WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 3 06;10;12 Электрофизические свойства GaAs слоев и особенности характеристик детекторов частиц высоких энергий на их основе © В.А. Беспалов,1 А.В. Воронцов,2 А.А. Горбацевич,1 В.И. Егоркин,1 Г.П. Жигальский,1 Э.А. Ильичев,3 1 А.В. Кулаков,1 Б.Г. Налбандов,1 В.С. Пантуев,1 В.Н. Распутный,1 Ю.Н. Свешников,2 С.С. Шмелев 1 Московский государственный институт электронной техники (Технический университет), 124498 Москва, Россия 2 Закрытое акционерное общество „Элма–Малахит“, 124460 Москва, Россия 3 Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина, 124460 Москва, Россия e-mail: edward@qdn.miee.ru (Поступило в Редакцию 16 апреля 2003 г. В окончательной редакции 11 августа 2003 г.) Представлены результаты экспериментальных комплексных исследований взаимосвязи свойств исходных монокристаллических пластин и эпитаксиальных структур арсенида галлия со спектрометрическими пороговыми характеристиками детекторов ионизирующих излучений на их основе.

Введение ческих частиц показывает, что радиационной стойкостью далеко не ограничивается перечень их сильных сторон.

В настоящее время рынок твердотельных частиц Ниже представлены результаты теоретических оценок высоких энергий и -квантов монополизирован высо- и экспериментальных исследований, убедительно покакоомным кремнием [1,2]. Несмотря на это, проводят- зывающие, что датчик на основе арсенида галлия по ся интенсивные поиски альтернативных кремнию ма- преобразовательным и „шумовым“ характеристикам не териалов, способных к длительной и устойчивой ра- только не уступают образцам на основе высокоомного боте в технологических зонах с повышенным темпе- кремния, но обладают существенным превосходством при детектировании ионизирующих излучений в области ратурным и радиационным фоном (например, HPGe, температур, больших 40-50C.

PbSeEu, C, GaAs [2–6]). Из спектра представленных альтернативных материалов наибольшей радиационной стойкостью обладают детекторы на основе алмазов [2].

Анализ Однако из-за малой величины зарядового числа (Z = 6) C-детекторы априори должны проигрывать остальным Детектирование высокоэнергетических частиц и по эффективности преобразования энергии -квантов -квантов твердыми детекторами основано на регистрав электронно-дырочные пары. Напротив, детекторы на ции потерь энергии частицей (квантом) при прохождеоснове HPGe (Z = 32) и твердых растворов PbSeEu нии вещества. Для регистрации частиц с энергиями, (Z 55) крайне привлекательны благодаря большой лежащими в диапазоне 10 keV...10 MeV, эффектами величине зарядового числа, а значит, и коэффициента первого порядка становятся ионизационные процессы, поглощения -квантов. Области использования чистого приводящие к образованию в веществе электронногермания и твердых растворов на основе свинца знадырочных пар (см., например, [7]). Это справедливо и чительно ограничиваются в силу малой ширины запредля -квантов рентгеновского диапазона в силу знащенной зоны, а также трудностей в реализации на их чительности [8] коэффициента преобразования энергии основе качественных p-n-переходов (значительные токи -квантов в неравновесные электронно-дырочные пары.

утечки, малая электрическая прочность, низкие рабочие Поэтому для детектирования частиц с энергиями, температуры). Таким образом, каждый из упомянутых лежащими в указанном диапазоне, а также при детектиматериалов способен составить конкуренцию кремнию ровании мягкого рентгеновского излучения эффективно лишь в узких областях применений при решении ряда используют регистрацию тока неравновесных носителей, задач по регистрации ионизирующих излучений.

образующихся в веществе в процессе ионизационных Из спектра перечисленных альтернативных материа- потерь.

лов к наиболее технологически освоенным на сегодняш- Обращаясь к сравнительному анализу указанных проний день относят арсенид галлия. Надежды на эффектив- цессов взаимодействия высокоэнергетических частиц с ное использование детекторов на основе GaAs связыва- твердотельным детектором, акцентируем внимание на ют с радиационной стойкостью этого материала. Однако следующих экспериментальных фактах: эффективность детальный анализ возможности использования арсенида ионизации в арсениде галлия более чем в 1.5 раз прегаллия материала датчиков -квантов и высокоэнергети- вышает эффективность ионизации в кремнии [9,10]; для Электрофизические свойства GaAs слоев и особенности характеристик детекторов частиц... коэффициента поглощения энергии -квантов рентгенов- поглощения ионизирующих излучений из-за возможноского диапазона веществом справедливо соотношение сти уменьшения толщины активной области детектора c · Z43 ( — длина волны, Z — зарядовое число „пролетные“ времена для носителей можно уменьшить элемента матрицы, c — скорость света), а для коэф- в меру отношения [ZCaAs/ZSi]8 · µCaAs/µSi, более чем фициента рассеяния 8/3 · q4Z/m2c4, (m — масса в 103 раз. Столь значительные различия в величинах атомов элемента матрицы) [7,8]; по радиационной стой- зарядовых чисел позволяют надеяться на практически кости схемы на GaAs существенно превосходят кремни- полную компенсацию сравнительных потерь в фотоэлекевые [11,12,13]; верхняя граница значения критической трическом усилении, вызванных различиями времени мощности GaAs интегральных схем (ИС) существенно жизни носителей в зонах нелокализованных состояний превышает аналогичный параметр кремниевых ИС [14];

сравниваемых материалов.

