Полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений на арсениде галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Арсенид галлия - перспективный материал для создания детекторов ионизирующих излучений.

Глава 2. Эпитаксиальные детекторы на арсениде галлия, выращенные из газовой фазы.

Параграф 2.1. Эпитаксиальные структуры ОаАэ, выращенные из газовой фазы в транспортной системе Оа-АзСЬ-Нг.

Параграф 2.1.1. Слабо компенсированные детекторные ОаАэ структуры п-типа, полученные газофазной эпитаксией.

Параграф 2.1.2. Компенсированные детекторные ваАБ структуры п-типа, полученные газофазной эпитаксией.

Параграф 2.1.3. Перекомпенсированные детекторные ваАБ структуры р-типа, полученные газофазной эпитаксией. Параграф 2.2. ОаАэ эпитаксиальный координатный детектор частиц. Параграф 2.3. Эпитаксиальные ваАэ детекторы, выращенные из газовой фазы и легированные хромом.

Глава 3. Эпитаксиальные детекторы на арсениде галлия, выращенные из жидкой фазы.

Параграф 3.1. Детекторные р+ -1 - п+ структуры из эпитаксиального материала. Параграф 3.2 Чувствительность р+ -^ - п+ структур к ионизирующему излучению.

Глава 4. Арсенид - галлиевые детекторы «ростового» материала, легированного хромом.

Параграф 4.1. Поведение и роль хрома, введенного в арсенид галлия. Параграф 4.2. Детекторные структуры с я-у переходом на компенсированном хромом арсениде галлия. Параграф 4.2.1. Механизм сбора заряда в л-у-п структурах. Параграф 4.2.2. Эффективность сбора заряда в л-у-п структурах. Параграф 4.2.3. Толщина активной области в л-у-п структурах. Параграф 4.2.4. Время жизни носителей л-у-п структурах. Параграф 4.2.5. Вольтамперные характеристики и темновые токи. Параграф 4.3. Микрополосковые детекторы частиц с я-у-п структурами. Параграф 4.4. Детекторные структуры резистивного типа из компенсированного хромом арсенида галлия. Параграф 4.4.1. Моделирование процессов разделения с сбора заряда. Параграф 4.4.2. Координатные детекторы, изготовленные из материала резистивного типа.

Глава 5. Радиационная стойкость арсеннд - галлиевых детекторов ионизирующих излучений.

Параграф 5.1. Радиационные эффекты в арсениде галлия.

Параграф 5.1.1. Спектр уровней радиационных дефектов.

Параграф 5.1.2. Электрофизические характеристики.

Параграф 5.1.3. Время жизни носителей заряда.

Параграф 5.2. Экспериментальные результаты исследования радиационной стойкости.

Параграф 5.2.1. Облучение в пучках нейтронов.

Параграф 5.2.2. Облучение в пучках протонов и пионов.

Параграф 5.2.3. Обсуждение результатов облучения.

Параграф 5.3. Восстановление параметров облученных п/п ОаА8<Сг>детекторов при термическом отжиге.

Около 20 лет назад полупроводниковые детекторы были едва известны в физике высоких энергий тогда, как сегодня - это широко используемые приборы, которые вырабатывают электрические сигналы, напрямую измеряемые чувствительными усилителями для определения координат частиц, реже их энергии, а также идентификации типа частиц. Электрические сигналы могут быть обработаны и записаны компьютерными системами сбора и обработки информации для немедленного либо последующего анализа. Полупроводниковые детекторы обеспечивают наивысшую координатную точность в больших детектирующих системах, что особенно важно для физических экспериментов, исследующих редкие процессы.

Почти все полупроводниковые детекторы, используемые в экспериментальной физике, изготавливаются на основе монокристаллов чистого кремния по технологиям интегральных микросхем, что и предопределило их широкое применение в силу высокой степени унификации и повторяемости этих технологий.

Развитие будущих физических экспериментов с использованием протон-протонных коллайдеров, а также других типов коллайдеров высокой светимости и пучков ионов потребует создания очень больших систем с максимально возможной гранулярностью детектирующих элементов. Это связано с огромным потоком частиц, образующихся в результате столкновения пучков и больших радиационных нагрузок на детекторы за время проведения экспериментов, сравнимых с радиационными нагрузками, получаемыми при работе с ядерными реакторами либо испытаниями оружия.

