Арсенид галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГБ ОД

2 С ЛЕК 1S9

СИБИРСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. В. Д. Кузнецова при Томском Государственном Университете

На правах рукописи

Потапов Александр Иванович

АРСЕНИД ГАЛЛИЯ: РАДИАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ И ИОНИЗАЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

(Специальность 01.04.10—Физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Томск 1999

Работа выполнена в Сибирском физико-техническом институте им.В.Д.Кузнецова при Томском государственном университете

Научные руководители:

доктор физико-математических наук

кандидат физико-математических наук

Брудный В.Н. Толбанов О.П.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Гермогенов В.П.

кандидат физико-математических наук Куркан К.И.

Ведущая организация: институт сенсорной микроэлектроники СО РАН (г. Омск)

Защита состоится _ 1999г. на заседании диссертационного совета

Д 063.80.07 при Томском политехническом университете по адресу: 634034, г. Томск, пр. Ленина 30

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Томского политехнического университета Автореферат разослан "_"_ 1999г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

8Ш&Н. ¿Юв.З. О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность Полупроводники обладают высокой чувствительностью к ядерным излучениям (гамма- лучи, электроны, протоны, нейтроны, осколки ядерных реакций), что обусловило интерес к их использованию в качестве детекторов высокоэнергетических излучений. Преимуществами ионизационных полупроводниковых детекторов (ППД) по сравнению с газовыми и сцинтилляционными являются малые габариты, простота изготовления и более низкая стоимость. Первые ППД изготавливались, главным образом, на основе германия и кремния, что было обусловлено хорошо развитой технологией выращивания данных материалов. Арсенид галлия привлекает особый интерес исследователей по ряду причин. Во-первых, ОаАэ как материал для производства детекторов удачно сочетает в себе характерные особенности германия и кремния. Имея близкие к ве значения плотности с1 (5.32 г/см3) и атомного номера Z (31 для ва и 33 для Аб), он обладает близкой с германием тормозной способностью, при этом, арсенид галлиевые детекторы, как и кремниевые, могут работать при комнатных температурах. Вторая особенность детекторов ядерных излучений на основе СаАв — более высокая радиационная стойкость по сравнению с кремниевыми, что важно при их использовании в физике высоких энергий. Именно по этой причине в последние годы ППД на основе ОаАэ уделяется такое большое внимание. Хотя экспериментальные ППД на основе СаАэ появились в начале 60-х годов, их широкое применение тормозилось из-за недостаточного качества получаемого материала. Развитие технологии выращивания арсенида галлия позволило к настоящему времени получать как объемные, так и эпитаксиальные материалы высокого качества, что открывает возможности изготовления ППД с высокими техническими параметрами.

Одна из важнейших особенностей ППД, в том числе и на основе ОаАэ, состоит в том, что при прохождении высокоэнергетических излучений в кристаллической решетке полупроводника накапливаются радиационные нарушения, которые влияют на характеристики ППД и тем самым ограничивают срок его службы. Поэтому проблемам образования радиационных дефектов

(РД), их влияния на свойства материала и параметры ППД, а также методам устранения РД и восстановления характеристик материала и детекторов уделяется значительное внимание.

Радиационные нарушения в арсениде галлия начали исследоваться в конце 50-х - начале 60-х годов сразу же после того как были синтезированы первые образцы данного материала. По мере развития технологии выращивания данного материала и развития экспериментальных методов измерений накапливались и данные по РД в СаАв и их влиянию на свойства материала, а в самые последние годы и на свойства арсенид галлиевых ППД. В настоящее время ОаАэ является наиболее исследованным в этом отношении материалом среди полупроводниковых соединений группы Ш-У, хотя и значительно уступает по этим данным Б!, особенно в расшифровке микроструктуры РД.

Перед началом представленной работы в литературе имелись данные, главным образом, по радиационным эффектам (электрофизика, оптика, отжиг) в СаАв, облученном быстрыми нейтронами, в меньшей степени были исследованы образцы после электронного облучения и практически отсутствовали данные по прогонному облучению, особенно для протонов высоких энергий. Можно отметить такие нерешенные проблемы радиационных эффектов в ОаАэ, как "предельные" электрофизические характеристики материала после различных видов высокоэнергетических воздействий; свойства сильнодефектных образцов; особенности отжига РД при их большой плотности; изменение спектра дефектов РД в СаАв при изменении характеристик облучения; исследование радиационной стойкости и способы ее повышения методами радиационной технологии или путем выбора конструкции арсенид галлиевых ионизационных ППД.

