Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Арсенид галлия - перспективный материал для создания детекторов ионизирующих излучений .
Глава 2. Эпитаксиальные детекторы на арсениде галлия, выращенные из газовой фазы.
Параграф 2.1. Эпитаксиальные структуры GaAs, выращенные из газовой фазы в транспортной системе Ga-AsCb-H2.
Параграф 2.1.1. Слабо компенсированные детекторные GaAs структуры п-типа, полученные газофазной эпитаксией .
Параграф 2.1.2. Компенсированные детекторные GaAs структуры п-типа, полученные газофазной эпитаксией.
Параграф 2.1.3. Перекомпенсированные детекторные GaAs структуры р-типа, полученные газофазной эпитаксией.
Параграф 2.2. GaAs эпитаксиальный координатный детектор частиц.
Параграф 2.3. Эпитаксиальные GaAs детекторы, выращенные из газовой фазы и легированные хромом .
Глава 3. Эпитаксиальные детекторы на арсениде галлия, выращенные из жидкой фазы .
Параграф 3.1. Детекторные р+ - і - п+ структуры из эпитаксиального материала. Параграф 3.2 Чувствительность р+ - і - п+ структур к ионизирующему излучению.
Глава 4. Арсенид - галлиевые детекторы «ростового» материала, легированного хромом .
Параграф 4.1. Поведение и роль хрома, введенного в арсенид галлия.
Параграф 4.2. Детекторные структуры с я-v переходом на компенсированном хромом арсениде галлия .
Параграф 4.2.1. Механизм сбора заряда в я-v-n структурах.
Параграф 4.2.2. Эффективность сбора заряда в я-v-n структурах.
Параграф 4.2.3. Толщина активной области в я-v-n структурах.
Параграф 4.2.4. Время жизни носителей л-v-n структурах.
Параграф 4.2.5. Вольтамперные характеристики и темновые токи.
Параграф 4.3. Микрополосковые детекторы частиц с я-v-n структурами.
Параграф 4.4. Детекторные структуры резнстивного типа из компенсированного хромом арсенида галлия.
Параграф 4.4.1. Моделирование процессов разделения с сбора заряда.
Параграф 4.4.2. Координатные детекторы, изготовленные из материала резнстивного типа.
Глава 5. Радиационная стойкость арсенид - галлиевых детекторов ионизирующих излучений .
Параграф 5.1. Радиационные эффекты в арсениде галлия.
Параграф 5.1.1. Спектр уровней радиационных дефектов.
Параграф 5.1.2. Электрофизические характеристики.
Параграф 5.1.3. Время жизни носителей заряда.
Параграф 5.2. Экспериментальные результаты исследования радиационной стойкости.
Параграф 5.2.1. Облучение в пучках нейтронов.
Параграф 5.2.2. Облучение в пучках протонов и пионов.
Параграф 5.2.3. Обсуждение результатов облучения.
Параграф 5.3. Восстановление параметров облученных п/п GaAs
Заключение.
Приложение 1. Основные публикации по теме диссертации.
- Слабо компенсированные детекторные GaAs структуры п-типа, полученные газофазной эпитаксией
- Эпитаксиальные GaAs детекторы, выращенные из газовой фазы и легированные хромом
- Детекторные структуры с я-v переходом на компенсированном хромом арсениде галлия
- Восстановление параметров облученных п/п GaAs
детекторов при термическом отжиге
Введение к работе
Около 20 лет назад полупроводниковые детекторы были едва известны в физике высоких энергий тогда, как сегодня - это широко используемые приборы, которые вырабатывают электрические сигналы, напрямую измеряемые чувствительными усилителями для определения координат частиц, реже их энергии, а также идентификации типа частиц. Электрические сигналы могут быть обработаны и записаны компьютерными системами сбора и обработки информации для немедленного либо последующего анализа. Полупроводниковые детекторы обеспечивают наивысшую координатную точность в больших детектирующих системах, что особенно важно для физических экспериментов, исследующих редкие процессы.