Поэтому будущее использование полупроводниковых детекторов в физическом эксперименте в значительной степени будет предопределено возможностями технологии создания высокоскоростных детекторов, обеспечивающих необходимые скорости считывания информации и возможностями работы детекторов в условиях предельно высоких радиационных нагрузок.

Кремневые детекторы, в основном, пока обеспечивают потребности современных физических экспериментов. Однако развитие экспериментальной физики следует в направлении увеличения радиационных загрузок. Это потребует в ближайшем будущем использование в физическом эксперименте с высокими радиационными загрузками детекторов из других материалов, таких как арсенид галлия либо искусственные алмазы. Кроме того, в ряде экспериментальных приложений уже сейчас важно иметь детекторы с большим атомным номером, например, для регистрации Х-лучей или при использовании полупроводниковых детекторов в качестве активных мишеней.

Настоящая работа посвящена актуальной проблеме разработки нового поколения полупроводниковых детекторов на арсениде галлия (ваАБ) и исследованию возможности их использования в ряде приложений.

В России работы по созданию и исследованию полуизолирующих слоев арсенида галлия и разработка приборов на их основе начались в 70-х годах в Томске в Сибирском физико-техническом институте (СФТИ) и НИИ полупроводниковых приборов. Предпосылкой к развитию исследований в данном направлении явились работы, проводимые группой учёных под руководством проф. Хлудкова С.С., посвященные исследованию диффузии и физико-химических процессов взаимодействия с кристаллической решеткой ваАБ примесей с глубокими энергетическими уровнями. К 1980г. был выполнен цикл работ и получены данные, позволившие обосновать новое научное направление по изучению физических механизмов диффузии в арсениде галлия примесей с глубокими уровнями, созданию способов изготовления и установлению принципов действия высокоомных структур с глубокими центрами в активной области и разработке СВЧ и оптоэлектронных приборов на их основе. Эти результаты были обобщены в докторской диссертации Хлудкова С.С. (СФТИ, г.Томск). Продолжением исследований по данному научному направлению явилась докторская диссертация проф. Толбанова О.П. (СФТИ, г.Томск) В диссертации предложен и реализован нетрадиционный подход к созданию приборных структур с глубокими центрами, содержащимися в активной части структур, которые и обусловливают ряд новых физических эффектов и электронных свойств приборов.

Предлагаемая к защите диссертация посвящена созданию полупроводниковых детекторов на основе ваАэ, легированного примесями с глубокими энергетическими уровнями, в частности - хромом, и исследованию электронных процессов в СаАэ детекторах ионизирующих излучений. Актуальность работы связана с отсутствием систематических исследований, позволяющих прогнозировать электронные свойства, обосновать физические модели и установить закономерности функционирования малоизученных физических объектов - полупроводниковых структур и детекторов на основе ваАБ, компенсированного примесями с глубокими энергетическими уровнями. В практическом плане, использование полупроводниковых структур, компенсированных глубокими уровнями, перспективно для создания высокоэффективных, радиационностойких детекторов ионизирующих излучений, используемых для разработки цифровых диагностических систем ' нового поколения.

В предлагаемой докторской диссертации впервые обобщены результаты исследований взаимодействия с ионизирующим излучением детекторных структур, изготовленных на основе полуизолирующего арсенида галлия, компенсированного хромом (Сг) в процессе диффузии, газофазной и жидкофазной эпитаксии, выполненных как непосредственно автором, так и под его руководством с 1989г. по 2003г. Работы, проведенные в этой области, позволили сформулировать научное направление, связанное с созданием ваАБ радиационностойких квантовочувствительных детекторов для прецизионных координатных и диагностических систем. Для этого потребовалось разработать и исследовать физические принципы управления электронными свойствами высокоомных структур, разработать принципы создания высокоомных структур с заданной конструкцией и толщиной высокоомного слоя более 100 мкм. Такой подход к созданию детекторных структур и многоэлементных детекторов ионизирующих излучений до сих пор остаётся оригинальным.

