WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

зультаты получены для образцов из слаболегированного При испытаниях использовались два типа источников арсенида галлия (тип 3), что связано, по-видимому, с су- -частиц, каждый из которых имеет по две линии щественно большей энергетической глубиной ловушек излучения. Характерные энергии -частиц источника (0.6 eV по сравнению с 0.23 eV для „чистых“ слоев). первого типа — 5.147 и 5.499 MeV, второго — 5.Результаты измерений спектральной плотности мощ- и 5.499 MeV. Ток неравновесных электронно-дырочных ности (СПМ) избыточных шумов представлены в табл. 2 пар, генерируемых поглощаемыми в активной области и на рис. 1. СПМ растет с ростом фоновой концен- детектора -частицами, интегрировался зарядочувствитрации легирующей примеси, а для компенсированных тельным предусилителем. Техническая обработка сигнаЖурнал технической физики, 2004, том 74, вып. 32 В.А. Беспалов, А.В. Воронцов, А.А. Горбацевич, В.И. Егоркин, Г.П. Жигальский, Э.А. Ильичев...

Рис. 3. Сравнительные температурные зависимости положения пика событий для детекторов на различных материалах.

ла выполнялась таким образом, что амплитудное зна- ме 8.3 keV; токи утечки p-n-переходного детектора чение импульса от аналого-цифрового преобразователя составляют 44 nA. Наименьший уровень токов утеч(АЦП) было пропорционально поглощенному за эталон- ки достигнут на структурах типа 3, однако энергеный промежуток времени заряду. Это с учетом пропор- тическое разрешение детекторов на таких структурах циональности концентрации рождающихся электронно- неудовлетворительно ( 140 keV). Для оптимизировандырочных пар энергии -частиц позволяет получить ных детекторов на основе высокоомного кремния эфнеградуированный спектр поглощения — амплитудные фективность детектирования практически не отличается гистограммы импульсов: по оси ординат отложено число от эффективности арсенидгаллиевых образцов. Провесобытий рождения электронно-дырочных пар, по оси денные сравнительные спектрометрические измерения абсцисс — номера энергетических каналов. Энергетиче- с использованием источника второго типа позволили ская ширина каждого из каналов одинакова и без труда для высокоомного кремния получить несколько лучшие определяется присутствующей в каждом эксперимен- спектрометрические параметры: в частности, энергетите энергетической меткой — эталонным расстоянием ческое разрешение составило 10 keV, эквивалентные между двумя спектральными линиями использованного энергетические шумы 2keV.

источника -частиц.

Таким образом, экспериментальные исследования подТипичные результаты сравнительных исследований твердили результаты предварительного сравнительного GaAs детекторов в спектрометрическом режиме при анализа эффективности детекторов на GaAs и Si, а оптимальных напряжениях и различных температурах именно показано, что фотоэлектрическое усиление GaAs представлены на гистограммах рис. 2 и соответствую- детекторов сравнимо с аналогичными параметрами общих функциональных зависимостях рис. 3, 4. Порого- разцов оптимизированных промышленных детекторов из вые и спектрометрические характеристики приведены в высокоомного кремния. Однако по эквивалентным энертабл. 2. Наилучшие результаты получены для мишеней гетическим шумам (S 2keV) и по энергетическому из „чистого“ слоя арсенида галлия (N 3 · 1013 sm-3) разрешению ( 10 keV) приборные характеристики Si с обедняющим p-n-переходом (тип 2) в оптималь- детекторов при комнатных температурах все же предпоном режиме обеднения ( 30 V). Достигнуто энерге- чтительны, что связано, по-видимому, с генерационнотическое разрешение 15.1 keV при собственном шу- рекомбинационной составляющей полного шума, суЖурнал технической физики, 2004, том 74, вып. Электрофизические свойства GaAs слоев и особенности характеристик детекторов частиц... Рис. 4. Сравнительные температурные зависимости полуширины и амплитуды пика событий для детекторов из различных материалов.

щественно более загрязненного фоновыми примесями и в детекторах на основе полуизолирующего арсенида активного слоя детектора из арсенида галлия (табл. 1). галлия составляет 300%, в то время как относительТемпературный диапазон устойчивой работы детек- ные потери заряда в детекторах на основе „чистого“ торов на GaAs и Si определяется протекающими в GaAs (типы 1 и 2) при нагревании вплоть до 100C них генерационно-рекомбинационными процессами и, не превышали 4%. Что касается энергетического разкак следствие, утечками барьерных контактов и объема решения, то уже при температурах 40C кремний детектирующего слоя. В реальных условиях актуально теряет приоритет перед детекторами на основе арсе располагать детекторы и в областях с повышенными нида галлия, а температуры, большие 50C, являются температурами; кроме того, при больших энергиях ча- для кремниевых детекторов просто катастрофическими.

