Полупроводниковые приборы на основе GaAs:Cr | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 11 июля, печатный экземпляр отправим 15 июля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №24 (314) июнь 2020 г.

Дата публикации: 13.06.2020

Статья просмотрена: 1 раз

Библиографическое описание:

Мясников, М. К. Полупроводниковые приборы на основе GaAs:Cr / М. К. Мясников. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 24 (314). — С. 27-29. — URL: https://moluch.ru/archive/314/71652/ (дата обращения: 03.07.2020).



В последнее время в экспериментальной физике актуальными становятся задачи по регистрации тяжёлых ионов высоких энергий. Строятся новые коллайдеры и ставятся уникальные физические эксперименты (NICA, SKIF) по изучению кварк-глюонной материи при столкновении тяжёлых ионов. Для регистрации тяжёлых заряженных частиц высоких энергий необходима разработка высокочувствительных, радиационностойких полупроводниковых детекторов.

В основном для детекторов используют кристаллы GaAs, выращенные методом Чехральского. Материал получается c глубокими донорными EL2 центрами, что накладывает ограничение в дальнейшем использовании арсенида галлия. При ионизации EL2+ увеличивают сечение захвата электронов (~10–13см2) [1] и уменьшает время жизни электронов до 0.2 нс, что приводит к низкой эффективности сбора заряда [2]. В таком виде материал пригоден только для создания различных полупроводниковых компонентов, но в создании детекторов материал накладывает многочисленные ограничения на конечный продукт.

На данный момент проводятся исследования для создания более эффективных полупроводниковых детекторов на основе GaAs:Cr. Используя подход компенсации слоев были получены слои арсенида галлия электронного типа, которые компенсировалась акцепторной примесью хрома вследствие чего получается высокоомный материал. Сопротивление такого материала близко к полуизолирующему GaAs и составляет порядка 109Ом·см [3,4], что дает приемлемый уровень шумов, обусловленный темновыми токами. Распределение электрического поля по всей толщине сенсора, после компенсации, становится равномерным.

Наиболее популярной технологией использование полупроводниковых материалов — производство гибридных пиксельных детекторов на их основе. Технология подразумевает микросхему считывания и чувствительный слой полупроводника, соединённые пайкой методом перевернутого кристалла (рисунок 1). Конструкция гибридного детектора представляет из себя две основные части — сенсор (в данной работе изготовленный из арсенида галлия, компенсированного хромом GaAs:Cr) и микросхема считывания. Данные микросхемы можно использовать для получения рентгеновских изображений, использования в рентгеновской компьютерной томографии и для решения различных прикладных задач. Так как для изготовления микросхемы используется гибридная технология возможно использовать различные материалы чувствительных элементов: газовые камеры, микроканальные пластины и полупроводники [5].

Рис. 1. Структура гибридного пиксельного детектора

Одним из направления гибридных пиксельных микросхем является семейство Medipix. Разработкой данной микросхемы занимается международная коллаборация Medipix [6], основанная Европейском центре ядерных исследований. Одной из первых микросхем является Medipix1 разработка которой началась еще 90-х годах ХХ века и до сих пор продолжается. Принцип работы гибридного детектора основывался на счете единичных фотонов. В 1997 году была создана первая микросхема Medipix1 на основе CMOS технологии суммарной толщиной 1 мкм, матрица разрешением 64 на 64 квадратных пикселя, с шагом 170 мкм. Развитие данного направление позволило уменьшить размеры микросхемы и потребляемую мощность, увеличить вычислительную мощность, а также увеличить функционал при тех же размерах пикселя.

Следующее поколение гибридных детекторов с микросхемами Medipix полученная информация представлялась в виде кадров, в данном режиме работы частицы регистрировались в определенное время, когда открыт затвор, после него наступало «мертвое» время, которое уходило на считывание и обработку информации с матрицы. Во время разработки 3-го поколения микросхем был реализован режим работы без триггера информация поступает сразу после прохождения частицы через детектор и зарегистрирована пикселем. В Medipix3 добавлен режим непрерывного чтения-записи дынных. Информация с детектора поступает в режиме реального времени без «мертвого» времени и доступно во всех режимах работы микросхемы.