Цель работы и задачи исследования. К началу работы в литературе имелись ограниченные сведения о ваАв детекторах на компенсированном хромом арсениде галлия, исследовании в них электронных процессов, а также о возможности практического использования этих детекторов. Поэтому целью настоящей работы ставилось обобщение всех результатов, полученных при участии автора, по исследованию характеристик полупроводниковых детекторов на компенсированном хромом арсениде галлия, электронных процессов, протекающих в них при внешнем воздействии, прежде всего ионизирующего излучения, и разработке на их основе детекторов нового поколения. В ходе выполненных исследований решались следующие задачи:

• изучение электронных свойств и возможностей управления основными характеристиками высокоомных структур, лежащих в основе создания детекторов, и получаемых на арсениде галлия путем его компенсации хромом;

• исследование транспорта и сбора неравновесных носителей заряда в ваАБ детекторах, при взаимодействии их с электрическими полями, рентгеновским излучением и заряженными частицами высоких энергий;

• исследование влияния ионизирующих излучений (гамма, протоны, мезоны, нейтроны) на электрофизические характеристики и параметры детекторов, и выявление возможностей метода высокотемпературного отжига на восстановление характеристик детекторов.

Научная новнзна работы состоит, прежде всего, в малой изученности объекта исследований - полупроводниковых детекторов на основе арсенида галлия, компенсированного хромом. В диссертации приведены результаты исследования детекторов, изготавливаемых практически всеми современными технологическими методами: газофазной эпитаксией, жидкофазной эпитаксией, методом диффузии хрома в полуизолирующий арсенид галлия, комбинированными способами. Приводятся впервые сравнительные характеристики чувствительности к ионизирующему излучению детекторов, изготовленных разными методами. Изучено влияние компенсирующей примеси на электронные свойства и транспорт неравновесных носителей заряда, на радиационные свойства детекторов в полях протонов, нейтронов и мезонов. Представлены физические модели, объясняющие характеристики детекторов. Показана возможность создания на компенсированном хромом арсениде галлия детекторов с большой толщиной чувствительной области (более 1мм) и, соответственно, высокой эффективностью регистрации рентгеновских лучей в интервале энергий до 100 кэВ, что является принципиально важным для создания рентгенографических систем. Исследованы характеристики детекторов Х-лучей в этом диапазоне энергий.

Практическая значимость работы состоит в разработке физических принципов и конструкций детекторов ионизирующих излучений на основе арсенида галлия, компенсированного хромом. Практическая ценность созданных детекторов подтверждается их использованием в разработке различных систем:

1. Разрабатывается вариант трековой системы вершинного детектора для эксперимента "PANDA" с использованием пиксельных детекторов барьерного типа на арсениде галлия, компенсированного хромом, с целью повышения радиационной стойкости системы и увеличения времени эксплуатации вершинного детектора, на строящемся ускорительном комплексе GSI (г. Дармштат, Германия);

2. Разработана детектирующая система цифрового рентгеновского флюорографического аппарата сканирующего типа с линейкой падовых детекторов на арсениде галлия резистивного типа, обеспечивающая, по сравнению с выпускаемыми серийными аппаратами, улучшение пространственного разрешения, контрастной чувствительности, увеличение динамического диапазона, снижение в несколько раз дозы облучения пациентов. Разработанная система является основным продуктом, намеченным к производству, в рамках проекта диверсификации ГНЦ ИФВЭ « Организация производства диагностических/ детектирующих систем на базе арсенид галлиевых полупроводниковых детекторов». Проект находится на рассмотрении в Федеральном агентстве по атомной энергии;

3. Разработан медицинский аппарат - цифровой рентгеновский ортопантомограф с линейкой падовых арсенид - галлиевых детекторов, обеспечивающий снижение в десятки раз дозы облучения пациентов и персонала при медицинских обследованиях. Создан опытный образец прибора. Подготавливается к выпуску на производственных площадях ГНЦ ИФВЭ опытно-промышленный образец аппарата;

4. Разработывается детектирующая система с линейкой падовых арсенид - галлиевых детекторов в составе рентгеновского компьютерного томографа, подготавливаемого к производству в ФГУП «НИИ Технической физики» г. Снежинск (Челябинская обл.);

5. Микрополосковые детекторы резистивного типа используются в разработке сканирующей гамма камеры. Работа ведется совместно с ФГУП «НИИ Полупроводниковых приборов» г. Томск, предприятием «МЕДИ-ПРО» г.Томск, Сибирским кардиологическим центром г. Томск:

6. Пиксельные детекторы резистивного типа используются в разработке детектирующей системы дентального аппарата. Работа ведется совместно с ФГУП «НИИ Полупроводниковых приборов» г. Томск и Научно-исследовательским центром Университета г. Фрайбург (Германия) в рамках Проекта ИНТАС;

7. Микростриповые детекторы «чистого» газофазного арсенида галлия используются в разработке рентгеновского дифрактометра для контроля напряжений и ресурса прочности металлоконструкций. Работа ведется совместно с ФГУП «НИИ Полупроводниковых приборов» г. Томск, ФГУП «Институт физико-технических проблем» г. Дубна, С-Петербургский Политехнический университет г. С-Петербург в рамках подготавливаемого Проекта МНТЦ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Выводы.