Цель и задачи работы. Целью представленной работы является исследование влияния высокоэнергетических излучений (электроны, протоны, л-мезоны и быстрые нейтроны) на свойства арсенида галлия, главным образом, электрофизические, и параметры (эффективность сбора заряда, вольтамперные характеристики) ионизационных ППД на основе ОаАэ<Сг> и выявление возможности использования методов радиационной технологии для

оптимизации параметров арсенид галлиевых ППД.

• Научная новизна. Выявлены закономерности изменения электрофизических свойств арсенида галлия, включая полуизолирующий ОаЛ5<Сг>, при высокоэнергетическом радиационном воздействии (электроны, протоны и быстрые нейтроны);

• • определены "предельные" электрофизические параметры СаАэ (пцт(Б), р1,т(С)) и "предельное" положение уровня Ферми (/^(Б)) облученного высокоэнергетическими частицами; изучены электрофизические свойства и механизмы зарядопереноса в "переоблученном" (р(Б)<р1;т(0)) материале;

• исследованы спектры радиационных дефектов при разлтных видах облучения (электроны, протоны, нейтроны);

• исследована термическая стабильность РД в ваЛв, включая полуизолирующий ОаАБ<Сг>;

• изучены характеристики ионизационных детекторов на основе ОаЛз<Сг> и их радиационная стойкость;

• рассмотрены возможности использования структур на основе ОаАз<Сг> в качестве микростриповых детекторов ядерного излучений.

Практическая значимость. Основные результаты работы были получены в период с 1979 по 1999гг. при выполнении НИР в Сибирском физико-техническом институте (СФТИ) им. В.Д. Кузнецова при Томском государственном университете, проводимых в соответствии с координационными планами Минвуза СССР и АН СССР (Координационный совет по проблеме "Физико-химические основы полупроводникового материаловедения", Научный совет по проблеме "Радиационная физика твердого тела"); грантом ШТАБ -93-3430 "Разработка ваАБ радиационно-стойких детекторов"-1993-1998г; грантом РФФИ-97-02-16241 "Создание на основе арсенида галлия радиационно-стойких, координатно-чувствительных детекторов заряженных частиц для физики высоких эиергий"-1997 г.; программой конверсии и высоких технологий "Арсенид галлиевые структуры и приборы на их основе, чувствительные к воздействию электромагнитных излучений и ионизирующих частиц"-1997-1998гг.

Опытные образцы детекторов на основе GaAs<Cr> используются в экспериментах по физике высоких энергий для регистрации координат заряженных частиц на современных ускорителях с высоким радиационным фоном в институте физики высоких энергий (ИФВЭ, г. Протвино, Моск.обл.) и в Центре европейских ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария). Признанием достижений в этой области является включение автора данной работы в качестве члена коллаборации RD-8 (Research and Development) Международного проекта ATLAS, проводимого на ускорителях на встречных пучках в ЦЕРНе. Опытные образцы микрополосковых детекторов используются для создания цифровых диагностических систем, разработки современных дефектоскопов, рентгеновских томографов. Работа поддержана международным грантом международного научно-технического центра (МНТЦ), грант 1107-98.

Научные положения и основные результаты, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные данные о стабилизизации уровня Ферми в облученном арсениде галлия, предельные значения положения уровня Ферми (Ev+О.бэВ) и удельного электросопротивления (plims(6-8)x 1080мхсм при 300К) в облученном GaAs и их независимость от предыстории материала и условий облучения;

2. Результаты экспериментального сравнительного исследования спектров нестационарной емкости (НЕСГУ) в образцах GaAs, облученных электронами, ионами Н+ различных энергий и быстрыми нейтронами; количественные расчеты дозовых зависимостей электрофизических свойств в образцах, облученных ионами Н+ (5МэВ), на основе выявленного спектра радиационных дефектов;

3. Результаты экспериментальных исследований свойств и механизмов зарядопереноса в области температур (20-400)К в "переоблученном" ионами Н* (D=2x1017cm'2) GaAs: низкое удельное электросопротивление материала (<1000м при 300К), р-тип проводимости, прыжковый механизм зарядопереноса, эффекты электронного переключения;

4. Экспериментальные данные по исследованию особенностей отжига в "переоблученных" электронами (2МэВ) и ионами Н+ (5МэВ) образцах исходного

низкоомного и полуизолирующего арсенида галлия: качественная обратимость кривых облучение-отжиг, выявленная группа высокотемпературных дефектов ( ТОГЖ>7000С) и отжиг "проводящего" состояния в сильнодефектном GaAs при температурах (500-600)°С;

5. Результаты исследования параметров ионизационных детекторов на основе GaAs<Cr>; выявленная высокая радиационная стойкость структур, обусловленая положением уровня Ферми в активной области исследованных структур близким к его "предельному" положению в облученном арсениде галлия;

6. Выявленные возможности оптимизации характеристик структур методами радиационной технологии за счет более точной компенсации низкоомной области ППД "глубокими" радиационными дефектами.