Работа микросхем Medipix заключается в следующем: прохождение ионизирующей частицы генерирует, в чувствительной области детектора, заряды, которые дрейфуют к электродам под действием электрического поля. Таким образом наводится импульс на входе усилителя каждого пикселя. Время сбора заряда на контактах очень мало, выходной сигнал представляется в виде δ-импульса тока, а интеграл сигнала равен суммарному наведенному заряду. Для записи информации амплитуда усиленного выходного сигнала должна быть выше уровня напряжения в схеме дискриминатора. Записанное событие обрабатывается цифровой частью микросхемы. Настройка параметров производится с помощью регулируемых по напряжению и току цифро-аналоговых преобразователей.

Во время производства пиксели в матрице могут отличаться по различным причинам, что приводит к дисперсии энергетических порогов и погрешности измерения в различных пикселях. Для устранения или сведения к минимуму влияния данного дефекта используется дополнительные источники тока. Настройка источников может производиться как для каждого пикселя, так и для всех с помощью битов ЦАП. Чаще всего для выравнивания характеристик пикселей используется сканирование по шумовому уровню усилителя, что позволяет подобрать индивидуальное значение порога каждого пикселя.

Данные микросхемы позволят использовать арсенид галлия в новых направлениях, как для регистрации частиц с малой энергией, так и большой, что делает актуальным исследование и разработку новых гибридных детекторов на основе арсенида галлия, компенсированного хромом.

Литература:

  1. The Medipix3RX: a high resolution, zero dead-time pixel detector readout chip allowing spectroscopic imaging / R. Ballabriga [et al.] // Journal of Instrumentation. — 2013. — Vol. 8, no. 02. — P. C02016.
  2. FITPix–fast interface for Timepix pixel detectors / V. Kraus [et al.] // Journal of Instrumentation. –– 2011. –– Vol. 6, no. 01. –– P. C01079.
  3. Толбанов О. П. Сенсоры ионизирующих излучений на основе компенсированного арсенида галлия // Вестн. Том. Гос-ного ун-та. Серия «Физика». — 2005. — № 285. — С.155–163.
  4. Granja C. et al., 2011 Response of the pixel detector Timepix to heavy ions, Nucl. Instrum. Meth. A 633 S198
  5. Ballabriga, R. Asic developments for radiation imaging applications: The medipix and timepix family / R. Ballabriga, M. Campbell, X. Llopart // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. –– 2018. –– Т. 878. –– С. 10––23.
  6. Medipix Collaboration website. –– 2018. –– URL: https://medipix.web.cern.ch
Основные термины (генерируются автоматически): микросхема, арсенид галлия, детектор, CMOS, NICA, электрическое поле, микросхема считывания, материал, пиксель, гибридный детектор, SKIF.


Похожие статьи

Использование арсенид галлия в полупроводниковых детекторах

Библиографическое описание: Мясников, М. К. Использование арсенид галлия в полупроводниковых детекторах / М. К

При подаче внешнего напряжения и в чувствительной области появляется электрическое поле, под действие которого электрон и дырка дрейфуют к...

Материал для полупроводниковых детекторов | Статья в журнале...

Получение наилучших характеристик детектора зависит от выбора материала для

Долговечность работы детектора, получение сигнала пропорционально потерянной энергии, в

Большим удельным электрическим сопротивлением. При подаче разности потенциалов через...

Глубокая компенсация арсенид галлия хромом | Статья в журнале...

Перспективным материалом для полупроводниковых детектором является арсенид галлия (GaAs) в особенности для прямого преобразования энергии квантов ионизирующего излучения в электрический сигнал. По сравнению с односоставным материалом таких как кремний (Si)...

Процесс тестирования интегральных микросхем | Статья...

