WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 9 Поведение варизонных детекторов ионизирующих излучений при облучении -частицами © Л. Дапкус, К. Пожела, Ю. Пожела, А. Шиленас, В. Юцене, В. Ясутис Институт физики полупроводников, 2600 Вильнюс, Литва (Получена 25 февраля 2004 г. Принята к печати 26 февраля 2004 г.) Исследовано влияние облучения -частицами на величину токового и оптического отклика варизонных детекторов -частиц и рентгеновского излучения в системе AlxGa1-xAs/GaAs. Установлено, что снижение величины как токового, так и оптического отклика обусловлено ростом скорости безызлучательной рекомбинации при увеличении дозы облучения -частицами.

1. Введение смещения. В настоящей работе для детектирования -частиц использовалась варизонная гетероструктура Варизонные гетероструктуры p-AlxGa1-x As/n-GaAs n-GaAs/p-AlxGa1-x As/p+-GaAs. На подложке p+-GaAs используются в качестве детекторов ионизирующих извыращивались варизонный слой p-AlxGa1-xAs толщилучений, причем как с токовым [1–4], так и с оптическим ной 25 мкм и с его узкозонной стороны слой n-GaAs толоткликом [5–8].

щиной до 2 мкм. Площадь детектора 1 мм2 была меньше, В первом случае варизонное поле используется для чем площадь источника -частиц (241Am). Генерировансобирания заряда, генерируемого ионизирующим излуные в кристалле электронно-дырочные пары собирались чением в объеме варизонного слоя. Эффективность соваризонным полем к переходу p-AlxGa1-xAs/n-GaAs, бирания заряда в этом случае определяется параметром где разделялись. Измерялся токовый отклик, соответствующий величине собранного заряда. В варизонном = tdr/rec, (1) слое AlxGa1-x As толщиной 25 мкм -частицы с энергией 5.48 МэВ полностью поглощаются. При градиенте где rec — время жизни, tdr — время дрейфа неравновессостава от x = 0 до 0.35 на толщине слоя варизонное ных носителей заряда через варизонный слой.

поле 120 В/см обеспечивает дрейфовую скорость элекВо втором случае чувствительность детектора опретронов 5 · 105 см/с и время пролета электронов через деляется квантовым выходом конверсии ионизирующего весь слой tdr 5 нс. Если время жизни неравновесных излучения в световое излучение и эффективностью выносителей заряда rec > 10-8 с, то столь короткое время вода последнего через широкозонное окно варизонного пролета обеспечивает 100-процентную эффективность кристалла. Внутренний квантовый выход сбора заряда, генерированного в слое, без приложения какого-либо внешнего напряжения к слою Alx Ga1-xAs.

= (2) 1 + r/nr В слабо легированной структуре p-Alx Ga1-xAs/n-GaAs, не подвергнутой облучению -частицами, эксперименопределяется отношением скоростей излучатель-тально измеренная эффективность сбора заряда при ной (r-1) и безызлучательной (nr ) рекомбинации.

облучении рентгеновским излучением от источника с В обоих случаях эффективность работы детектора медным анодом была близка к 100%.

определяется временем жизни неравновесных носитеБлагодаря высокой эффективности собирания зарялей — параметром, чувствительным к различного рода да экспериментально определенный спектр амплитуд дефектам, возникающим в кристалле при его облучении токового отклика структуры при облучении -частиионизирующими частицами. При этом в зависимости цами показывает хорошее разрешение (5%) спекот соотношения изменений скоростей излучательной тральной линии, соответствующей энергии -частиц и безызлучательной рекомбинации оптический отклик 5.48 МэВ (см. рис. 1).

детектора может как расти, так и падать с дозой Дальнейшее облучение -частицами слоя Alx Ga1-xAs облучения [9].

ведет к уменьшению времени рекомбинации электронноВ настоящей работе исследовано действие облудырочных пар, rec, и соответственно к уменьшению чения -частицами на характеристики варизонных величины собираемого заряда.

Alx Ga1-xAs-детекторов -частиц и рентгеновского излуИзменение в результате облучения -частицами амчения.

плитуды a собираемого заряда относительно амплитуды a0 в отсутствие облучения определяется изменением 2. Анализатор спектра -частиц величины rec:

a rec В работах [4,10] показано, что варизонная струк= [1 - exp(-tdr/rec)]. (3) тура может быть использована в качестве детектора a0 tdr -частиц, дейcтвующего без приложенного внешнего 1148 Л. Дапкус, К. Пожела, Ю. Пожела, А. Шиленас, В. Юцене, В. Ясутис При дозе облучения -частицами выше nd = 108 см-кристалл даже не может быть использован для исследования спектра -частиц. Однако структура AlxGa1-x As/GaAs продолжает счет всех -частиц и после дозы облучения -частицами выше nd = 1011 см-(см. рис. 1), т. е. структура Alx Ga1-xAs/GaAs как счетчик -частиц является радиационно стойким прибором.