Личный вклад автора. Исследования по теме диссертации проводились автором совместно с сотрудниками СФТИ им. В.Д. Кузнецова. Участие в работе каждого сотрудника отражено в совместных публикациях, докладах и научно-технических отчетах. Личный вклад автора включает разработку экспериментальных установок и методов измерений, подготовку образцов, их измерение, анализ и обработка полученных данных. Автор принимал участие в разработке технологических маршрутов многоэлементных детекторов (ФГУП "НИИПП", г. Томск) и облучении образцов -(ИЯФ при ТТТУ, г. Томск) - протоны с Е=5 МэВ; (ИФ HAH Украины, г. Киев) - электроны с Е=2 МэВ; (ГНЦ РФ НИФХИ им. Л.Я. Карпова, г. Обнинск) - быстрые нейтроны с Е=1 МэВ и электроны Е=1МэВ; ИФВЭ (г. Протвино, Московской, обл.) - протоны с Е=1ГэВ и Е=70ГэВ, нейтроны с Е=20МэВ, л-мезоны Е=40ГэВ; ЦЕРН (Швейцария) - я-мезоны с Е=5ГэВ.

Апробация работы. Результаты работы, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и симпозиумах: Всесоюзные совещания по исследованию арсенида галлия (Томск, 1982, 1987), Всесоюзный семинар по радиационной физике полупроводников (Новосибирск, 1982), Европейский симпозиум по полупроводниковым детекторам (Милан, 1992); Международная конференция по GaAs- детекторам

(Сан-Минеато 1994); Международные конференции по СаАв и сопутствующим соединениям (Аахен, 1995, Глазго, 1996, Чивидале дель Фриуан, 1997, Прага, 1998); Международная конференция по детекторам е+-е" коллайдеров (Новосибирск, 1996); Международная конференция по актуальным проблемам электронных приборов (Новосибирск, 1996); Международная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1996).

Публикации. Результаты, представленные в диссертации, изложены в 25 публикациях /58, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 74, 75, 78, 80, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 90, 91,92,93,94, 95, 96/.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 105 страницах: состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит рисунков 39, таблиц 6 и библиографический список из 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, формулируется цель работы и ее задачи, приведены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава содержит обзор литературных данных по ионизационным полупроводниковым детекторам ядерного излучения, их особенностям и недостаткам. Основное внимание уделяется детекторам на основе объемного и эпитаксиального ваАз. Анализируются экспериментальные и теоретические данные по пробегам частиц в СаАв, влиянию высокоэнергетических излучений на электрофизические свойства материала (проводимость, подвижность носителей заряда) и время жизни носителей заряда, анализируется спектр РД и их природа. Рассмотрено влияние условий облучений и предыстории материала на эффективность радиационных изменений БаАз, представлены данные по термической стабильности РД в арсениде галлия. На основе проведенного обзора литературных данных отмечены следующие особенности выполненных исследований:

• Не проведены количественные оценки "предельных" электрофизических характеристик облученного ваАз и "предельного" положения уровня Ферми, не

изучено влияние условий облучения и предыстории материала на эти характеристики;

• Не изучены электрофизические свойства "переоблученного" СаАэ, что важно для получения информации о свойствах силыюдефектных макроскопических скоплений РД в материале, облученном быстрыми нейтронами и высокоэнергетическими протонами;

• Не исследованы особенности отжига РД в "переоблученных" электронами и протонами образцах СаАэ;

• Не изучена динамика изменений спектров НЕСГУ в образцах ваАз при облучении электронами, протонами (МэВ-ГэВ) и быстрыми нейтронами;

• Практически отсутствуют данные по исследованию влияния облучения на свойства и данные по отжигу облученного полуизолирующего ОаАэ<Сг>;

• Отсутствуют данные по исследованию воздействия высокоэнергетической радиации на свойства ППД, не исследованы возможности использования методов радиационной технологии для повышения качества ППД на основе ОаАз<Сг>.