Таким образом, проведенные исследования показали, что эпитаксиальные детекторные структуры, выращенные из газовой фазы с низкой концентрацией свободных носителей заряда см обладают квантовой чувствительностью к а-, (3-, у-излучению и высокой эффективностью сбора заряда, близкой к 100%. Толщина чувствительной области ограничивается областью объемного заряда диодов и не превышает 35-40микрон. Структуры обладают высоким энергетическим разрешением и перспективны для создания спектрометрических детекторов, например для идентификации радионуклидов.

Толщину чувствительной области детекторов можно значительно увеличить (до 260мкм) путем последующего легирования материала ГФЭ хромом. Однако, спектрометрические характеристики структур при этом ухудшаются. По-видимому, термическое воздействие в ходе диффузии хромом при температурах превышающих температуру эпитаксии ухудшают качество эпитаксиального материала.

1. Лаврентьева Л.Г., Вилисова М.Д., Образование центров с глубокими уровнями при газофазной эпитаксии арсенида галлия, Изв.Вузов.Физика. 1986г., №5,стр. 3-13.

2. Komeno Y., Kitahara К., S. Ohkawa, Growth of high resistivity GaAs VPE layers for device applications by the AsC13-Ga-N2 system, I. Cryst. Growth, 1979,v.47, p. 601-603.

3. Lin Lan-Ying, Lin Yao-Wang et al.-, Vapour phase epitaxial growth of high purity GaAs with the AsC13-Ga-N2 system., I. Cryst. Growth, 1982,v.56,p. 344-349.

4. Adams R.L., Growth of high purity GasAs using low-pressure vapor-phase epitaxy, Nucl. Instr. and Methods in Phys. Res., 1997,v.AB95,p. 125-128.

5. Adams R., Bates R. et al., Preliminary results for LP VPE X-ray detectors, Nucl. Instr. And Methods in Phys. Res., 1997,v.AB95,p. 129-131.

6. Bates R.L., Da'Via C. et al., Characterization of low-pressure VPE diodes before and after 24GeV/c proton irradiation, Nucl. Instr. and Methods in Phys.

7. Res., 1998,v.A410,p. 46-53.

8. Rogalla M., Lien Y. et al., The impact of deep acceptors on the performance of VPE GaAs X-ray detectors, Там же стр. 92-95.

9. Bates R.L., Monolopoulos S. et al., Development of low-pressure vapor-phase epitaxial GaAs for medical imaging, Nucl. Instr. and Methods in Phys. Res.,1999,v.A434, p. 1-13.

10. Ozeki M., Komeno I.,Shibatomi A., Ohkawa S., The selt compensation effect in VPE GaAs due to shallow and deep levels, Inst. Phys. Conf., 1979, Ser.45, p. 220228.

11. C.T. Sah, R.N. Noyce, W. Shockley, Proc. IEEE 45 (1957)1228.

12. S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley, New York, 1983.

13. R.L. Bates et.al, Nucl. Instr. and Methods in Phys. Res., 1999,v. 434, p.1-13.

14. A. Cola, Nucl. Instr. and Methods in Phys. Res., 1998, v.A410, p.85-91.

15. D.S. McGregor, H. Hermon, Nucl. Instr. and Methods in Phys. Res., 1997, v.A395, p. 101-104.

16. Эпитаксиальные детекторы на арсениде галлия, выращенные из жидкой фазы.

17. Авторами работы /12/ было экспериментально показано, что метод двойного легирования позволяет воспроизводимо получать слои GaAs с высоким удельным сопротивлением.

18. Температурная зависимость коэффициента распределения электрически активного хрома при жидкофазной эпитаксии GaAs описывается выражением:kCr =6058.3 -ехр(-21230/Т).