Почти все полупроводниковые детекторы, используемые в экспериментальной физике, изготавливаются на основе монокристаллов чистого кремния по технологиям интегральных микросхем, что и предопределило их широкое применение в силу высокой степени унификации и повторяемости этих технологий.
Развитие будущих физических экспериментов с использованием протон-протонных коллайдеров, а также других типов коллайдеров высокой светимости и пучков ионов потребует создания очень больших систем с максимально возможной гранулярностью детектирующих элементов. Это связано с огромным потоком частиц, образующихся в результате столкновения пучков и больших радиационных нагрузок на детекторы за время проведения экспериментов, сравнимых с радиационными нагрузками, получаемыми при работе с ядерными реакторами либо испытаниями оружия.
Поэтому будущее использование полупроводниковых детекторов в физическом эксперименте в значительной степени будет предопределено возможностями технологии создания высокоскоростных детекторов, обеспечивающих необходимые скорости считывания информации и возможностями работы детекторов в условиях предельно высоких радиационных нагрузок.
Кремневые детекторы, в основном, пока обеспечивают потребности современных физических экспериментов. Однако развитие экспериментальной физики следует в направлении увеличения радиационных загрузок. Это потребует в ближайшем будущем использование в физическом эксперименте с высокими радиационными загрузками детекторов из других материалов, таких как арсенид галлия либо искусственные алмазы. Кроме того, в ряде экспериментальных приложений уже сейчас важно иметь детекторы с большим атомным номером, например, для регистрации Х-лучей или при использовании полупроводниковых детекторов в качестве активных мишеней.
Настоящая работа посвящена актуальной проблеме разработки нового поколения полупроводниковых детекторов на арсениде галлия (GaAs) и исследованию возможности их использования в ряде приложений.
В России работы по созданию и исследованию полуизолирующих слоев арсенида галлия и разработка приборов на их основе начались в 70-х годах в Томске в Сибирском физико-техническом институте (СФТИ) и НИИ полупроводниковых приборов. Предпосылкой к развитию исследований в данном направлении явились работы, проводимые группой учёных под руководством проф. Хлудкова С.С, посвященные исследованию диффузии и физико-химических процессов взаимодействия с кристаллической решеткой GaAs примесей с глубокими энергетическими уровнями. К 1980г. был выполнен цикл работ и получены данные, позволившие обосновать новое научное направление по изучению физических механизмов диффузии в арсениде галлия примесей с глубокими уровнями, созданию способов изготовления и установлению принципов действия высокоомных структур с глубокими центрами в активной области и разработке СВЧ и оптоэлектронных приборов на их основе. Эти результаты были обобщены в докторской диссертации Хлудкова С.С. (СФТИ, г.Томск). Продолжением исследований по данному научному направлению явилась докторская диссертация проф. Толбанова О.П. (СФТИ, г.Томск) В диссертации предложен и реализован нетрадиционный подход к созданию приборных структур с глубокими центрами, содержащимися в активной части структур, которые и обусловливают ряд новых физических эффектов и электронных свойств приборов.
Предлагаемая к защите диссертация посвящена созданию полупроводниковых детекторов на основе GaAs, легированного примесями с глубокими энергетическими уровнями, в частности - хромом, и исследованию электронных процессов в GaAs детекторах ионизирующих излучений. Актуальность работы связана с отсутствием систематических исследований, позволяющих прогнозировать электронные свойства, обосновать физические модели и установить закономерности функционирования малоизученных физических объектов - полупроводниковых структур и детекторов на основе GaAs, компенсированного примесями с глубокими энергетическими уровнями. В практическом плане, использование полупроводниковых структур, компенсированных глубокими уровнями, перспективно для создания высокоэффективных, радиационностойких детекторов ионизирующих излучений, используемых для разработки цифровых диагностических систем нового поколения.
