Использование арсенид галлия в полупроводниковых детекторах

Полупроводниковые детекторы ионизирующего излучения последние годы устанавливают все чаще в различную технику для получения спектров и регистрации гамма-квантов, тяжелых заряженных частиц и нейтронов. Суть работы приборов на основе детекторов заключается в высокой проникающей способности ионизирующего излучения, что позволяет получить информацию о внутреннем содержании объекта исследования. При прохождении через объект изменяются интенсивность и энергетический спектр излучения, что позволяет исследовать строение объекта.

Полупроводниковый детектор представляет собой ионизационную камеру, где между электродами находится твердый диэлектрик (рис. 1).

Рис. 1. Схема включения полупроводникового детектора [1]

В чувствительной области полупроводникового детектора при прохождении заряженной частицы через образуются неравновесные носители заряда (электрон и дырка). При подаче внешнего напряжения и в чувствительной области появляется электрическое поле, под действие которого электрон и дырка дрейфуют к аноду и катоду, соответственно, и на контактах индуцируются заряды, величина которых пропорциональной пройденной неравновесными носителями части чувствительной области. В основном, потери энергии частицы идут на образование пар в детекторе, которые он потом и регистрирует.

Перед газонаполненными детекторы из полупроводникового материала обладают лучшим временным и энергетическим разрешением. Большинство собранных на данный момент детекторов используют сенсоры изготовлены из кремния. Как и любой материал он имеет свои преимущества и недостатки, поэтому список материалов, из которых изготавливаются сенсоры постепенно дополняется. На данный момент популярность набирают бинарные и тройные соединения такие как: кристаллы кадмий-цинк-теллура (CdZnTe), теллурид кадмия (CdTe), арсенид галлия (GaAs). Первый два имеют высокие стоимость и сложность процесса изготовления, поэтому арсенид галлия является одним из перспективным дешевым и эффективным материалом.

В основном для детекторов используют кристаллы GaAs, выращенные методом Чехральского. Материал получается c глубокими донорными EL2 центрами, при ионизации EL2⁺ увеличивают сечение захвата электронов (~10–¹³см²) [2] и уменьшает время жизни электронов до 0.2 нс, что приводит к низкой эффективности сбора заряда [3]. В таком виде материал пригоден только для создания различных полупроводниковых компонентов, но в создании детекторов материал накладывает многочисленные ограничения на конечный продукт.

С помощью легирующих примесей можно эффективно влиять на собственные точечные дефекты и дислокации, что дает возможность управлять свойствами и структурами на их основе. При легировании арсенида галлия различными элементами образуются мелкие и глубокие примеси. В структуре с мелкими уровнями регулируются концентрация и тип носителей заряда, что эффективно применяется в приборостроении на основе полупроводников. Переходные металлы дают примеси существенные изменения в свойствах материала, их добавление образует глубокие уровни в запрещённой зоне, при данных изменениях меняются степень компенсации активных центров и время жизни носителей заряда. Примеры подобных примесей являются переходные элементы группы железа в А³В⁵, создающие в запрещенной зоне некоторые состояния, которые определяются атомными d- или f-состояниями примеси. Установлено, что 3d-примеси переходной группы железа растворяются в узлах элемента А³ и являются глубокими акцепторами.

К группе переходных металлов относят те элементы, которые создают в структуре полупроводника энергетические уровни, отстоящие от краев зон разрешенных энергий на величину, сопоставимую порядку ширины запрещенной зоны, так называемые глубокие центры [4].

Для получения хорошего качества материала число EL2⁺ центров нужно уменьшать, это возможно сделать несколькими способами:

− компенсация EL2⁺ центров до состояния нейтральных EL2⁺ + e → EL2⁰. Достигается такой результат путем легирования материала в процессе роста концентрация доноров должна превышать концентрацию EL2 центров и последующей перекомпенсацией, при высокотемпературной обработке, глубокой акцепторной примесью хрома [2].

В итоге, если у электрона имеется достаточно энергии, для преодоления барьера высотой ΔE то происходит переход в зону проводимости из валентной зоны, при этом в валентной зоне образуется дырка (1–3 на рисунке).

Рис. 2. Энергетическая диаграмма GaAs сильно компенсированного Cr [5]

Преодоление энергетического барьера и появление дырки произойдет в случае воздействия силы на электрон, до этого момента электроны и дырки могут долго находиться в неравновесном состоянии. Число неравновесных носителей со временем жизни τ соответствует закону: , где — время жизни до компенсации ΔЕ — среднее значение величины рекомбинационного барьера [5].

Путем подбора нужной легирующей примеси, градиента концентрации примесей и уровня легирования предоставляется возможность в некотором пределе изменять различные параметры материала, например электрофизические характеристики и свойства высокоомных слоев [6]. У арсенида галлия таким образом можно изменить электропроводность, до значений, меньше собственной, а время жизни электронов увеличить до 0,1 мкс. Такие параметры конечного материала дает возможность создания новых устройств на их основе, с новыми свойствами.

Направление с исследованием и разработкой структур, влияющих на различные электрические и физические свойства материала, дают возможность создания элементов с высокой чувствительностью для различных направлений. Приборы, с использованием высокоомных структур на основе арсенида галлия компенсированным хромом, имеют параметры, которые выше существующих аналогов: детекторы ионизирующих излучений, сверхбыстрые электронные ключи и др.

На основе компенсированных материалов были созданы образцы координатных и пиксельных детекторов счета заряженных частиц и квантов рентгеновского и гамма-излучений. Также разработаны детекторы разнообразной модификации для получения изображений в потоке квантов ионизирующего излучения [4].

Литература:

1. Абрамов А. И. Основы экспериментальных методов ядерной физики /А. И. Амбрамов, Ю. А. Казанский, Е. С. Матусевич. — Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.:Атомиздат, 1977. — 528 с.
2. Толбанов,О. П. Детекторы ионизирующих излучений на основе компенсированного арсенида галлия / О. П. Толбанов // Вестник Томского государственного университета. –– 2005. –– № 285
3. GaAs radiation imaging detectors with an active layer thickness up to 1mm / A. Tyazhev [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. –– 2003. –– Vol. 509, no. 1. –– P. 34––39.
4. Толбанов О. П. Электронные свойства структур на основе GaAs, компенсированного глубокими центрами: сборник // Девятая конференция «Арсенид галия и полупроводниковые соединения». — Томск, 2006. — 571 с.
5. Ayzenshtat G. I. GaAs structures for X ray imaging detectors / G. I. Ayzenshtat [и др.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2001. Vol. 466, № 1. P. 25 32.
6. Milnes A. G. Deep impurities in semiconductor / A. G. Milnes. — John Wiley & Sons Inc, 1973. — 562 p.