В заключение главы формулируется цель и основные задачи, которые решались в диссертации.

Во второй главе описаны экспериментальные данные по влияншо высокоэнергетического излучения на электрофизические свойства ОаАБ. Описана методика эксперимента, условия облучения.

Результаты экспериментальных исследований:

Электронное облучение. Показано, что во всех исследованных материалах ОаАБ<Сг, Бе, Те, Хп> удельное электросопротивление р возрастает до рцтг(6-8)х103 Омхсм (при 300К). При этом уменьшение Холловской подвижности носителей заряда (ц=Кн/р) составляет (3+4) раза. При облучении отмечена п-р конверсия типа проводимости и "закрепление" уровня Ферми вблизи Еу+0.6 эВ во всех исследованных материалах, что совпадает с расчетными значениями уровня локальной электронейтральности СаАв /1/. При больших потоках электронов (В>1018см'2, Е=2 МэВ) наблюдается уменьшение р до значений около 10б Омхсм (при 300 К) (Рис.1). Одновременно увеличивается доля

"примесной" проводимости в области низких температур в облученном ОаАэ,

включая полуизолирующий ОаАз<Сг>.

г

® Изучена термическая стабильность РД в

I облученном электронами ваАэ, включая

г»

Кроме известных стадий

2 О

и £ 1 510

н

о т4 О.10

о

|ю'

О .2

°ю

II Ее

/1 Ш. Е1 1.4

* Е2 » ЕХ2 X ЕЗ 1.2

• * 1.0

2Е4 0.8

Об

У

К2 0.4

нха

Н1 0.2

••г

......ь......■ ......НО 0.0

3 10,3101410,5ю'б10%

5 Поток ионов водорода, см > Рис.1

Температура, (103/Т) (К"') 10 20 30 40

ч >>

Температура, Т'"4 (К'"4)

« ОаАз<Сг>.

я

| восстановления электрофизических свойств таких образцов вблизи (150-300)°С, отмечены

со

я области отжига РД при температурах (350-

& 450)°С, (450-550)°С и выше 600°С.

^ Рис.1. Изменение удельного

электросопротивления (р) и положения уровня Ферми (Рп, Fp) при облучении ОаАэ ионами НГ(Е=5 МэВ), Т„зМ.=300 К. ■ п-(1-2)х1016см'3; • р-(1-2)х1016см'3; А СаАз<Ог>. Сплошные кривые расчетные значения р и в ваАз.

Рис.2. Температурная зависимость удельного электросопротивления (а) и эффект электронного переключения при ТИЗМ=25К (б) в ОаАБ, облученном протонами (Е=5 МэВ), 0=1.9хЮ17см'2. Рис.3. Амплитудные спектры НЕСГУ п-ОаАэ (п=(3-5)х1015см"3), облученного: 1-электронами (Е=1МэВ Б=8х1014см'2), 2- нейтронами (<Е>=1МэВ, Б=1х1014см"2), 3- протонами (&=1ГэВ, 0=2хЮ14см'2), 4- протонами (Е=5МэВ, Т(обл)=300К. В области

Температура, К Рис.3

В=3х1012см'2),

температур (77-120)К — 12Л1=10 с/5х10 с; в области (120-425)К—12/11=2х103с/1х104с;

Протонное облучение. Характер изменения электрофизических свойств

Протонное облучение. Характер изменения электрофизических свойств ваАз при бомбардировке ионами НГ качественно подобен электронному облучению. На основе измеренного спектра НЕСГУ ловушек СаАэ, облученного ионами РГ (5МэВ), и уравнения электронейтральности проанализированы дозовые зависимости Ян и р. Показано, что и в этом случае уровень Ферми стабилизируется вблизи Еу+0-6 эВ. Получены низкоомные слои (р=100 Омхсм при 300 К) р-типа проводимости в "переоблученном" ОаАэ (Б=2х1017см2), в том числе и на исходном полуизолирующем СаАз<Сг>. В области температур (20-400)К исследован механизм зарядопереноса в таких образцах: обнаружено явление перескоковой проводимости с переменной длиной прыжка /2/ и явление электронного переключения — появление ОДС Б-типа на статической вольтамперной характеристике образцов в области гелиевых температур (20-25)К (Рис.2). Изучен отжиг РД и сопоставлены стадии восстановления электрофизических свойств и спектров НЕСГУ облученных образцов.