В предлагаемой докторской диссертации впервые обобщены результаты исследований взаимодействия с ионизирующим излучением детекторных структур, изготовленных на основе полуизолирующего арсенида галлия, компенсированного хромом (Сг) в процессе диффузии, газофазной и жидкофазной эпитаксии, выполненных как непосредственно автором, так и под его руководством с 1989г. по 2003г. Работы, проведенные в этой области, позволили сформулировать научное направление, связанное с созданием GaAs радиационностоиких квантовочувствительных детекторов для прецизионных координатных и диагностических систем. Для этого потребовалось разработать и исследовать физические принципы управления электронными свойствами высокоомных структур, разработать принципы создания высокоомных структур с заданной конструкцией и толщиной высокоомного слоя более 100 мкм. Такой подход к созданию детекторных структур и многоэлементных детекторов ионизирующих излучений до сих пор остаётся оригинальным.
Цель работы и задачи исследования. К началу работы в литературе имелись ограниченные сведения о GaAs детекторах на компенсированном хромом арсениде галлия, исследовании в них электронных процессов, а также о возможности практического использования этих детекторов. Поэтому целью настоящей работы ставилось обобщение всех результатов, полученных при участии автора, по исследованию характеристик полупроводниковых детекторов на компенсированном хромом арсениде галлия, электронных процессов, протекающих в них при внешнем воздействии, прежде всего ионизирующего излучения, и разработке на их основе детекторов нового поколения. В ходе выполненных исследований решались следующие задачи:
• изучение электронных свойств и возможностей управления основными характеристиками высокоомных структур, лежащих в основе создания детекторов, и получаемых на арсениде галлия путем его компенсации хромом;
• исследование транспорта и сбора неравновесных носителей заряда в GaAs детекторах, при взаимодействии их с электрическими полями, рентгеновским излучением и заряженными частицами высоких энергий;
• исследование влияния ионизирующих излучений (гамма, протоны, мезоны, нейтроны) на электрофизические характеристики и параметры детекторов, и выявление возможностей метода высокотемпературного отжига на восстановление характеристик детекторов.
Научная новизна работы состоит, прежде всего, в малой изученности объекта исследований - полупроводниковых детекторов на основе арсенида галлия, компенсированного хромом. В диссертации приведены результаты исследования детекторов, изготавливаемых практически всеми современными технологическими методами: газофазной эпитаксией, жидкофазной эпитаксией, методом диффузии хрома в полуизолирующий арсенид галлия, комбинированными способами. Приводятся впервые сравнительные характеристики чувствительности к ионизирующему излучению детекторов, изготовленных разными методами. Изучено влияние компенсирующей примеси на электронные свойства и транспорт неравновесных носителей заряда, на радиационные свойства детекторов в полях протонов, нейтронов и мезонов. Представлены физические модели, объясняющие характеристики детекторов. Показана возможность создания на компенсированном хромом арсениде галлия детекторов с большой толщиной чувствительной области (более 1мм) и, соответственно, высокой эффективностью регистрации рентгеновских лучей в интервале энергий до 100 кэВ. что является принципиально важным для создания рентгенографических систем. Исследованы характеристики детекторов Х-лучей в этом диапазоне энергий.
Практическая значимость работы состоит в разработке физических принципов и конструкций детекторов ионизирующих излучений на основе арсенида галлия, компенсированного хромом. Практическая ценность созданных детекторов подтверждается их использованием в разработке различных систем:
1. Разрабатывается вариант трековой системы вершинного детектора для эксперимента "PANDA" с использованием пиксельных детекторов барьерного типа на арсениде галлия, компенсированного хромом, с целью повышения радиационной стойкости системы и увеличения времени эксплуатации вершинного детектора, на строящемся ускорительном комплексе GSI (г. Дармштат, Германия);
