионного смещения дырок, W — ширина области детектора. В случае SiC-детектора в роли „входного окобъемного заряда. Соотношение (1) позволяет оценить на“ выступал слой Cr толщиной 1000, что приводило величину LD, а также концентрацию нескомпенсирок дополнительным флуктуациям величины сигнала.

ванных примесей в пленке Nd-Na непосредственно по С позиции объемных свойств материала подчеркнем, амплитуде сигнала детектора. Для указанных образцов что для полного переноса заряда и высокого разрешения были получены значения LD = 11.2 и 10.7 мкм при детектора оказались достаточными условия приблизиNd-Na = 5.85 · 1014 и 4.40 · 1014 см-3 соответственно.

тельного равенства значений пробега -частицы R и Эти величины оказались в хорошем согласии с данширины области электрического поля детектора W.

ными C–V-характеристик и зависимостей фототока от Весьма показательно, что не потребовалось развивать смещения.

доминирующие величины W R. Действительно, в укаРасполагая значением Nd-Na, можно определить занной геометрии „пробег–область поля“ при W R ход W (U) и далее выявить зависимость дефицита ампвершина кривой ионизации Брегга приходилась на учалитуды (E-E) непосредственно от протяженности обсток линейно спадающего от поверхности „слабого“ ласти W. Результат сопоставления зависимости E-E поля. Даже в столь неблагоприятных условиях какихот W для трех энергий -частиц Ra представлен либо проявлений захвата неравновесных носителей не на вставке к рис. 2. Видно, что резкое падение денаблюдалось.

фицита вплоть до нулевых значений происходит для Захват может происходить в виде локализации одразных энергий подобным образом. Характерно также, ной из компонент пары электрон–дырка либо путем что значения E-E 0 наблюдаются при величинах W = W0 R, когда роль диффузии в переносе носителей сведена к минимуму. Данные таблицы для выбранного нами уровня дефицита E-E = 6кэВ ( 0.1%) поясняют сказанное. Однако для 4-й линии Ra с энергией 7687 кэВ максимально достигнутая величина W = 28.4 мкм оказывается менее пробега (R = 31 мкм), что приводит к значительному дефициту (82 кэВ).

На рис. 3 приведена форма спектра -распада Ra, измеренная при U = 400 В. Видно, что неполный перенос заряда в случае -частиц с энергией 7687 кэВ сказывается и на ширине спектральной линии. Эта величина характеризует разрешение по энергии и определяется на половине высоты от максимума (FWHM). Как следует из рис. 3, величина FWHM для упомянутой линии существенно превышает таковую для трех остальных линий, расположенных ниже по энергии.

Рис. 2. Зависимости сигнала детектора (в единицах энергии) Отметим, что спектр на рис. 3 позволяет получить от приложенного напряжения для двух образцов (кривые лишь оценочное значение разрешающей способности и 2). Энергия -частиц равна 5390 кэВ. Для средней энергии SiC-детектора. С помощью прецизионного Si-детектора образования пары электрон–дырка в SiC использовано значебыло установлено, что линии источника Ra облание 7.70 эВ [6]. На вставке — зависимости дефицита амплитуды дают заметной для нашего случая собственной шири- сигнала детектора E - E от ширины области объемного заряной и, несмотря на полный перенос заряда, опреде- да W. Энергия -частиц, кэВ: a — 4787, b — 5489, c — 6002.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Спектрометрия короткопробежных ионов детекторами на основе CVD-пленок 4H-SiC Рис. 3. Спектр -распада Ra, измеренный SiC-детектором при напряжении смещения U = 400 В. Положение расположенной справа спектральной линии не соответствует ее энергии 7687 кэВ, что связано с неполным переносом неравновесного заряда.

рекомбинации пары полностью. В обоих случаях потери детекторов даже при частичном расположении трека в заряда пропорциональны концентрации центров захвата. слабом поле.

Из результатов работы следует, что в исследуемых Складывается убеждение, что для дальнейшего улучпленках уверенно реализован уровень содержания цент- шения разрешающей способности детекторов на базе ров, позволяющий получать высокие характеристики пленок SiC необходимо совершенствовать технологию „входного окна“ структуры. Аналогичная ситуация ранее возникала для кремниевых детекторов при попытках реализации теоретически установленных предельно достижимых значений разрешения.

Pages:     || 2 |



© 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.