для микрочастиц коэффициент поглощения пропорци- Помимо большого значения величины фотоэлектрионален зарядовому числу, а многочисленные экспери- ческого усиления важна его стабильность во времени.

менты показывают, что количество пар неравновесных Фактором нестабильности является генерация в активносителей, возникающих в твердом теле, пропорционые области детектора радиационных дефектов и свянально отношению энергии частицы к средней энергии занных с нею изменений кинетических коэффициентов образования пары (последние практически идентичны (µp,n и n,p), в результате потеря заряда, а значит, и для кремния и арсенида галлия).

эффективности фотоэлектрического усиления детектоКак следует из выше изложенного, в указанном энерра, т. е. деградация датчика в процессе эксплуатации.

гетическом диапазоне эффективность преобразования По радиационной стойкости арсенида галлия и схемы энергии -квантов в неравновесные электронно-дырочна его основе существенно превышают кремниевые ные пары на единицу толщины слоя для арсенида галлия аналоги [15,16], что при идентичности эффективности ожидается выше, чем у Si, в меру отношения [ZGaAs/ZSi]4, детектирования GaAs и Si детекторами, следующих из а для микрочастиц — в [ZGaAs/ZSi] раз, где ZSi 14, представленных выше оценок, делает арсенид галлия а ZGaAs 32. Так как подавляющее число -электронов потенциально привлекательным базовым метериалом имеет энергии, достаточные для генерации -квантов для детекторов частиц высоких энергий.

рентгеновского диапазона, и сечение этого процесса Привлекательность GaAs детекторов усиливается бладостаточно велико, то следует ожидать параллельную годаря широкозонности материала, что дает основание реализацию следующей цепочки событий: микрочастирассчитывать на расширение области рабочих темпецы -кванты неравновесные электронно-дырочные ратур и возможность использования детекторов в техпары. Значит, и для микрочастиц с большой вероятнонологических зонах с повышенным температурным и стью следует ожидать, что сравнительная эффективность радиационным фонами (например, в ядерных реакторах, преобразования окажется также порядка [ZGaAs/ZSi], в технологических зонах ускорителей частиц высоких где >1.

энергий либо в геологии при каротажных работах).

Помимо процесса первичного преобразования микрочастица (квант) / неравновесные электронно-дырочЭкспериментальные результаты ные пары эффективность детектора в значительной степени определяется отношением времени жизни Ниже на частном примере детектирования высоконеравновесных носителей к „пролетному“ времени энергетических -частиц представлены результаты срав n/tn + p/t, где t = L2/V µp,n — время пролета p p,n нительных экспериментальных исследований детектоносителем пространства L между контактами детектора, ров на основе компенсированных GaAs материалов, V — напряжение между контактами детектора, µp,n — подвижность носителей, n,p — времена жизни электро- на „чистых“ эпитаксиальных слоях арсенида галлия и на основе высокоомного кремния. Работа детекторов нов и дырок в зонах нелокализованных состояний. Таким основана на регистрации тока неравновесных носителей, образом, важно не столько время жизни неравновесных носителй (у арсенида галлия оно на 3–4 порядка мень- рожденных потоком ионизирующих излучений. Исследовались вертикальные конструкции детекторов барьерноше, нежели в чистых кремниевых материалах), сколько го (переходы металл–полупроводник и p-n-переходы) отношение времени жизни к „пролетному“ времени.

Степенной характер зависимости коэффициента по- и резистивного типов. Структуры GaAs детекторов барьерного типа выполнены на основе эпитаксиальных глощения от порядкового номера элемента ( Z, слоев различного уровня легирования (табл. 1), вырагде >1) позволяет при разработке GaAs детекторов использовать существенно меньшие толщины активных щенных хлоридным методом газофазной эпитаксии на областей, нежели в Si детекторах (для рентгеновского GaAs подложках n-типа, легированных до вырождения.

излучения, например, в меру отношения [ZCaAs/ZSi]4), Активные области резистивных конструкций выполнены а значит, значительно сократить и время „пролета“ на основе промышленных пластин полуизолирующего неравновесных носителей активной области детектора. арсенида галлия (компенсированы дефектами типа ELМожно показать, что в GaAs детекторах в сравне- либо глубокими энергетическими центрами, связанными нии с детекторами на Si при той же эффективности с хромом и его оксидами). Резистивные детекторы изгоЖурнал технической физики, 2004, том 74, вып. 30 В.А. Беспалов, А.В. Воронцов, А.А. Горбацевич, В.И. Егоркин, Г.П. Жигальский, Э.А. Ильичев...