стиц (например, в ускорителях заряженных частиц на В частности, калибровочный пик (на гистограммах для энергии > 1GeV) либо в концентрированных пучках кремния на рис. 5 он помечен индексом K), занимающий неизбежны проблемы с отводом тепла и последующим при комнатной температуре два энергетических канала, перегревом кристаллов детекторов. Это побудило нас при 50C занимает уже 50 каналов. Полученные резульпровести в настоящей работе сравнительные исследо- таты позволяют отдать однозначный приоритет GaAs вания характеристик различных типов детекторов при детекторам с „чистыми“ эпитаксиальными слоями (Ч) работе в условиях повышенных температур (до 100C). при рабочих температурах, превышающих 40... 50C.

Результаты, полученные с использованием обсуждае- Результаты сравнительных исследований влияния рамых детекторов, представлены в виде зависимостей от диации на GaAs материалы с различным уровнем легинапряжения и температуры амплитудных гистограмм рования и архитектурой, полученные с использованием импульсов (рис. 5), положений пиков событий (рис. 6), тестовых структур, транзисторов и схем, представлены в амплитуды и полуширины пиков (рис. 3, 4). Как следует табл. 3. Исследования показали, что наиболее значительиз представленных зависимостей, с повышением темпе- но влияние потоков высокоэнергетических электронов ратуры наблюдается значительное снижение эффектив- (ВЭЭ) (E = 4 MeV, доза 107 rad) и электромагнитного ности кремниевых детекторов и детекторов на основе излучения (Co60, E = 1.25 MeV, доза 3 · 107 rad) на полуизолирующего GaAs. В частности, при температу- параметры GaAs приборов, полученных на „чистых“ лирах 50C потеря заряда в кремниевых детекторах бо однородно легированных слоях. Наиболее стойкими 3 Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 34 В.А. Беспалов, А.В. Воронцов, А.А. Горбацевич, В.И. Егоркин, Г.П. Жигальский, Э.А. Ильичев...

Рис. 5. Амплитудные гистограммы импульсов при различных температурах для образцов детекторных ячеек из различных материалов.

Рис. 6. Сравнительные зависимости положения пика событий от напряжения для образцов из различных материалов.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Электрофизические свойства GaAs слоев и особенности характеристик детекторов частиц... Таблица 3. Влияние радиационных воздействий на электрофизику структур и тестовых приборов Типы структур ВЭЭ, 4 MeV, 107 rad Co60, 1.25MeV, 3· 107 rad I/I V /V S/S I/I V /V S/S k/k / Однородное -0.7 -0.4 -0.6 +0.25 +0.15 -0.10 - -0.легирование -10-12/3 -0.4 -0.25 -0.10 - - - - -3 · 10-12/1 -0.3 -0.18 -0.07 +0.18 +0.10 0.02 < 0.02 < 0.n-GaAs До: 0.6 eV, 8 · 1013 sm-3 До: 0.6 eV, 8 · 1013 sm-эпит. слой После: 0.35 eV, 2 · 1014 sm-3 После: 0.20 eV, 1014 sm-3, / 0.Подложка До: 0.82 eV, 7 · 1014 sm-3 Изменений в спектрах Eta и Etd полуизолированная После: 0.87 eV, 0.38 eV не выявлено Примечание. I и I — ток стока и его изменение; V и V — пороговое напряжение и его изменения; S и S — крутизна ПТ и ее изменения;

k и k — коэффициент усиления и его изменения; и — время релаксации фотопотенциала и его изменение; 1012/3 —-структура с тремя -слоями, легированными до 1012 sm-2 с расстояниями между ними в 150.

к радиационным воздействиям (к деградации) оказыва- торможением либо из-за ионизации, выполненных на ются полуизолирующие арсенидгаллиевые материалы; основе функциональных зависимостей для соответствуоднако использование в качестве активной среды полуи- ющих компонент потерь (для тормозного излучения) золирующего материала, как следует из представленных по Бете и Гайтлеру [19], для ионизационных потерь по выше результатов, приводит к высокому уровню шумов Бору [20]), предположение о доминирующем влиянии со(рис. 1) и к необходимости принудительного охлажения ствляющей ионизирующих воздействий в виде -квантов детекторов. не лишено смысла. Значит, следует ожидать нелинейный характер проявлений зависимости коэффициента поглощения от зарядового числа атомов вещества детектора.

Выводы Прилегающую к пластине вольфрамового „замедлителя“ детекторную пластину из GaAs будут бомбардировать с Таким образом, результаты комплексных эксперимендвух сторон электронно-фотонные линии, содержащие тальных исследований и предварительного анализа позпомимо -электронов „фотоэлектроны“, „мягкие“ рентволяют считать нелегированный GaAs перспективным геновские кванты и жесткие -кванты, выходящие из материалом для детекторов -квантов и микрочастиц слоев „замедлителей“ с глубин, меньших, чем значения с энергиями, лежащими в диапазоне 10 keV...10 MeV.

