WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 9 Спектрометрические свойства SiC-детекторов на основе ионно-легированных p+-n-переходов © Е.В. Калинина¶, В.Г. Коссов, Н.Б. Строкан, А.М. Иванов, Р.Р. Яфаев, Г.Ф. Холуянов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Электрон Оптроник, 194223 Санкт-Петербург, Россия (Получена 26 декабря 2005 г. Принята к печати 13 января 2006 г.) Впервые представлены результаты исследований, выполненных в спектрометрическом режиме, детекторов ядерных излучений, изготовленных на основе p+-n-переходов, сформированных в пленках 4H-SiC. Переходы создавались ионным легированием алюминием эпитаксиальных слоев 4H-SiC толщиной 26 мкм, выращенных методом газофазной эпитаксии с концентрацией нескомпенсированных доноров (3-5) · 1015 см-3. Характеристики детекторов определялись при тестировании -частицами естественного распада с энергиями 3.35 и 5.4 МэВ. Эффективность собирания заряда, созданного -частицами с энергией 3.35 МэВ, достигала 100%, при этом разрешение по энергии составляло 2%.

PACS: 85.30.De, 85.30.Kk, 72.70.+m, 29.40.Wk.

1. Введение объясняет повышенный интерес к созданию детекторных структур на основе SiC, который наблюдается в мире в последнее десятилетие. Уже реализованы детекторы Радиационностойкие детекторы высокоэнергетичных частиц, способные работать в спектрометрическом ре- на основе барьеров Шоттки, сформированных в эпитаксиальных слоях 4H-SiC с концентрацией нескомжиме в экстремальных условиях, становятся все более пенсированных доноров Nd-Na =(4-6) · 1014 см-3, коактуальны. Такие детекторы необходимы для регистраторые при облучении -частицами с энергией в инции ядерных излучений с целью обеспечения безопастервале 4.8-7.7 МэВ имеют разрешение по энергии ности работы на атомных и космических объектах, при 0.5-0.34%, соизмеримое с лучшими характеристикаутилизации ядерных отходов и работе в радиоактивно ми Si-детекторов [6,7]. Однако температурный предел зараженных районах, особенно при повышенных темпеработы структур с барьерами Шоттки не превышает ратурах и при наличии химически агрессивной среды.

100-150C. Поэтому для реализации одного из основОни также позволят обеспечить контроль ядерного изных преимуществ SiC — высокотемпературного раболучения в качественном и количественном отношении в чего диапазона — необходимо создание детекторов на горячих точках ядерных реакторов.

основе p-n-переходов.

Кроме того, проведение физических экспериментов с Такие детекторы на основе диффузионных p-n-перебольшой радиационной нагрузкой, которые планируютходов, сформированных в 6H-SiC-кристаллах Лели, дейся на ускорителях будущего поколения (Large Hadron ствительно показали стабильную работу при темпераCollider и его модификация SLHC в ЦЕРН), требует турах до 500C. Наилучшие значения разрешения по научной разработки новых материалов для детекторов, энергии для -частиц составили 8-9% [8]. Получеспособных обеспечить долговременный радиационный нию более высокого разрешения в таких детекторах анализ во внутреннем объеме ядерных установок. Припрепятствовали низкий уровень качества материала, боры с указанной совокупностью свойств не могут быть а также наличие протяженной высокоомной диффуреализованы с использованием традиционных полупрозионной p-области. Создание низкоомного материала водниковых материалов (Ge, Si, CdTe, GaAs). Наиболее p-типа проводимости при изготовлении p-n-переходов перспективным для создания радиационно стойких де- на основе SiC традиционными методами проблематично, текторов является SiC, благодаря высоким значениям поскольку концентрация вводимых акцепторов огранипороговой энергии дефектообразования, а также элек- чена пределом их растворимости в SiC. Тем не менее трическим и механическим свойствам. Это было показа- недавно исследовалась возможность использования выно еще в первых работах по исследованию высокотемпе- сокоомных слоев p-типа в качестве базовой области транзисторной структуры детектора [9]. Пленки были ратурных характеристик детекторов, созданных на этом получены методом сублимации. Было показано, что материале [1–5]. Однако широкому распространению триодные структуры обеспечивают усиление сигнала в приборов на основе SiC препятствовало низкое качество десятки раз по сравнению с диодными. Это позволяет материала.