2. Разработана детектирующая система цифрового рентгеновского флюорографического аппарата сканирующего типа с линейкой падовых детекторов на арсениде галлия резистивного типа, обеспечивающая, по сравнению с выпускаемыми серийными аппаратами, улучшение пространственного разрешения, контрастной чувствительности, увеличение динамического диапазона, снижение в несколько раз дозы облучения пациентов. Разработанная система является основным продуктом, намеченным к производству, в рамках проекта диверсификации ГНЦ ИФВЭ « Организация производства диагностических/ детектирующих систем на базе арсенид галлиевых полупроводниковых детекторов». Проект находится на рассмотрении в Федеральном агентстве по атомной энергии;
3. Разработан медицинский аппарат - цифровой рентгеновский ортопантомограф с линейкой падовых арсенид - галлиевых детекторов, обеспечивающий снижение в десятки раз дозы облучения пациентов и персонала при медицинских обследованиях. Создан опытный образец прибора. Подготавливается к выпуску на производственных площадях ГНЦ ИФВЭ опытно-промышленный образец аппарата;
4. Разработывается детектирующая система с линейкой падовых арсенид - галлиевых детекторов в составе рентгеновского компьютерного томографа, подготавливаемого к производству в ФГУП «НИИ Технической физики» г. Снежинск (Челябинская обл.);
5. Микрополосковые детекторы резистивного типа используются в разработке сканирующей гамма камеры. Работа ведется совместно с ФГУП «НИИ Полупроводниковых приборов» г. Томск, предприятием «МЕДИ-ПРО» г.Томск, Сибирским кардиологическим центром г. Томск;
6. Пиксельные детекторы резистивного типа используются в разработке детектирующей системы дентального аппарата. Работа ведется совместно с ФГУП «НИИ Полупроводниковых приборов» г. Томск и Научно-исследовательским центром Университета г. Фрайбург (Германия) в рамках Проекта ИНТАС;
7. Микростриповые детекторы «чистого» газофазного арсенида галлия используются в разработке рентгеновского дифрактометра для контроля напряжений и ресурса прочности металлоконструкций. Работа ведется совместно с ФГУП «НИИ Полупроводниковых приборов» г. Томск, ФГУП «Институт физико-технических проблем» г. Дубна, С-Петербургский Политехнический университет г. С-Петербург в рамках подготавливаемого Проекта МНТЦ.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе диссертации дан обзор накопленных в литературе результатов разработки и исследования полупроводниковых детекторов на основе ростового полуизолирующего арсенида галлия. Приведены общие оценки параметров, лежащие в основе работы полупроводниковых детекторов, показаны перспективы использования арсенида галлия для создания детекторов ионизирующих излучений и рассмотрены возникающие при этом проблемы.
Во второй главе диссертации исследована возможность использования чистых эпитаксиальных слоев для создания детекторов ионизирующих излучений. Актуальность использования этого технологического метода обусловлена на несколько порядков более низкой концентрацией собственных дефектов, чем в ростовом полуизолирующем арсениде галлия. Рассмотрены конструкции трёх типов полупроводниковых структур с различным соотношением глубоких и мелких примесей и характеристики полупроводниковых детекторов на их основе. Представлены результаты первых исследований детекторных структур, полученных легированием хромом чистых эпитаксиальных слоев.
В третьей главе диссертации представлены результаты исследования характеристик детекторов, изготовленных на основе арсенида галлия, получаемого в результате эпитаксиального роста из жидкой фазы. Показаны пути решения проблемы увеличения толщины чувствительной области до значений более 100 микрометров и способы управления свойствами таких структур. Приведены результаты сопоставительного анализа характеристик толстых высокоомных слоев с однородным распределением напряжённости электрического поля при использовании двойного легирования из расплава оловом и хромом.
В четвертой главе диссертации обобщены результаты разработки и исследования детекторов на основе ростового арсенида галлия, компенсированного специально введенной примесью хрома. Рассмотрены характеристики детекторов, приведены результаты испытаний нескольких конструкций детекторов барьерного и резистивного типа.
Радиационная стойкость арсенида галлия всегда была отличительной особенностью данного материала. В пятой главе диссертации представлены экспериментальные результаты, характеризующие радиационную стойкость детекторов на основе компенсированного хромом арсенида галлия при воздействии на них большой интенсивности потоков нейтронов, протонов и пионов. Рассматривается возможность и механизм восстановления характеристик облученных GaAs детекторов методами термического отжига.