Показано, что восстановление электрофизических свойств полуизолирующего СаАз<Сг>имеет место в области температур (150-600)°С, при этом качественно отжиги РД в СаАз<Сг>, облученном электронами (2МэВ) и протонами (5МэВ), подобны.

Облучение быстрыми нейтронами. Основное внимание уделяется спектру НЕСГУ такого материала, поскольку его электрофизические свойства хорошо изучены /31. Сравнение спектров НЕСГУ образцов СаАэ, облученных электронами (2МэВ), протонами (5МэВ) и быстрыми нейтронами показало, что основное отличие нейтронного облучения — наличие широкой полосы в спектрах НЕСГУ в области температур (250-350)К. Данная полоса связана с кластерами дефектов, которые формируются в ОаАз при нейтронном облучении /4/. Показано, что данная полоса формируется и при бомбардировке высокоэнергетическими (1ГэВ) протонами (Рис.3). Исследован отжиг РД в нейтронно-облученных образцах, качественно подобный отжигу РД в ОаАэ после электронного и протонного облучении. Показано, что во всех "переоблученных" образцах ваАз не наблюдается полного отжига РД вплоть до температур 750°С.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований ППД на основе диффузионно легированного Сг арсенида галлия — (структуры). Изучено влияние высокоэнергетической радиации на эффективность сбора заряда и вольтамперные характеристики структур с различным типом контактного слоя. Рассматриваются структуры типа р-л-у-п, п-л-у-п и Аи-л-у-п в качестве микрополосковых детекторов и датчиков, чувствительных к ядерному излучению.

Описана методика эксперимента — изготовление структур, измерительная схема установки. Приведены параметры структур: шумовые свойства, энергетическое разрешение, эффективность сбора заряда и их сравнение с соответствующими характеристиками ППД на основе объемного и эпитаксиалыюго СаЛв.

Исследована и показана, более высокая устойчивость структур к радиации по сравнении с детекторами на основе объемного полуизолирующего ваЛв, выращенного с отклонением от стехиометрического состава ("легирование" ЕЪ2-ловушками) и эпитаксиального ваЛв (Рис.4), здесь данные для других типов ППД на основе ваАз взяты из работы /5/. Обнаружено, что с помощью высокоэнергетического облучения эффективность сбора заряда может быть повышена за счет компенсации РД рабочей области и низкоомной части детектора (Рис.5). Исследовано восстановление характеристик при отжиге облученных структур и показано, что методами радиационной технологии (облучение или отжиг облученных структур) может быть существенно увеличена эффективность сбора заряда.

Проведены испытания микрополосковых структур на основе диффузионно легированного Сг арсенида галлия на высокоэнергетических пучках протонов (Е=70 ГэВ) и пионах (Ез40 ГэВ) в ИФВЭ, г. Протвино, пионах (Е=5ГэВ) ЦЕРН, Швейцария, и показана перспективность их использования в качестве координатно чувствительных детекторов ядерных излучений с эффективностью регистрации частиц до 80% и разрешением не хуже 14.3 мкм (Рис.6).

В заключении суммируются основные результаты и выводы работы.

Томск Италия Япония

300 мкм

о

гсм-ю

о

250 мкм 370 мкм АХТ мкм

мер

зим [ТОМ

600 мкм

Германия Англия

Материал расчет ¿О=200 мкм ; эклер им ент Рис.4

Рис.4. Сравнительные

исследования сбора заряда для различных ППД на основе СаАв, облученных протонами (Е=23ГэВ, П=1.6х1014см"2),

Сбор заряда определялся из

90а

амплитудных спектров от источника йг. Данные для ППД других стран взяты из работы /5/.

Поток ионов Н (1ГэВ), см' Рис.5

Аи-

Рис.5. Зависимость относительного изменения в сборе заряда в структурах СаА5<Сг> от интегрального потока протонов (Е=1ГэВ), Т(ОбЛ)=300К, Тгам=300 К.

Д146з р-я-у-п; ф 1463 р-я-у-п -▲141 з п -я-у-п; д 141 з п -я-у-п — (п0=1хЮ17см"3)

V 1535 р'-л-у-р (по=(8-9)х1017см'3; ▼ 153, р+-я-у-р -(по=1х1017см'3) О 11010 п+-я-у-п-(по=1х1017см"3) ❖ 110 п+-я-у-п-(по=5х101бсм-3) Рис.6. Топология микростриповых детекторов на основе ОаАз<Сг>. длина детектора - 2 см; ширина детектора - 2.6 см; шаг стрипа - 150 мкм; 50 мкм; ширина стрипа - 50 мкм, 10 мкм; высота стрипа - (5-7) мкм.