3. Рентгенолюминесценция варизонного слоя Оптический отклик детектора на рентгеновское излучение, проявляющийся в виде люминесценции через шиРис. 1. Спектры амплитуд токового отклика варизонного детектора на излучение -частиц при различных дозах пред- рокозонную часть варизонного слоя AlxGa1-x As, опреварительного облучения -частицами. Источник — Am. деляется конкуренцией между излучательной и безызУказана длительность облучения в часах.

лучательной рекомбинацией. Облучение -частицами увеличивает скорости как излучательной, так и безызлучательной рекомбинации. Детекторы с оптическим откликом могут оказаться более радиационно стойкими.

Для исследования рентгенолюминесценции были выращены пластины варизонного полупроводника AlxGa1-x As с размерами 5 6мм2, толщиной 90 мкм с градиентом состава от x = 0 до 0.2.

Люминесценция наблюдалась с широкозонной стороны пластины с помощью CCD-камеры. Люминесценция возбуждалась излучением от рентгеновского источника с Cu-анодом (характерная линия 8 кэВ). Коэффициент поглощения рентгеновских фотонов с такой энергией в AlxGa1-x As составляет µ 400 см-1 [7]. Рентгенолюминесценция возбуждалась в слое пластины 25-30 мкм со стороны облучения рентгеновскими лучами.

Рис. 2. Время жизни неравновесных носителей rec в варизонИсточник -частиц (241Am) с размерами 1 2ммной структуре в зависимости от дозы облучения -частицами.

помещался вблизи поверхности середины варизонной Интенсивность облучения — 1.04 · 108 см-2 в 1 ч.

пластины. Поскольку размеры источника были меньше, чем размеры пластины AlxGa1-xAs, интенсивность облучения -частицами, а тем самым доза получаемой раНа рис. 1 показаны спектры амплитуд собираемого диации, на краях образца была на 2 порядка меньше, чем заряда, измеренные при различных дозах облучения в центре пластины, непосредственно под источником.

-частицами. Как видим, резкое падение амплитуды a На рис. 3 показана зависимость интенсивности рентсобираемого заряда наблюдается уже при относительно генолюминесценции ICCD, регистрируемая вдоль коормалых дозах облучения. Большое начальное падение ве- динаты L, при возбуждении рентгеновским излучением личины собираемого заряда связано также с тем, что при с узкозонной стороны от дозы облучения -частицами с облучении кристалла -частицами с узкозонной стороны той же стороны.

наибольший заряд возникает в конце трека -частицы. Исследования спектра люминесценции показали, что При уменьшении времени жизни носители заряда в излучение идет из слоя толщиной 20-25 мкм в узкоконце трека первые выпадают из числа собираемых в зонной части кристалла, где поглощаются -частицы и узкозонной части. рентгеновское излучение.

Измерения изменений амплитуды токового отклика Рентгенолюминесценция через широкозонное окно, при рентгеновском облучении в зависимости от до- возбуждаемая рентгеновским излучением с широкоды облучения -частицами подтвердили уменьшение зонной стороны, проникающим на глубину 25 мкм, эффективности собирания заряда в варизонном слое, не зависит от дозы облучения -частицами с узковызванное уменьшением времени жизни носителей. зонной стороны (рис. 4). -Частицы поглощаются на Вычисленные из эксперимента изменения времени глубине 20 мкм и не достигают широкозонной стороны жизни носителей заряда согласно (3) показаны на рис. 2. пластины толщиной 90 мкм.

Как видим, возникшие в результате бомбардировки Наблюдаемая с помощью CCD-камеры зависимость -частицами дефекты в кристалле Alx Ga1-xAs резко интенсивности рентгенолюминесценции от координаснижают время жизни неравновесных носителей. ты L объясняется координатной зависимостью дозы Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Поведение варизонных детекторов ионизирующих излучений при облучении -частицами Сравнение изменения амплитуды токового отклика с изменением амплитуды оптического отклика при облучении -частицами в течение 90 ч позволяет оценить, что скорость излучательной рекомбинации увеличилась на порядок. Однако из-за роста скорости безызлучательной рекомбинации интенсивность люминесценции все же уменьшается в 1.5 раза. Это значительно меньше, чем уменьшение токового отклика в 5 раз при облучении -частицами в течение 90 ч (рис. 1).

Следовательно, детекторы с оптическим откликом оказываются значительно более радиационно стойкими в сравнении с детекторами с токовым откликом.