использовать тонкие эпитаксиальные высокоомные слои Прогресс, достигнутый в последние годы в выраp-типа для регистрации проникающего излучения.

щивании чистых высокоомных эпитаксиальных слоев, Однако низкоомные тонкие p+-слои, которые послу¶ E-mail: evk@pop.ioffe.rssi.ru жат „входным окном“ детектора, возможно получать 7 1124 Е.В. Калинина, В.Г. Коссов, Н.Б. Строкан, А.М. Иванов, Р.Р. Яфаев, Г.Ф. Холуянов неравновесным методом — ионным легированием с и 5.4 МэВ в режиме одиночного счета. При опредепоследующим активационным высокотемпературным от- лении характеристик детекторов (включая шумы) исжигом [10]. Диодные структуры с p+-эмиттером толщи- пользовалась стандартная для ядерной спектрометрии ной 0.45 мкм, сформированным ионным легированием аппаратура. Установка включала функциональные блоалюминием эпитаксиальных слоев 4H-SiC с концен- ки фирмы ORTEC: зарядочувствительный предусилитрацией Nd-Na = 1.1 · 1015 см-3, были исследованы как тель (142), усилитель с формированием полосы продетекторы -частиц (90Sr). Слои 4H-SiC были изго- пускания RC-цепочками (571) и прецизионный генератовлены методом газотранспортной эпитаксии (CVD). тор (419). Анализ амплитудного спектра проводился В таких детекторных структурах наблюдался стабиль- с помощью сочлененной с компьютером платы, обесный и воспроизводимый сигнал с эффективностью со- печивающей общее число каналов 4000 (разработка бирания заряда CCE = 100% [11]. Детекторы на осно- „RI-161/01“ ПИЯФ РАН). Для калибровки каналов исве ионно-легированных алюминием p+-n-переходов в пользовались линии -распада Ra и прецизионный CVD-слоях 4H-SiC с Nd-Na =(3-5) · 1015 см-3 иссле- кремниевый детектор ФТИ им. Иоффе РАН [7].

довались также при регистрации -частиц с энергиями 4.8-5.5МэВ [12]. Значения CCE составили 0.35, поскольку для указанных энергий область объемного 3. Результаты эксперимента заряда, где собирается большая часть неравновесных и их обсуждение носителей, была меньше трека -частицы даже при подаче максимально возможного обратного напряжения В режиме спектрометрии регистрируются спектры 400 В. Как положительный момент, был зафиксирован амплитуд сигналов детектора и определяется значение крайне низкий уровень шумов, что указывает на высокое ширины спектральной линии на половине от максимукачество p+-n-переходов.

ма (FWHM). Эти измерения оказываются интересными В данной работе впервые анализировалась возможв методическом плане, поскольку позволяют выявить ность функционирования в спектрометрическом реряд характеристик исходного материала и качество жиме детекторов, изготовленных на основе ионноp-n-переходов. Отметим следующие моменты.

легированных p+-n-переходов, полученных импланта1. Весьма важно, что производимая одиночной чацией Al в чистые CVD-слои 4H-SiC с последующим стицей ионизация является строго калиброванной по высокотемпературным кратковременным отжигом [12].

величине заряда. Число возникших пар электрон–дырка (N0) определяется отношением E/, где константа характеризует величину средней энергии образования 2. Методика эксперимента пары в данном материале. Для 4H-SiC величина Исследованные детекторные структуры изготавли- составляет 7.70 эВ [13].