Нынешнее развитие микроэлектронных технологий обуславливается стремительными темпами роста. Динамическое развитие технологий требует от разработчика быть готовым к новым потребностям технологического рынка и разрабатывать все более совершенные и...

Использование контрольно-диагностических стендов для...

Маршрут тестирования микросхем. Технологический процесс тестирование пластин или уже готовых микросхем включает нижеследующие операции

Получение тестового образца (пластины или микросхемы). Определение тестируемых параметров полученного образца.

Проектирование детектора сигналов средств беспроводного...

Некоторые детекторы поля могут содержать специальный блок с амплитудным детектором, усилителем низкой частоты и

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема детектора сигналов средств беспроводного доступа. Под цифрой 1 на рисунке изображен генератор...

Особенности материалов для голографических носителей

В статье приведены основные проблемы голографических носителей, рассмотрены современные материалы, использующиеся при разработке, и их особенности. В работе получены показатели минимальных требований, которым должны удовлетворять голографические носители.

Универсальное программно-аппаратное устройство для...

Такое устройство может быть реализовано на микросхемах (в полностью аппаратном виде), на микроконтроллере или на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Реализация на ПЛИС или на микроконтроллере имеет преимущество перед реализацией в полностью...

Методики измерения норм электрических параметров микросхем...

В статье рассказывается про тестер Advantest V93000, его характеристики и функциональные возможности. Описываются методики измерения норм электрических параметров с использованием тестера Advantets V93000.

Похожие статьи

Использование арсенид галлия в полупроводниковых детекторах

Библиографическое описание: Мясников, М. К. Использование арсенид галлия в полупроводниковых детекторах / М. К

При подаче внешнего напряжения и в чувствительной области появляется электрическое поле, под действие которого электрон и дырка дрейфуют к...

Материал для полупроводниковых детекторов | Статья в журнале...

Получение наилучших характеристик детектора зависит от выбора материала для

Долговечность работы детектора, получение сигнала пропорционально потерянной энергии, в

Большим удельным электрическим сопротивлением. При подаче разности потенциалов через...

Глубокая компенсация арсенид галлия хромом | Статья в журнале...

Перспективным материалом для полупроводниковых детектором является арсенид галлия (GaAs) в особенности для прямого преобразования энергии квантов ионизирующего излучения в электрический сигнал. По сравнению с односоставным материалом таких как кремний (Si)...

Процесс тестирования интегральных микросхем | Статья...

Нынешнее развитие микроэлектронных технологий обуславливается стремительными темпами роста. Динамическое развитие технологий требует от разработчика быть готовым к новым потребностям технологического рынка и разрабатывать все более совершенные и...

Использование контрольно-диагностических стендов для...

Маршрут тестирования микросхем. Технологический процесс тестирование пластин или уже готовых микросхем включает нижеследующие операции

Получение тестового образца (пластины или микросхемы). Определение тестируемых параметров полученного образца.

Проектирование детектора сигналов средств беспроводного...

Некоторые детекторы поля могут содержать специальный блок с амплитудным детектором, усилителем низкой частоты и

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема детектора сигналов средств беспроводного доступа. Под цифрой 1 на рисунке изображен генератор...

Особенности материалов для голографических носителей

В статье приведены основные проблемы голографических носителей, рассмотрены современные материалы, использующиеся при разработке, и их особенности. В работе получены показатели минимальных требований, которым должны удовлетворять голографические носители.

Универсальное программно-аппаратное устройство для...

Такое устройство может быть реализовано на микросхемах (в полностью аппаратном виде), на микроконтроллере или на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Реализация на ПЛИС или на микроконтроллере имеет преимущество перед реализацией в полностью...

Методики измерения норм электрических параметров микросхем...

В статье рассказывается про тестер Advantest V93000, его характеристики и функциональные возможности. Описываются методики измерения норм электрических параметров с использованием тестера Advantets V93000.

Задать вопрос