Рис. 3. Изменение интенсивности рентгенолюминесценции 4. Заключение в зависимости от дозы облучения -частицами (указана длительность облучения в часах). На вставке — схема изме- Облучение -частицами варизонного слоя Alx Ga1-xAs рений: рентгенолюминесценция наблюдается с широкозонной приводит к увеличению скоростей излучательной и стороны варизонного кристалла с помощью CCD-камеры, но безызлучательной рекомбинации неравновесных носитевозбуждается рентгеновским излучением с узкозонной столей, генерируемых в слое ионизирующим излучением роны кристалла; облучение -частицами осуществляется с (рентгеновским и -частицами).

узкозонной стороны.

В результате токовый отклик варизонного детектора ионизирующих излучений падает на порядок при дозе облучения более 1010 см-2. Интенсивность оптического отклика (рентгенолюминесценции), несмотря на увеличение скорости излучательной рекомбинации, также падает с ростом дозы облучения вследствие доминирующего роста скорости безызлучательной рекомбинации.

При дозе облучения 1010 см-2 интенсивность рентгенолюминесценции падает лишь в 1.5 раза.

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

Список литературы [1] А.С. Волков. ФТП, 15, 1105 (1981).

Рис. 4. Изменение интенсивности рентгенолюминесценции, [2] J. Pozela, K. Pozela, A. Silnas, V. Jasutis, L. Dapkus, A. Kin возбуждаемой с широкозонной стороны варизонного кристалdurys, V. Jucien. ФТП, 36, 124 (2002). [Semiconductors, 36, ла, в зависимости от дозы облучения -частицами с широко116 (2002)].

зонной стороны (указана длительность облучения в часах). Ва[3] A. Silenas, J. Pozela, K.M. Smith, K. Pozela, V. Jasutis, ризонная структура предварительно облучалась -частицами L. Dapkus, V. Juciene. Nucl. Instrum. Meth. A, 487, в течение 90 ч с узкозонной стороны. На вставке — схема 54 (2002).

эксперимента.

[4] В.М. Андреев, В.Н. Блинов, В.А. Носенко, О.Г. Резванов, В.Н. Родионова. ФТП, 8, 1227 (1974).

[5] А.С. Волков, Г.В. Царенков. ФТП, 11, 1709 (1977).

[6] J. Pozela, K. Pozela, A. Silnas, V. Jasutis, L. Dapkus, облучения -частицами. На краях пластины, где доза V. Jucien. Nucl. Instrum. Meth. A, 460, 41 (2001).

радиации в десятки раз меньше, чем в центре, интенсив [7] K. Pozela, J. Pozela, A. Silnas, V. Jasutis, L. Dapkus, ность рентгенолюминесценции практически не зависит V. Jucien. Nucl. Instrum. Meth. A, 460, 119 (2001).

от облучения -частицами.

[8] K. Pozela, J. Pozela, L. Dapkus, V. Jasutis, A. Silnas, В центре пластины интенсивность люминесценции K.M. Smith, R.A. Bendorius. Nucl. Instrum. Meth. A, 466, падает с ростом дозы радиации. Однако наблюдаемое па58 (2001).

дение значительно меньше в сравнении с уменьшением [9] W. Lu, Y.L. Ji, G.B. Chen, N.Y. Tang, X.C. Chen, S.C. Shen, Q.X. Zhao, M. Willander. Appl. Phys. Lett., 83, 4300 (2003).

токового отклика (рис. 1). Это обстоятельство мы связы[10] A. Silnas, K. Pozela, L. Dapkus, V. Jasutis, V. Juciene, ваем с тем, что токовый отклик определяется суммарной J. Pozela, K.M. Smith. Nucl. Instrum. Meth. A, 509, скоростью излучательной и безызлучательной рекомби30 (2003).

нации, а за оптический отклик (за люминесценцию) Редактор Л.В. Шаронова ответственно отношение r /nr — см. уравнение (2).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 1150 Л. Дапкус, К. Пожела, Ю. Пожела, А. Шиленас, В. Юцене, В. Ясутис Behaviour of graded-gap detectors for ionizing radiation under alpha-particle irradiation L. Dapkus, K. Pozela, J. Pozela, A. Silnas, V. Jucien, V. Jasutis Semiconductor Physics Institute, 2600 Vilnius, Lithuania

Abstract

The effect of alpha-particle irradiation on the current and optical responses of graded-gap AlxGa1-x As/GaAs detectors for alpha-particle and X-ray radiation is investigated. It is show that the decrease of both current and optical responses is caused by the growth of the non-radiation recombination rate on increasing the irradiation dose of alpha particles.




© 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.