вались на основе 4H-SiC CVD-слоев толщиной 2. Внесение калиброванного заряда позволяет вы26 мкм с концентрацией нескомпенсированных доно- явить условия диффузионно-дрейфового транспорта ров Nd-Na =(3-5) · 1015 см-3. Эпитаксиальные слои неравновесных носителей. По величине измеряемого выращивались на коммерческих подложках 4H-SiC с на опыте заряда (eN — средняя амплитуда спектра концентрацией Nd-Na = 1019 см-3. Электрофизические сигналов) определяются непосредственно потери при характеристики исходного CVD-слоя исследовались с переносе помощью Cr-барьеров Шоттки. CVD-слои были легироN0 - N =.

ваны ионами Al с энергией 150 кэВ и дозой 5 · 1016 см-Nдля создания p+-n-переходов. Затем производился выШирина амплитудного спектра выявляет степень неодсокотемпературный активационный отжиг при темперанородности свойств материала в масштабе объема, охватуре 1700C в течение 15 с. Детекторные мезаструктутываемого треком при переносе заряда к электродам ры площадью 10-3 см2 формировались ионно-плазмендетектора. Для -частиц даже при учете поперечноным травлением без специальной обработки периферии го диффузионного растекания объем трека составляет p+-n-переходов [10].

5 · 10-9 см3, т. е. выявляется микронеоднородности маГлубина залегания ионно-легированных p+-n-перехотериала при транспорте пакета носителей.

дов (0.6 мкм), значения диффузионных длин неосновных 3. Возникающий заряд для указанной энергии составносителей заряда — дырок (LD) в базовой n-области ляет 10-13 Кл, т. е. достаточно мал. Соответственно исходного CVD-слоя (2-3 мкм) и после формирования становится важной величина отношения сигнал/шум.

p+-n-переходов (5-6 мкм) определялись с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) на ско- Это предъявляет высокие требования к качеству обратле структуры. Электрические характеристики детектор- ной ветви p-n-перехода по уровню и характеру обратных токов и их шумов.

ных структур — вольт-амперные (I-V ) и емкостные (C-V ) — детально рассмотрены в работе [10]. Переходя непосредственно к спектрометрии, отметим, Тестирование детекторов осуществлялось -части- что корректное определение разрешения требует выполцами естественного распада с энергиями E = 3.35 нения следующего условия: трек тестирующей ядерной Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Спектрометрические свойства SiC-детекторов на основе ионно-легированных p+-n-переходов частицы должен полностью укладываться в области поля обратно смещенного p-n-перехода. В таких условиях реализуется полный перенос заряда путем „быстрого“ дрейфа носителей.

3.1. На рис. 1 представлен ход сигнала детектора (E) от напряжения смещения (U), подаваемого на детектор, при регистрации -частиц с энергиями E = 3.и 5.4 МэВ. На вставке представлены профили удельных потерь энергии -частиц на ионизацию (dE/dx) в зависимости от глубины их проникновения в SiC, получен- Рис. 2. Зависимость ширины спектральной линии детектора ные согласно расчетам по программе TRIM (Transport (FWHM) от величины потерь заряда.

of Ions in Matter) [14]. Пробеги -частиц для энергий 3.и 5.4 МэВ составили R3.35 = 10 и R5.4 = 19 мкм соответственно. Поскольку ионно-легированная p+-область ди(см. вставку на рис. 1). Здесь в процессе переноса вносит одной структуры составляет 0.6 мкм с относительно выбольший вклад диффузия дырок благодаря высокому сокой концентрацией акцепторов Na = 5 · 1019 см-3 [15], значению их диффузионной длины (LD = 5-6мкм).