Таблица 1. Электрофизические параметры детекторных структур Электрофизические параметры слоев структуры Типы детекторных Параметры ГУ структур Nn, sm3 d, µ µ, sm2/V · c Et St f · Nt I тип: M-n-GaAs-n+GaAs 3 · 1013 29 4400 0.23D 2 · 10-17 II тип: M-p+GaAs-n-GaAs 1013 29 4400 0.23D 2 · 10-17 III тип: M-n-GaAs-n+GaAs– 3 · 1014 29 3900 0.6D 5 · 10-13 5 · IV тип: M-iGaAs-M(Cr-CrO) 7 · 106 150 4300 0.48D 2 · 10-14 7 · Vтип: M-iGaAs-M(EL2) 107 150 5000 0.78 Примечание. Nn (sm-3) — концентрация электронов в чистом слое; d (µ) — толщина чистого слоя; µ (sm2/V · c) — подвижность электронов в чистом слое; Et (eV), St (sm2), f · Nt (sm-3) — соответственно исходные значения энергии, сечения захвата, функции заполнения и концентрации ловушек в чистом слое; D — глубокий энергетический центр донорного типа.

Таблица 2. Рабочие характеристики детекторов Электрофизические параметры детекторов Типы структуры детектора СПМ, V2/Hz Оптимальный режим работы 20 Hz 1330 Hz U, V I1 nA R, keV S, keV I 4.6 · 10-12 8.36 · 10-16 -22 < 15 35 18.II 3.33 · 10-11 2.38 · 10-15 -30 45 15.1 8.III 6.27 · 10-11 1.6 · 10-14 -30 6... 7 141 9.IV - - -50 90 287 V > 10-8 3.56 · 10-9 -70 140 40 Примечание. U — напряжение обеднения, I1 — ток утечки ячейки детектора, R — разршение детектора, S — энергетический эквивалент шумов. Источник - частиц: I —E = 5.147 MeV и E = 5.499 MeV; II — E = 5.499 MeV и E = 5.456 MeV.

товлены по „мембранной“ технологии: кристалл толщи- тические коэффициенты, определяющие времена жизни ной 500 µ с линейным размером 6 8 mm, в централь- неравновесных носителей, пролетные времена и темной части его с линейным размером 5 mm утоньшался новые токи устанавливались в процессе холловских с тыльной стороны подложки (до 100 µ), после чего измерений (в геометрии Ван-дер-Пау) и релаксационных выполнялся контакт „омического“ типа (Au–Ge–Ni); к измерений (с использованием бесконтактного неразрулицевой стороне пластины также в средней ее части шающего метода релаксационной оптоэлектронной спеквыполнялся контакт из Au–V с линейными размератроскопии глубоких уровней — РОСГУ [17,18]). С поми 4 mm.

мощью C–V-метрии определялись зависимости глубин Электрофизические характеристики материалов исобеднения активных областей приборов от напряжения следованных детекторов представены в табл. 1. Кинеобратного смещения. Изучение полевых и температурных зависимостей тока детекторных ячеек позволило установить, что для всех типов структур ток ограничивается объемом регистрирующего слоя. Экспериментально определены характерные энергии активации, определены „темновые“ токи ячеек в диапазоне температур 15... 150C. Это дает возможность прогнозировать поведение ячеек и при более высоких, нежели 150C, температурах. Результаты электрофизических измерений перечисленными выше методами использовались при выборе оптимальных режимов питания (они представлены в табл. 2) и при анализе особенностей работы детектора в спектрометрическом режиме. Для оптимальной (с точки зрения спектрометрических характеристик) величины напряжения обратного смещения барьеров детекторных ячеек средние значения „темновых“ токов Рис. 1. Зависимости СПМ 1/ f шума от частоты при приборов с площадью активной области 0.12 smобратном смещении для разных типов структур. = 1.86 (I), 2.04 (II), 1.94 (III), 4.63 (V). приведены в табл. 2. Для детекторов из полуизолируЖурнал технической физики, 2004, том 74, вып. Электрофизические свойства GaAs слоев и особенности характеристик детекторов частиц... Рис. 2. Амплитудные гистограммы импульсов для детекторных ячеек на высокоомном Si и полуизолирующем арсениде галлия, b — амплитудные гистограммы импульсов для ячеек на эпитаксиальных структурах арсенида галлия.

ющего арсенида галлия (компенсированные материалы) собственными дефектами образцов (тип Y ) превышает они составляют 90 nA, для детекторов из чистого шумы в детекторах на „чистых“ слоях на несколько арсенида галлия с барьерными контактами металл– порядков.

полупроводник — 10 nA, для образцов из слаболеги- Результаты исследований детекторов в спектрометрованного арсенида галлия (3 · 1014 sm-3) с барьерными рическом режиме представлены в виде амплитудных контактами металл–полупроводник 6.5nA и 45 nA гистограмм импульсов. Все образцы испытаны при рабодля образцов из „чистого“ GaAs слоя с p-n-переходным чих напряжениях, соответствующих полному обеднению обедняющим контактом. Таким образом, наилучшие ре- объема детектирующего слоя по основным носителям.

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.