Пс.6

Айве

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В соответствии с поставленными задачами, в заключении формулируются основные выводы и результаты работы:

• Впервые проведены исследования электрофизических свойств п-, р-ваАз и полуизолирующего ОаАз <Сг, Ре>, облученного электронами (Е=2 МэВ) до 0=Ю19 см"2 и протонами (Е=5 МэВ) до В=2х1017 см"2, оценены "предельные" электрофизические параметры облученного материала (р11т(В)=(6-и8)х Ю8 Ом см при 300К). Выявлено явление стабилизации уровня Ферми в "предельном" положении ^¡щ^Еу+О.б эВ. Обнаружена независимость полученных величин р\,т и от вида облучения и предыстории материала.

• Впервые выявлена область "аномальной" зависимости р(В) при электронном и протонном облучениях ОаАз, а именно, уменьшение электросопротивления во всех исследованных образцах ОаАз (по сравнению с рцт(0)) при больших потоках электронов (Е=2 МэВ, 0>5хЮ17 см'2) и ионов Н+(Е=5 МэВ, Б>1015 см"2). На основе выявленного спектра РД в облученном п-ваАз и литературных данных количественно проанализированы дозовые зависимости электрофизических свойств п- и р-ОаАэ при протонном (Е=5 МэВ) облучении. Из измерений спектров нестационарной емкости (НЕСГУ) обнаружено качественное подобие спектра радиационных дефектов (РД) в кристаллах п-ваАБ, облученных ионами Н+ (Е=1 ГэВ) и быстрыми нейтронами.

• Определена область термической стабильности РД в ОаАз, стадии восстановления р сопоставлены с отжигом глубоких ловушек, выявленных из измерений спектров НЕСГУ. Показано, что кроме известных групп радиационных дефектов (Е-ловушки с Тотж=(200-г300)°С, Р-ловушки с Т<гш=(40Сй-600)оС), существуют неизвестные высокотемпературные (То™» 700°С) дефекты. Показано, что "проводящее" состояние в сильнооблученном арсениде галлия исчезает при Тотж (500-ь600)°С. Обнаружена качественная "обратимость" дозовых кривых р(Э) и кривых изохронного отжига р(Тотж/) в сильнооблученных образцах ОаАз.

• Разработаны опытные образцы радиационностойких микрополосковых детекторов заряженных частиц на основе GaAs<Cr> структур. Проведены исследования электрических характеристик и определены значения эффективности регистрации, эффективности сбора заряда, отношения сигнал/шум и координатное разрешение микрополосковых детекторов. Обнаружена высокая радиационная стойкость исследованных структур по сравнению со структурами на основе полуизолирующего GaAs с "глубокими" ростовыми ЕЬ2(Азоа-Х)-ловушками. Показано, что стойкость структур GaAs<Cr> к воздействию радиации обусловлена положением уровня Ферми в исходных образцах близким к его "предельному" положению в облученном материале Fi¡m=Ev+0.63D.

• Определены конкретные условия, позволяющие увеличить эффективность сбора заряда до 100% (для заданной толщины детектора) и соотношение сигнал/шум до (10-15) микрополосковых детекторов, на основе GaAs<Cr>, путем дополнительной компенсации низкоомной части рабочей области детектора с помощью облучения высокоэнергетическими частицами или термической обработкой облученных структур.

• Проведены испытания GaAs — микрополосковых детекторов на высокоэнергетических пучках протонов (Е=70 ГэВ) и пионов (Es40 ГэВ) в институте физики высоких энергий (ИФВЭ, г. Протвино), пионов (Е=5 ГэВ) в центре европейских ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария) и достигнуто координатное разрешение 14.3 мкм и работоспособность ППД до интегральных потоков протонов (Е=1 ГэВ) до D=2x1014cm"2 и нейтронов (Е=20 МэВ) до D=2x1013cm"2.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Brudnyi V.N., Krivov М.А., Potapov A.I. Electrical Transport in ^-irradiated Gallium Arsenide // Sol. State Commun.-1980.-V.34,№2.-P.l 17-119.

2. Брудный B.H., Кривов M.A., Потапов А.И., Шаховцов В.И. Электрические свойства и отжиг дефектов в арсениде галлия, облученного большими интегральными потоками электронов // ФТП.-1982.-Т.16,В.1.-С.36-39.

3. Брудный В.Н., Кривов М.А., Потапов А.И. Электрические свойства слоев

GaAs, облученном ионами Н* // ЦНИИ, "Электроника".-№8174/82.