В заключении приведены основные результаты диссертации.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и совещаниях: Европейский симпозиум по полупроводниковым детекторам, Милан, Италия-1992г.; Международные конференции по GaAs детекторам, Сан-Минеато, Италия-1993,1998г.г.; Международные конференции по GaAs и сопутствующим соединениям, Аахен, Германия-1995г., Глазго, Шотландия-1996г., Чивидале дель Фриули, Италия-1997г.; Международные конференции по радиационным детекторам получения изображений, Сундсваль, Швеция-1999г., Фрайбург, Германия- 2000, Сардиния, Италия-2001, Амстердам, Нидерланды-2002г., Рига, Латвия-2003; Международные конференции по детекторам для eV коллайдеров, Новосибирск-1996, 2002г.г.; Международная конференция по ядерной физике и физике частиц, Каир, Египет-2001г; Российская конференция по физике полупроводников, Нижний Новгород-2001г.;
Региональная конференция «Научные исследования в наукоградах Московской области», Протвино-2001г.; Восьмая Российская Конференция «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V», Томск-2002; Шестой Международный семинар «Наука и компьютерные технологии», Москва-2003г.
Основные результаты диссертации опубликованы в 48 работах, перечисленных в Приложении 1, являющихся частью списка литературы, цитируемой в диссертации.
Подавляющая часть работ была выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ Проект № 96-02-16198, № 97-02-16241), Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН Проект № RD-8), Международного фонда содействия ученым независимых стран бывшего СССР (ИНТАС Проект № 93-3430, № 93-3430ext), Международного научно- технического центра (МНТЦ Проект № 1107-99), НИИОКР ГНЦ ИФВЭ.
Слабо компенсированные детекторные GaAs структуры п-типа, полученные газофазной эпитаксией
Применение кремния для разработки детекторов рентгеновских и гамма квантов также ограничено из-за низкого коэффициента поглощения излучения. На Рис. 1.1 приведена эффективность регистрации фотонов от энергии для стандартного кремния и разной толщины GaAs. Преимущество GaAs очевидно.
Альтернативой элементарным полупроводникам в ближайшем будущем станут более широкозонные бинарные и тройные полупроводники, например, GaAs, теллурид кадмия ( CdTe) и твёрдые растворы на их основе. Благодаря большим значениям времени жизни неравновесных носителей/6/ CdTe несомненно является перспективным детекторным полупроводниковым материалом. Однако современная технология не позволяет получить размеры монокристаллов CdTe коммерческого использования, кроме того материал не является технологичным и поэтому в 20 раз дороже GaAs. По своей природе сложные полупроводники более радиационностойкие, а большая ширина запрещенной зоны обусловливает меньшие токи утечки. С другой стороны в сложных полупроводниках наблюдается, как правило, неодинаковость дрейфовых длин носителей заряда. Например, при выполнении условия L„(,) d, Lp() d, ССЕ составляет п(х,) = 1--. То есть, в сложных полупроводниках ССЕ зависит от точки взаимодействия частицы с веществом, поэтому амплитудный спектр «размазывается» в область малых амплитуд. Для толстых образцов, d 1,,(4), ф,4)= К()/d, ССЕ ограничивается наибольшей из дрейфовых длин неравновесных носителей в треке. Таким образом, оценки, приведённые выше показывают, что основные параметры детекторов в значительной степени определяются соотношением дрейфовых длин неравновесных носителей с полной толщиной чувствительного слоя. Попытка сконструировать детекторы на основе широкозонных бинарных и тройных полупроводниковых соединений, таких как, например, GaAs наталкиваются на непреодолимую преграду, а именно: невозможность получения «чистого» материала. Во многих научных публикациях /7-10 и др./ показано, что для изготовления детекторов традиционно используют метод Чохральского (liquid encapsulated Czochralski (LEC) technique) для выращивания полуизолирующего GaAs (SI-GaAs), компенсированных глубокими донорными EL2 центрами. Сложные полупроводники (бинарные и тройные), и GaAs в том числе, принципиально не являются стехиометрическими. Нарушение стехиометрии ведёт к образованию собственных точечных дефектов. Большинство из них, как и фоновые (остаточные) примеси, имеют уровень концентраций не ниже 10м см"3 111. Исключение составляет лишь ловушка для