радиационных длин для соответствующих -квантов.

Практически не уступая в чувствительности и в спекТаким образом, предпочтительность использования детральном разрешении детекторам на основе высокоомтекторных слоев с высоким значением зарядового числа ного Si, GaAs детекторы позволяют значительно (двух– (например, арсенида галлия) для столь высокоэнергетрех десятков вольт для детекторов -частиц) уменьтических потоков ионизирующих излучений становится шить рабочие напряжения и существенно повысить еще более очевидной, чем при изученных выше более радиационную и термическую стойкость датчиков.

низких энергиях.

Представленный анализ касался ионизирующих излучений в диапазоне энергий 10 keV...10 MeV. При больСписок литературы ших энергиях частиц пучка (либо -квантов) влияние эффектов, связанных с температурными перегревами [1] Акимов Ю.К., Игнатьев О.В., Калинин А.И., Кушнии радиационными нарушениями, только возрастает, а рук В.Ф. Полупроводниковые детекторы в эксперимензависимость коэффициента поглощения от зарядового тальной физике. М.: Энергоатомиздат, 1989. 344 с.

числа усиливается. Действительно, для потоков частиц [2] EG and G Ortec Catulog. 1995. Instruments and Systems for с энергией, большей 10 GeV, наиболее оптимальными Nucler Spectroscopy. Modular Pulse-Processing Electronics являются детектирующие модули, выполненные в виде and Semiconductor Radiation Detectors. P. 408–409.

многослойных периодических структур из чередующих- [3] Arbari S., Braunschweig W., Chu Z. et al. // Proc. 3rd Intern.

Sci. Tech. Conf. „Actual Problems of Electronic Instr. Engin.“ ся детекторых слоев и слоев „замедлителей“ (наприNosib, 1996. Vol. 1. P. 1.

мер, из вольфрама). Генерируемые в слоях „замедли[4] Брудный В.Н., Потапов А.И., Толбанов О.П. // Электронтелей“ -кванты либо - и фотоэлектроны бомбардиная пром-сть. 2002. № 2/3. С. 29–31.

руют непосредственно прилегающую к „замедлителю“ [5] Айзенштат Г.И., Гермогенов В.П., Гущин С.М. и др. // детекторную пластину. По результатам оценок удельных Тез. Восьмой Российской конф. „Арсенид галлия и полупотерь энергии высокоэнергетическими частицами в проводниковые соединения группы III–Y“. 2002. С. 278– твердотельном детекторе, связанных с радиационным 280.

3 Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 36 В.А. Беспалов, А.В. Воронцов, А.А. Горбацевич, В.И. Егоркин, Г.П. Жигальский, Э.А. Ильичев...

[6] Ильичев Э.А., Егоркин В.И., Кулаков А.В., Пантуев В.С., Шмелев С.С., Беспалов В.А., Горбацевич А.А. // Там же.

С. 266–268.

[7] Bethe H.A. // Ann. d. Phys. 1930. Vol. 5. C. 325.

[8] Берестецкий В.Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Релятивистская квантовая теория. 1968. Ч. 1. 477 с.

[9] Аствацетурьян Е.Р., Голотюк О.Н., Попов Ю.А. и др.

Проектирование электронных схем с учетом радиационных воздействий. М., 1984.

[10] Вавилов В.С. Действие излучения на полупроводники. М., 1963.

[11] Newell D.M., Ho P.T., Mencik R.L., Pelos J.R. // IEEE Trans.

1981. Vol. Ns-28. N 12. P. 4403–4406.

[12] Kadowaki Y., Mitsni V., Takebe T. et all. // GaAs IC Symp.

Tech. Dig. 1982. P. 83–86.

[13] Derley H.H., Houston T.W., Hite L.R. // IEEE Trans. 1983.

Vol. NS-30. N 12. P. 4277–4281.

[14] Zully R., Notthoff J.K. // IEEE Trans. 1982. Vol. NS-29. N 5.

P. 656–1661.

[15] Notthoff J.K. // IEEE Trans. 1985. Vol. NS-32. N 11. P. 1– 4064.

[16] Sheld W.N., Sampson J.L., La Pierre D.C. // IEEE Trans.

1983. Vol. NS-30. N 12. P. 83–4186.

[17] Ильичев Э.А., Лукьянченко А.И. Способ измерения параметров полупроводниковых материалов. Патент № 2079853. Приоритет от 17.09.93. Опубл. 1997.

[18] Ильичев Э.А. // ЖТФ. 1998. Т. 68. № 5. С. 41–143.

[19] Heitler W. The Quantum Theory of Radiation. Oxford; New York, 1954.

[20] Бор Н. Прохождение атомных частиц сквозь вещество. М.:

ИЛ, 1950.

Pages:     | 1 ||



© 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.