можно считать, что при приложении обратного смеРазрешение по энергии детектора определялось для щения на детекторную структуру область электричелинии 3.35 МэВ. Амплитудный спектр имел форму, ского поля развивается только в высокоомной базовой близкую к гауссовой. При U 240 В ширина спектра на n-области, как и в барьерах Шоттки. Соответственно половине от максимума практически не зависела от сменачальные границы пробегов -частиц отсчитываются щения и составляла величину FWHM 2.0%. Однако от границы p+-n-переходов и ионизация, производимая собственную ширину линии детектора следует принять -частицей, происходит в объеме эпитаксиальной пленки равной 2.0%. Действительно, энергия 3.35 МэВ доститолщиной 26 мкм.

галась за счет торможения в воздушном промежутке Для детекторных структур при энергии -частиц 20 мм между источником и образцом. Это одновре3.35 МэВ наблюдалось насыщение зависимости сигменно приводило к разбросу значений результирующей нала детектора от обратного напряжения (рис. 1, энергии -частиц.

кривая 1), что указывало на полное собирание обПри малых смещениях U < 240 В, когда выполнялось разованного неравновесного заряда. Это происходисоотношение R > W, наблюдались потери заряда () за ло при смещениях U 240 В, когда значения протясчет диффузии. Согласно [16], в этих условиях выполняженности области электрического поля (W ), опредеется соотношение ленные для исходной концентрации в базовой области Nd-Na =(3-5) · 1015 см-3, становились близкими к FWHM = k, (1) пробегу частицы R3.35 = 10 мкм [12]. Нелинейный характер представленной зависимости связан с существенным где коэффициент k является мерой неоднородности возрастанием ионизации на интервале W = 0-10 мкм потерь заряда по объему образца за счет микронеоднородностей исходного материала. Из рис. 2 видно, что ожидаемая зависимость (1) не проявилась и разрешение на уровне 2.2% сохраняется, несмотря на значительное возрастание потерь до значений 25%. Принимая FWHM = 2.2% как верхнюю границу разрешения структуры, получаем значение k 0.1. Последнее указывает на высокую степень однородности структурных свойств используемого CVD-слоя 4H-SiC. Для сравнения, для стандартного поверхностно-барьерного детектора на основе Si была получена величина k = 0.36 [16].

3.2. Для -частиц с энергией 5.4 МэВ в диапазоне допустимых по уровню шума смещений U 400 В наблюдался линейный рост сигнала детектора и достичь эффективности собирания заряда на уровне CCE 1 не удавалось (рис. 1, кривая 2). Действительно, согласно измерениям емкости, область W составляет при U = 400 В только 10 мкм, что заметно меньше пробега частиц Рис. 1. Зависимости сигнала детектора E от приложенного R5.4 = 19 мкм, поэтому основная часть вносимого частинапряжения U при регистрации падающих -частиц с энергицей заряда переносилась за счет „медленной“ диффузии ей E, МэВ: 1 — 3.35, 2 — 5.4. На вставке — удельные потери дырок из базовой области к границе области электриэнергии (dE/dx) на ионизацию в SiC для -частиц с теми же энергиями. ческого поля, что сопровождалось потерями на захват.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1126 Е.В. Калинина, В.Г. Коссов, Н.Б. Строкан, А.М. Иванов, Р.Р. Яфаев, Г.Ф. Холуянов Линейный характер зависимости сигнала детектора от приложенного напряжения позволяет дать упрощенную модель переноса заряда, разделяя условно величину сигнала на диффузионную и дрейфовую компоненты (рис. 1):

E =(dE/dx)LD +(dE/dx)W. (2) Дополнительно линейный характер наблюдаемой зависимости указывает на то, что выполняется соотношение U + Vc 1/W, Nd - Na где Vc = 2.8 эВ — контактная разность потенциалов для SiC политипа 4H [10]. Согласно формуле (2) и Рис. 4. Зависимости шума детектора от приложенного на данным рис. 1 (кривая 2) были получены значения пряжения U при температуре T, C: 1 — 50.0, 2 — 75.0, LD = 7.8мкм и Nd-Na = 2.9 · 1015 см-3, что согласует- 3 — 100.0.

ся со значениями этих характеристик, определенными другими методами.

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.