электронов EL2, представляющая собой глубокий донорный комплекс AsGa+VAs (AsAs + VGa - AsGa + VAs), и имеющая уровень концентраций 1016 см 3 /8/. Донорные EL2 центры в состоянии EL2+ имеют гигантское сечение захвата для электронов « 0,8-10"13 см2 191 и, тем самым, ограничивают время жизни электронов до значений 0,2нс, что существенно сказывается на снижении величины дрейфовой длины электронов и обуславливает низкую эффективность сбора электронной компоненты заряда. Это подтверждается результатами приведёнными в работе/11/, в которой проанализирована форма импульса с LEC SI-GaAs детектора и показано, что основную долю импульса тока во внешней цепи составляет дырочная компонента заряда. Высокие температуры и термодинамические условия роста слиточного LEC SI-GaAs не позволяют существенно снизить концентрацию EL2 центров. В научных публикациях имеется достаточное количество экспериментальных данных, подтверждающих отрицательную роль EL2+ центров на характеристики детекторов. Обобщая литературные данные и наши экспериментальные результаты, можно сформулировать следующие выводы: экспериментально установлена корреляция основных параметров детекторов с удельным сопротивлением LEC SI-GaAs. С увеличением резистивности материала пропорционально снижается средняя плотность тока утечки, ССЕ, время жизни неравновесных электронов, и толщина активной области детектора при постоянном напряжении смещения /12/; установлено, что основные характеристики детекторов определяются концентрацией EL2+ центров, показано, что при постоянной концентрации EL2 центров удельное сопротивление LEC SI-GaAs растёт пропорционально концентрации EL2+ центров /13/; показано, что концентрация EL2+ центров должна быть 1015 см"3 /14/. Это приводит к резкому увеличению для электронов произведения подвижности на время жизни (цт), и времени жизни электронов, что в конечном итоге обеспечивает высокую эффективность сбора заряда в детекторах.
Одной из основных проблем использования LEC SI-GaAs является неоднородное распределение напряжённости электрического поля по толщине детектора, (х), и при относительно невысоком среднем значении «1кВ/см в структуре детектора формируются осцилляции тока во внешней цепи. Физическая природа этого явления до конца не изучена. Существует ряд физических моделей, показывающих, что наблюдаемые экспериментально осцилляции представляет собой медленные рекомбинационные домены/15/. Для экспериментального наблюдения зарождения и движения доменов в структуре детектора мы использовали методику, основанную на зависимости коэффициента поглощения излучения оптического диапазона вблизи края поглощения полупроводника от напряженности электрического поля в полупроводнике, получившего название эффекта Франца-Келдыша. Излучение от лампы накаливания преобразуется в монохроматическое ИК излучение, hv « (1,35-1,4) эВ, с помощью дифракционного решеточного монохроматора. Излучение вводится в торец исследуемого образца, в котором подачей напряжения смещения на внешние электроды задаётся распределение напряжённости электрического поля, ,(х). Соответственно распределению ,(х) изменяется коэффициент пропускания излучения исследуемой детекторной структуры. Прошедшее излучение воспроизводится в виде картинки изображения на мониторе цифровой камерой. Мы провели измерение десятков структур/П26/, изготовленных в известных в мире материаловедческих фирмах. Анализ результатов показывает, что, независимо от фирмы изготовителя, во всех структурах, выращенных по технологии LEC SI-GaAs, наблюдается неоднородное распределение (х) и осцилляции напряжённости электрического поля. Максимальное значение глубины проникновения электрического поля в образцах достигало (200-:-250) мкм при напряжении смещения 700 В, что и ограничивает толщину чувствительного слоя LEC SI-GaAs структур. Таким образом, полупроводниковые структуры на основе LEC SI-GaAs имеют ряд существенных недостатков: неоднородное распределение (х), относительно малая толщина чувствительного слоя и формирование полевой и токовой осцилляции, что связано с высокой ( 1015 см"3) концентрацией глубоких EL2+ центров. Это сдерживает разработку детекторов на основе LEC SI-GaAs. Поэтому большинство исследователей пришло к обоснованному выводу о необходимости снижения концентрации EL2+ центров.
