ОБЗОР
УДК 612.381
ИЗБЫТОЧНЫЕ ШУМЫ И ГЛУБОКИЕ УРОВНИ В ДЕТЕКТОРАХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ И ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ GаAs © 2015 г. Г. П. Жигальский, Т. А. Холомина
Рязанский государственный радиотехнический университет, Российская Федерация, 390005 Рязань, ул. Гагарина, 59/1 E-mail:gp@zhigalskii.com; marta.tap@yandex.ru Поступила в редакцию 26.01.2014 г.
В обзоре обобщены результаты исследований разных видов электрических шумов в структурах Al/GaAs с различным типом барьера Шоттки и в гетероструктурах AlGaAs/i-GaAs, которые используются в детекторах ядерных частиц высоких энергий и ионизирующего излучения на основе GaAs. Описаны методы изучения параметров глубоких уровней (ГУ). Проведена систематизация глубоких уровней, обнаруженных в барьерных структурах и гетероструктурах на основе GaAs, создаваемых разным видом примесей и нарушениями кристаллической решетки. Приведены результаты по влиянию ГУ на шум вида 1/fдетекторов, а также данные по их радиационной стойкости при воздействии электронов высоких энергий и у-излучения. Даны практические рекомендации по выбору типа и технологии изготовления детектора c наименьшим уровнем 1//-шума. Метод измерения 1//-шума детекторов на основе Al/i-GaAs барьерных структур рекомендован для прогнозирования их радиационной стойкости, а также напряжений пробоя высоковольтных детекторов.
DOI: 10.7868/S0033849415060200
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в приборах по обнаружению и контролю элементарных частиц высоких энергий и гамма-излучения используются в подавляющем большинстве детекторы на основе кремния. Вместе с тем развитие ядерных и медицинских технологий требует совершенствования детекторов ядерных частиц, рентгеновского и гамма-излучений на альтернативных кремнию материалах и, прежде всего, на основе собственного нелегированного полупроводника (полуизолирующего) арсенида галлия (/-GaAs) [1, 2].
Несмотря на ряд преимуществ кремниевых датчиков при детектировании ядерных частиц, рентгеновского и у-излучения (высокое энергетическое разрешение ~10 кэВ и низкий уровень интегральных шумов ~2 кэВ), разработчики детекторов ядерных частиц все большие надежды возлагают на использование арсенид-галлиевых (GaAs) датчиков в связи с их высокой радиационной и термической стойкостью, а также с большей чувствительностью к рентгеновскому и у-излуче-нию (вследствие большей атомной массы).
Высокая радиационная и термическая стойкость детекторов на основе GaAs обусловлена более широкой запрещенной зоной (ЗЗ) арсенида галлия по сравнению с кремнием. В связи с этим по стойкости к дозовым нагрузкам радиационного излучения интегральные схемы (ИС) на основе
GaAs существенно превосходят ИС на основе кремния, что особенно важно при использовании их в устройствах, работающих в условиях космоса [1].
В последние годы возник интерес к разработке и практическому применению координатных детекторов заряженных частиц и ионизирующего излучения на основе барьерных структур из /-GaAs. При этом имеется также возможность изготовления на подложках из /-GaAs устройств, включающих детектор и быстродействующую схему обработки сигналов. При создании координатных детекторов ионизирующего излучения и ядерных частиц на основе GaAs применяются различного типа барьерные структуры Al//-GaAs или гетероструктуры AlGaAs//-GaAs [3, 4].
Детекторы на основе GaAs могут работать в зонах с повышенной температурой и высоким радиационным фоном (например, в ядерных реакторах), позволяют значительно уменьшить рабочие напряжения (до 20.. .30 В для детекторов а-частиц), что важно при организации управления детекторами ионизирующих излучений, а также при обработке сигнала периферийными схемами. При использовании детекторов на основе GaAs удается существенно повысить термическую и радиационную стойкость датчиков заряженных частиц и ионизирующего излучения [1].
К настоящему времени опубликовано значительное количество статей по разработке и иссле-
дованию физических свойств детекторов ядерных частиц и ионизирующего (гамма и рентгеновского) излучения на основе барьерных структур из полуизолирующего арсенида галлия. Основной проблемой, с которой столкнулись разработчики детекторов на основе /-ОаАз, является высокий уровень собственных электрических шумов, ограничивающих их чувствительность. Это, прежде всего, уровень избыточных шумов, к которым относится генерационно-рекомбинацион-ный (ГР) шум и шум вида 1/Л (фликкер-шум), где у — показатель формы спектра.
Высокий шум в детекторах на основе ОаАз обусловлен тем, что уровень фоновых загрязнений в ОаАз выше, чем в монокристаллическом 81, поскольку /-ОаАз представляет собой компенсированный полупроводник. Так, уровень фоновой примеси в "чистом" слиточном материале ОаАз составляет ~5 х 1014...1015 см-3 и концентрация глубоких энергетических центров в полуизолирующем арсениде галлия /-ОаАз ~1015 см-3 [5].
