ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 520.342
ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ДЕТЕКТОРЫ НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР GaAs
© 2013 г. В. Ф. Дворянкин, Г. Г. Дворянкина, Ю. М. Дикаев, М. Г. Ермаков, А. А. Кудряшов, А. Г. Петров, А. А. Телегин
Институт радиотехники и электроники им. Котельникова РАН Россия, 141190, Фрязино Московской обл., пл. Введенского, 1 E-mail: vfd217@ire216.msk.su Поступила в редакцию 22.03.2012 г. После доработки 21.05.2012 г.
Представлены результаты исследований свойств нового фотовольтаического рентгеновского детектора, изготовленного на основе эпитаксиальной структуры n—n'—n+-GaAs, выращенной методом газофазной эпитаксии. Измерена чувствительность детектора к рентгеновскому излучению в диапазоне эффективных энергий 7—120 кэВ. Разработаны многоканальные линейные рентгеновские детекторы и с их помощью получены цифровые изображения высокого качества.
DOI: 10.7868/S0032816213010217
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время рентгеновские системы, в которых изображение фиксируется на пленке или фотопластинке, уходят в прошлое из-за недостаточного динамического диапазона и сложностей при обработке фотоматериала. Кроме того, в медицинской рентгенографии, как всегда остро, стоит проблема снижения дозовой нагрузки на пациента. Хорошие результаты получены при использовании в рентгенографии сцинтилляторов в качестве детекторов, однако, и они имеют недостатки, такие как послесвечение и недостаточный срок службы. Например, на сайте одного из ведущих производителей сцинтилляционных детекторов на основе фирмы Нашашайзи (www.hamamat-
su.com) можно найти следующие данные: после поглощения дозы 80 Гр чувствительность детектора падает на 10%, через 100 мс после выключения засветки послесвечение составляет 1%, что приводит к размытию изображения. Поэтому в рентгенографии все более широко применяются полупроводниковые детекторы.
Для детектирования рентгеновского излучения обычно используются полупроводниковые приборы двух типов: р-—и-диоды [1] и диоды Шоттки [2], работающие при напряжении обратного смещения 1—2 В/мкм, что приводит к увеличению шумов, возникающих из-за токов утечки. Для понижения уровня шума требуется охлаждение детектора.
Нами был разработан [3] фотовольтаический рентгеновский детектор на основе эпитаксиаль-ной структуры арсенида галлия, эффективно работающий при комнатной температуре.
Фотовольтаический эффект, т.е. электродвижущая сила, возникает в полупроводниковой структуре при поглощении рентгеновских фотонов, которые генерируют носители тока — электрон-дырочные пары. Эти пары разделяются внутренним электрическим полем эпитаксиальной структуры со слоями различного типа проводимости. Мы использовали для этого эпитаксиальную структуру р+—и—и'—и+-GaAs.
В данной работе представлены обобщенные результаты исследований свойств разработанного нами рентгеновского детектора, а также описаны созданные нами для получения рентгеновских изображений многоэлементные детекторы.
2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ ДЕТЕКТОРОВ
Эпитаксиальные структуры р+—и—и'—и+-GaAs выращивались методом газофазной эпитаксии на легированных кремнием подложках и+-GaAs(100) (и = 1018 см-3) диаметром 2 дюйма и толщиной 500 мкм. Требовалось: а) вырастить высокоомный слой GaAs максимальной толщины и б) создать по всей толщине обедненную область. Выращивание эпитаксиальных слоев арсенида галлия большой толщины методом газофазной эпитак-сии усложнялось малой скоростью роста и несовершенствами поверхности растущего слоя, такими как, например, пирамиды роста. Разработанная нами технология позволила получать эпитаксиальные слои и-GaAs с низкой концентрацией дефектов типа EL-2.
7
97
Ток, нА 50
40
30
20
10
0
-2-10 1 Напряжение, В
Рис. 1. Типичная вольт-амперная характеристика эпитаксиальной структуры р+—п—п — п+-ОаЛБ без освещения.
Эпитаксиальная структура состоит из трех слоев: верхний слой р-ОаЛ (р « 1018 см-3) толщиной 1—2 мкм, слой п-ОаЛ (п ~ 1011—1013 см-3) толщиной 60—100 мкм и буферный слой п'-ОаЛ (п « 5 • 1017 см—3) толщиной 2—3 мкм. Омические контакты наносились вакуумным осаждением пленок Л1/Сг и Ni/Оa/Лu на верхнюю и нижнюю поверхности структуры соответственно.
Исследование вольт-амперных характеристик структуры показало, что они аналогичны вольт-амперным характеристикам солнечных батарей. Особенно важна обратная ветвь характеристики, так как она определяет темновой ток детектора и, следовательно, шумы. На рис. 1 приведена типичная вольт-амперная характеристика эпитаксиальной структуры без освещения. При освещении рентгеновским излучением характеристика смещается вниз по оси ординат.
Фотовольтаический детектор может работать в двух режимах: в режиме тока короткого замыкания и в режиме разорванного контура. Более предпочтительно использовать режим тока короткого замыкания, так как в этом случае сигнал детектора изменяется линейно с интенсивностью рентгеновского излучения, в то время как в случае разорванного контура эта зависимость логарифмическая.