Эпитаксиальные GaAs детекторы, выращенные из газовой фазы и легированные хромом
Применение методов жидкофазной эпитаксии для выращивания слоев арсенида галлия расширяет возможности управления рядом параметров, такими как величины подвижностеи и времена жизни носителей заряда, а также распределением удельного сопротивления и напряженности электрического поля по толщине слоя. Кроме того, эпитаксиальный арсенид галлия характеризуется большей воспроизводимостью параметров - по сравнению материалом выращенным из расплава, который будет рассмотрен ниже.
Попытки использовать чистый с высокой мобильностью электронов арсенид галлия, получаемый в результате эпитаксиального роста из жидкой фазы, для создания детекторов частиц предпринимались многими авторами/1-10/. Однако, все они столкнулись с проблемой - толщина чувствительной области у этого материала всегда оказывалась ниже 60-г80 микрон. Для увеличения толщины чувствительной области необходимо было поднять удельное сопротивление эпитаксиального арсенида галлия. По литературным данным известно, что легирование эпитаксиального арсенида галлия хромом позволяет получить материал с высоким удельным сопротивлением и использовать его в качестве полуизолирующего. Для компенсации мелких донорных примесей и превращения n-GaAs в высокоомный материал используется захват электрона нейтральным состоянием атома Сг. Поэтому при оценке свойств компенсированного хромом арсенида галлия обычно учитывают только глубокий акцепторный уровень Сг.
Из результатов работы /11/ следует, что растворимость хрома в GaAs при 900С составляет 1018 атомов/см3 (содержание хрома в жидкой фазе XQ. = 0.02 ат. доли). При 1000С она может достигать 4-Ю19 атомов/см3 (XQ=0.04). Исследования показали также, что эпитаксиальные слои GaAs:Cr, выращенные при температуре 1000 С, имеют р-тип проводимости, а выращенные при температуре 900 С - п-тип.
Проведенный в работе /12/ анализ литературных данных показал, что при выращивании методом жидкофазной эпитаксии возможно получение слоев арсенида галлия, легированных хромом, с удельным сопротивлением р 108 Ом -см. При этом удельное сопротивление слоя GaAs:Cr существенно зависит от типа и концентрации остаточной (фоновой) примеси в слое, растворимости атомов хрома в арсениде галлия при температуре эпитаксии и формы нахождения хрома в слое. При температурах выращивания
Тер 800С растворимость электрически активного хрома (акцептора) в арсениде галлия мала и для получения слоя с высоким удельным сопротивлением необходимо снижение концентрации компенсируемых мелких донорных примесей до значений Nd-Na Ы015 см-3. При повышении температуры эпитаксии до Тер 900С концентрация электрически активного хрома в GaAs возрастает, однако основной фоновой примесью становится акцепторная (т.е. Na-Nd 0) и для получения высокоомного GaAs необходимо использовать двойное легирование слоя мелкой донорной примесью олова и глубокой акцепторной примесью хрома. При этом должны выполняться следующие соотношения между концентрациями примесей в эпитаксиальном слое:
Авторами работы /12/ было экспериментально показано, что метод двойного легирования позволяет воспроизводимо получать слои GaAs с высоким удельным сопротивлением.
Процесс легирования эпитаксиального слоя полупроводника при его росте из жидкой фазы принято характеризовать с помощью коэффициента распределения легирующей примеси. Коэффициент распределения легирующей примеси - это отношение концентрации примеси в выращенном слое к концентрации примеси в исходной жидкой фазе. Величина коэффициента распределения к; и, следовательно, концентрация атомов легирующей примеси в слое N; зависят от температуры роста.
