научная статья по теме ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ДЕТЕКТОРЫ НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР GAAS Физика

Текст научной статьи на тему «ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ДЕТЕКТОРЫ НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР GAAS»

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.

Показать целиком