4. Брудный В.Н., Кривое М.А., Потапов А.И. Электрические свойства слоев GaAs, облученном ионами Н+ //Изв. Вуз., Физика.-1983.-Т.17,В.1.-С.39-43.

5. Брудный В.Н., Кривов М.А., Потапов А.И., Рудь Ю.В. Электрические свойства твердых растворов А3В5-А2В4С52, облученных ионами Н+ // ФТП.-1983.-Т. 17,В.7.-С. 1347-1348.

6. Brudnyi V.N, Potapov A.I., Rud Yu.V., Serginov M. Electrical Properties of Electron-Irradiated GaAs and ZnSiAs2 Solid Solutions // Phys.Stat.Solid (a).-1983.-V.77,№1.-P.K33-K36.

7. Brudnyi V.N., Krivov M,A., Potapov A.I., Rud Yu.V. Electrical Properties of Electron- and Proton-Irradiated GaAs and ZnGeAs2 Solid Solutions // Phys.Stat.Sol. (a).-1984.-V.82,№2.-P.K191-K194.

8. Брудный B.H., Колин Н.Г., Потапов А.И. Глубокие ловушки в n-GaAs, облученном быстрыми нейтронами // ФТП.-1993.-Т.27,В.2.-С.260-264.

9. Воробьев А.П., Гордиенко А.И., Корецкая О.Б., Потапов А.И., Сергеев В.А., Смоль А.В., Толбанов О.П., Хлудков С.С., Цюпа Ю.П., Чмиль В.Б., Чунтонов А.В. Поиск GaAs структур для создания координатно-чувствительных детекторов. // Препринт 91-192. Институт физики высоких энергий, Протвино.-1991.-16С.

10. Воробьев А.П., Корецкий А.В., Потапов А.И., Толбанов О.П., Хлудков С.С., Чмиль В.Б., Чунтонов А.В. Исследование GaAs структур со встроенным ic-v переходом для создания координатно-чувствительных детекторов. // Препринт ИВФЭ 92-168.-Протвино.-1992.-23С.

11. Chmill V.B., Koretsky A.V, Khludkov S.S., Potapov A.I., Sergeev V.A., Tolbanov O.P., Vorobiev A.P. Exploration of GaAs Structures for Solid-State Detectors. // Proc. of the VI European Symp of Semicond.Det.,Milano, Italy.-24-26 February 1997.-P.33-36.

12. Chmill V.B., Chuntonov A.V., Khludkov S.S., Koretsky A.V., Potapov A.I., Tolbanov O.P., Vorobiev A.P. Exploration of GaAs Structures for Solid-State Detectors.//Nuci.Instrum.&Meth in Phys.Research.-1993.-V.A326.-P.310-312.

13. Chmill V.B., Chuntonov A.V., Khludkov S.S., Koretsky A.V., Potapov A.I.,

Tolbanov O.P., Vorobiev A.P. Exploration of GaAs structures with тг-v junction for coordinate sensitive detectors. // Nuclear Instrum.& Meth. in Phys.Research.-1994.-V.A340.-P.328-336.

14. Воробьев-А.П., Корецкий A.B., Крупный Г.И., Потапов А.И., Расцветалов Я.Н., Толбанов О.П., Хлудков С.С., Чмиль В.Б., Чунтонов A.B. Радиационная стойкость GaAs структур со встроенным ji-v переходом. // Препринт ИВФЭ 93-95. -Протвино,-1993 .-20С.

15. Chmill V.B., Chuntonov A.V., Khludkov S.S., Tolbanov O.P., Vorobiev A.P., Koretsky A.V., Potapov A.I. Results of tests of Russian microstrip detectors fabricated in Tomsk. // ATLAS Internal Note INDET-N036, 3 Februaiy 1994.-12 P.

16. Chrtiill V.B., Chuntinov A.V., Khludkov S.S., Koretsky A.V., Potapov A.I., Tolbanov O.P., Vorobiev A.P. Radiation Resistance of GaAs structures based on n-v junctions.//J.Phys.D.:Appl.Phys.-1995.-V.28.-P.559-564.

17. Cmill V.B., Chuntonov A.V., Khludkov S.S., Koretsky A.V., Potapov A.I., Tolbanov O.P., Vorobiev A.P. Radiation Resistance of GaAs structures based on n-v junctions. //J.Phys.D.:Appl.Phys.-1995. -V.28.-P.559-564.