За последнее десятилетие накоплен экспериментальный и теоретический материал по изучению избыточных шумов в барьерных структурах А1//-ОаАз и гетероструктурах А1ОаАз//-ОаАз, а также непосредственно в детекторах ядерного и рентгеновского излучений на основе ОаАз. Основная цель ряда выполненных работ состояла в выборе конструкции и технологии изготовления детекторов ядерного излучения по критерию обеспечения наименьшего уровня избыточных шумов.
Данный обзор посвящен электрическим шумам в барьерных структурах и гетероструктурах, используемых в детекторах ядерных частиц на основе ОаАз. Особое внимание в обзоре уделено избыточным шумам. Дается описание физических механизмов возникновения разных видов шумов, приводятся сведения о глубоких ловушечных центрах в ОаАз, которые в основном и создают избыточные шумы. Наряду с этим описаны методы исследования глубоких центров в арсениде галлия.
1. ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРОВ
ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ И ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОаАз
А. Некоторые свойства арсенида галлия
Арсенид галлия — наиболее изученный полупроводник (ПП) группы А3В5. Арсенид галлия имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с кремнием. Укажем основные преимущества ОаАз перед кремнием [5—8].
1. Высокая подвижность электронов в слабых полях, обусловленная их малой эффективной
массой (тэф = 0.067 т0, где т0 — масса свободного электрона). Так, при температуре Т = 300 К в области слабых электрических полей подвижность электронов составляет около 8000 см2/В с, т.е. в семь раз выше, чем в кремнии, что обеспечивает сверхвысокое быстродействие интегральных схем на основе ОаАз. В чистом материале ОаАз основным механизмом рассеяния носителей заряда является рассеяние на полярных оптических фоно-нах. При охлаждении ОаАз до температуры 77 К подвижность электронов в основном определяется рассеянием на ионах фоновой примеси и достигает величины (8.25) х 103 см2/В с. Высокая подвижность электронов позволяет создавать на основе ОаАз быстродействующие приборы, причем диэлектрическая подложка обеспечивает малые паразитные емкости в ИС.
Благодаря малой энергии ионизации доноров (<0.005 эВ) молекулы соединения ОаАз, в отличие от 81, остаются практически полностью ионизированными при температуре ниже 77 К.
2. Достаточо большая ширина ЗЗ АЕё = 1.43 эВ при 300 К (у кремния = 1.11 эВ) обеспечивает низкую концентрацию носителей заряда в собственном полупроводнике /-ОаАз. Так, при температуре Т = 300 К собственная концентрация носителей заряда в полуизолирующем /-ОаАз весьма мала и составляет ~2 х 106 см—3, что позволяет получить материал с высоким удельным сопротивлением. Это упрощает создание межэлементной изоляции в ИС. Кроме того, подложки из /-ОаАз с удельным сопротивлением
7 9
р = 1С...1Г Ом см обладают высокими диэлектрическими свойствами вплоть до частот в несколько сотен гигагерц.
Большая ширина ЗЗ в ОаАз позволяет расширить температурный диапазон работы ИС на его основе. Прямой характер межзонных переходов приводит к резкому снижению времени жизни неравновесных избыточных носителей заряда в ОаАз. В сочетании с большой шириной ЗЗ это свойство ОаАз повышает радиационную стойкость ИС на его основе. Известно, что по стойкости к дозовым радиационным нагрузкам приборы и схемы на основе ОаАз более чем на порядок величины превышают радиационную стойкость аналогичных схем на основе кремния [9—11].
Б. Принцип работы детекторов
Полупроводниковые детекторы являются твердотельными аналогами ионизационных камер. Основным элементом ПП-детектора является барьер Шоттки А1//-ОаАз или гетероструктура А1ОаАз//-ОаАз. В ПП-детекторе может быть использован также и ^—«-переход. При этом детектор состоит из барьерного слоя полупроводника с
нанесенными на него металлическими электродами (контактами) с обеих сторон, на которые подается напряжение смещения.
Как известно [9], принцип работы детекторных ячеек основан на том, что поток элементарных частиц, рентгеновского или у-излучения, попадая в барьерный слой полупроводника, включенный обычно в режиме обратного смещения, генерирует в нем неравновесные носители заряда — электроны и дырки (электронно-дырочные пары), которые под воздействием электрического поля, создаваемого внешним приложенным к барьерному слою напряжением, перемещаются к электродам детектора. В результате во внешней цепи ПП-детектора возникает электрический импульс тока, амплитуда которого пропорциональна энергии, потерянной частицей (или у-квантом) в детекторе. Затем этот импульс преобразуется в импульс напряжения, усиливается и регистрируется.
Важно, чтобы детектор собрал все образовавшиеся в нем носители заряда. Поэтому время жизни носителей заряда должно превышать время сбора заряда на электроды ПП-детектора (иначе сбор заряда будет неполным).
Необходимо также иметь в виду, что основные потери энергии частицами высоких энергий или у-квантами в ПП связаны с рядом других явлений и, прежде всего, с возникновением в объеме материала GaAs структурных дефектов наряду с генерацией неравновесных электронно-дырочных пар.
Для достижения достаточно высокой чувствительности необходимо, чтобы в отсутствие регистрируемых частиц полупроводник был обеднен носителями, т.е. имел м
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.