При воздействии рентгеновского излучения на фотовольтаический детектор в режиме тока короткого замыкания в нем возникает ток
1кз = (1)
где е — заряд электрона, а N — поток поглощенных рентгеновских фотонов с энергией больше ширины запрещенной зоны. На рис. 2 приведена зави-
Ток, нА 30
25
20
15
10
12 16 Мощность дозы, мР/с
Рис. 2. Зависимость тока короткого замыкания от мощности дозы рентгеновского излучения.
симость тока короткого замыкания от мощности дозы рентгеновского излучения для описываемого детектора. Видно, что эта зависимость линейная.
Исследование вольт-фарадных характеристик позволило нам контролировать обедненную область в эпитаксиальном слое п-ОаЛв и оценить концентрацию носителей тока п = N — N — концентрация доноров, N — концентрация акцепторов).
На рис. 3 приведена типичная вольт-фарадная характеристика фотовольтаического рентгеновского детектора. Согласно рисунку, емкость остается почти постоянной до напряжения смещения 0.4 В. Это позволяет предположить, что обедненная область распространяется на всю металлургическую толщину высокоомного эпитаксиального слоя п-ОаЛв. Наличие обедненной области по всей толщине высокоомного слоя важно тем, что это обеспечивает максимальный сбор заряда.
Для эффективной работы детектора необходим максимально полный сбор генерированных под воздействием облучения носителей тока — как электронов, так и дырок. Эффективность сбора носителей тока определяется толщиной обедненной области и длиной сбора носителей тока:
¿с = (^гГп + НЛ)Д
5
0
Емкость, пФ
Ток, нА
600 35 800
500 30 25 j I 600
400 20 15 10 - J / 400
300 5 - f
0 I 1 1 1 iii / 200
200 0.4 0.5 0.6 J
100 0 - J 0
1 1 1 1 1 1 1 1 1
0.4 0.8 1.2 1.6
Напряжение, В
20 40 60 80
100 120 140 160
Глубина, мкм
Рис. 4. Профиль встроенного электрического поля в структуре р+-п—п — п+-ОаЛ с шириной обедненной области 80 мкм.
0
Рис. 3. Типичная вольт-фарадная характеристика фо-товольтаического рентгеновского детектора.
где цп и цр — подвижности электронов и дырок; тп и тр — времена жизни электронов и дырок; Е — напряженность встроенного электрического поля в обедненной области.
Время жизни избыточных носителей заряда, возникших под действием рентгеновского излучения в обедненной области, является важным параметром для обеспечения эффективного сбора заряда. Низкая эффективность сбора может быть связана с наличием в слое п-ОаЛв глубоких ловушек типа EL-2, что приводит к уменьшению величины произведения подвижности на время жизни. Снижение концентрации EL-2-центров до <1013 см-3 позволило увеличить время жизни до ~200 нс.
Следует отметить, что длина сбора заряда уменьшается, если на детектор подается напряжение смещения в прямом направлении, а также в случае работы детектора в режиме разорванного контура, когда преобладает транспорт носителей посредством диффузии. Большое влияние на работу детектора оказывает наличие обедненной области. Концентрация примесей и носителей тока вне обедненной области сбалансированы, и, следовательно, плотность заряда равна нулю. Обедненная область почти не содержит подвижных носителей, и, следовательно, в ней имеется большой градиент электрического поля благодаря зарядам ионизированных примесей. Толщина обедненной области определяется выражением
W =
2пе
i \ -L + -1
N
(V + Ф в )
1/2
(3)
где в — диэлектрическая постоянная; e — заряд электрона; N и N — концентрации акцепторов и доноров вр+- и n-слоях структуры; V — приложенное напряжение; Ф^ — потенциал встроенного поля p-n-перехода.
Ширину обедненной области можно регулировать технологией изготовления эпитаксиальной структуры р+—n—n— n+-GaAs или приложением обратного смещения к переходу. Генерированные в обедненной области электрон-дырочные пары разделяются и ускоряются под воздействием встроенного электрического поля и попадают в области, где они являются основными носителями. Носители тока, генерированные вне обедненной области, но на расстоянии меньше, чем длина свободного пробега от него, будут диффундировать в обедненную область и дрейфовать в ней.
Встроенное электрическое поле является источником фототока в детекторе. Чтобы получить достаточно сильное поле в обедненной области, важно тщательно контролировать общее количество примесей. Мы провели прямые измерения встроенного электрического поля в структуре р+—я—n— n+-GaAs методом наведенного тока электронным пучком (метод EBIC). Структура перехода исследовалась при помощи сканирующего электронного микроскопа Philips SEM515. Профиль встроенного электрического поля в структуре с шириной обедненной области 80 мкм приведен на рис. 4. Согласно рисунку, встроенное электрическое поле существует по всей толщине эпи-таксиального слоя n-GaAs.
Эффективность сбора заряда была измерена при облучении фотонами 241Am с энергией 60 кэВ при напряжении смещения 0 и 17 В. Измерения показали, что эффективность сбора заряда равна
Чувствительность, мкА • мин/(Гр • см2)
30
25
20
15
10
40 80 120
Эффективная энергия, кэВ
Рис. 5. Зависимость чувствительности детекто
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.