18. Chmill V.B., Chuntonov A.V., Smoll A.V., Vorobiev A.P., Khludkov S.S., Koretski A.V., Potapov A.I., Tolbanov O.P., Smith K.M. Radiation hard microstrip detector based on gallium arsenide. // Nucl.Instrum.&.Meth. in Phys.Research.-1996.-V.A379.-P.406-408.

19.Chmill V.B., Chuntonov A.V., Khludkov S.S., Koretsky A.V., Potapov A.I., Tolbanov O.P., Vorobiev A.P. Radiation resistance of GaAs structures. // Nucl.Instrum.&.Meth. in Phys.Research.-1997.-V.A395.-P.65-70.

20. Khludkov S.S., Okaevitch L.S., Potapov A.I., Tolbanov O.P. GaAs structures with deep centres for ionising radiation detection. // Nucl.Instrum.&.Meth in Phys.Research.-1997.-V.A395.-P. 132-133.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Brudnyi V.N., Grynyaev S.N. and Stepanov V.E. Local neutrlity conception: Fermi level pinnung in defective semiconductors //Physica B.-1995.-V.212.-P.429-435

2. Мотт H., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах // И. Мир, М.-1974.-472С.

3. Coates R. and Mitchell E.W.J. The optical and electrical effects of high concentracions of defects in irradiated crystalline gallium arsenide // Adv.in Phys.-1975.-V.24,N5.-P.593-644.

4. Brudnyi V.N., Gradoboev A.V. and Peshev V.V. The broad midgap deep-level transient spectroscopy band in proton (65MeV) and fast neutron-irradiated n-GaAs //Phys.Stat.Sol.(b).-1999.-V.212,N2.-P.229-239.

5. Arbari S., Braunschweig W., Chu Z., Krais R., Karpinski W., Kubicki Th., Lubelsmeyer K., Rente C., Syben O., Tenbusch F., Toporowsky M., Wittmer B., Xiao W. J. Strip and Pixel Detectors based on GaAs for High Radiation Environment. // Proc.of 3-rd Intern.Scient. Techn.Conf."Actual Problems of Electronic Instr. Enqin. ".-Novosib.-1996.-V.l.-P.l-30.

ВВЕДЕНИЕ 3 1 .ДЕТЕКТОРЫ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И РАДИАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ В АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ литературный обзор).

1 Л. Полупроводниковые детекторы ядерного излучения

1.1.1. Характеристика СтаАв как материала для производства 1ШД

1.1.2. Арсенид галлиевые полупроводниковые детекторы

1.1.2.1. ППД на основе объемного (ЗаАа

1.1.2.2. ППД на основе эпитаксиального ОаАз

1.1.2.3. Радиационная стойкость ППД на основе (ЗаАБ 14 1.2. Радиационные эффекты в арсениде галлия

1.2.1. Электрофизические свойства

1.2.2. Спектр уровней радиационных дефектов

1.2.3. Время жизни носителей заряда

1.2.4. Взаимодействие радиационных дефектов и химических примесей

1.2.5. Влияние температуры облучения и положения уровня (квазиуровня) Ферми на эффективность компенсации и спектр радиационных дефектов

1.2.6. Термическая устойчивость радиационных дефектов 23 Выгоды

2. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ, ОБЛУЧЕННОГО ЭЛЕКТРОНАМИ, ПРОТОНАМИ И БЫСТРЫМИ НЕЙТРОНАМИ 29 2.1 Методика эксперимента

2.2. Электронное облучение

2.2.1. Электрофизические свойства

2.2.2. Отжиг радиационных дефектов

2.3. Протонное облучение

2.3.1. Электрофизические свойства

2.3.2. Электронное переключение в ОаАв, облученном протонами

2.3.3. Изохронный отжиг ОаАз, облученного протонами

2.3.4. Полуизолируюпдай ваАв <Сг>, облученный ионами Н+(Е=5МэВ)

2.4. Облучение быстрыми нейтронами

Выводы

Ж ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ, КОМПЕНСИРОВАННОГО Сг

3.1 Методика эксперимента

3.2 Параметры ППД на основе Оа

§<Сг>

3.2.1. Шумовые характеристики ППД

3.2.2. Энергетическое разрешение ППД.

3.2.3. Эффективность сбора заряда

3.3. Радиационная стойкость структур (ЗаАа<Сг>

3.4. Восстановление параметров облученных ППД (ОаАз<Сг>) при изохронном отжиге

3.5. Испытания структур на пучке Выводы