В работе /12/ приведены выражения для температурных зависимостей коэффициентов распределения примесей Sn и Сг при жидкофазной эпитаксии арсенида галлия. С использованием экспериментальных данных разных авторов температурная зависимость коэффициента распределения олова для ориентации подложки (100) была аппроксимирована следующей формулой: где Т - температура роста в Кельвинах. Температурная зависимость коэффициента распределения электрически активного хрома при жидкофазной эпитаксии GaAs описывается выражением: При этом легирование арсенида галлия в условиях неизотермической жидкофазной эпитаксии приводит к резко неоднородному распределению глубоких центров Сг по толщине слоя. Поэтому получение высокоомных компенсированных слоев арсенида галлия, имеющих толщину выше 100 мкм, является достаточно сложной задачей. Проведенные нами исследования /П21,П34,П47/ показали, что толщина выращиваемых слоев зависит от многих условий, так, она возрастает при увеличении массы расплава, приходящейся на 1 см поверхности подложки, увеличении температуры интервала охлаждения, а также при уменьшении скорости охлаждения.
В Таблице 3.1 приведены рассчитанные значения толщины эпитаксиального слоя, который может быть выращен из раствора GaAs в 15 граммах галлия растворителя на подложке площадью 12 см2 при охлаждении в интервале температур от начальной (Тн) до конечной (Тк). При расчете коэффициент осаждения предполагался равным 0.5, т.е. считалось, что на подложке в виде эпитаксиального слоя кристаллизуется только половина растворенного вещества. Как следует из таблицы, для выращивания эпитаксиального слоя толщиной 100, 200 и 300 микрон начальная температура эпитаксии должна быть не ниже 880, 940 или 980 С, соответственно.
Экспериментальным путем нами было показано, что повышением температуры начала эпитаксии до 980С в одном процессе и из одного расплава можно получить эпитаксиальный слой GaAs толщиной до 250 микрон. С целью увеличения толщины эпитаксиального слоя использовалось последовательное выращивание нескольких слоев i-GaAs:Sn,Cr на одной подложке.
Детекторные структуры с я-v переходом на компенсированном хромом арсениде галлия
Как уже отмечалось в Гл1., для формирования детекторных структур уже давно используется «ростовой» полуизолирующий арсенид галлия (SI-GaAs), синтезированный в условиях избыточного содержания мышьяка. Нарушение стехиометрии при получении материала ведет к образованию антиструктурных дефектов (в основном, EL2 центров), являющихся ловушками для электронов. Электрофизические характеристики «ростового» SI-GaAs в значительной степени определяются этими собственными дефектами/1/. Особое значение приобретают такие факторы, как природа и концентрация собственных дефектов, остаточных и специально вводимых «мелких» и компенсирующих «глубоких» центров, характер их распределения в слиточном материале. Все эти факторы на уровне фоновых концентраций, задаваемые условиями роста, трудноуправляемые. Как следствие, «ростовый» полуизолирующий GaAs представляет собой часто неконтролируемое распределение высокоомных областей с различным типом проводимости/2/. По этой причине не удается воспроизводимо получать SI-GaAs. Кроме того, EL2 центры являются эффективными центрами захвата неравновесных электронов в треке. В результате при большой концентрации EL2 центров сигнал на выходе детектора формируется в основном за счет дырочной компоненты/3/. В целом ряде экспериментальных работ/3-12/ отмечается, что захват на глубокие EL2 центры электронов приводит к снижению амплитуды индуцированного заряда и появлению во временной форме импульса медленной компоненты, обусловленной временем тепловой генерации захваченных на глубокие центры носителей/10-12/. Поэтому прикладываются усилия, чтобы понизить концентрацию глубоких центров в слоях SI-GaAs, составляющую 1014 -1016 см"3.
Нами предложено/П1-П8,П35,13/ в качестве детекторного материала использовать «ростовой» материал GaAs, компенсированный специально введенной примесью хрома. Известно, что такой материал обладает, в сравнении с полуизолирующим материалом, рядом новых свойств/14-16/, которые будут обсуждены ниже.
Продолжим, начатое в Гл.1 обсуждение роли атомов хрома в формировании детекторных структур. Хром является химическим элементом VI группы периодической системы с атомным номером 24 и атомной массой, равной 51,996.
Атомы хрома замещают в решетке арсенида галлия узлы галлия. Растворимость хрома при выращивании из расплава (1238С) имеет предельное значение-3-Ю атомов/см /17/. В соответствии с литературными данными/18/ электрическое поведение атомов хрома в арсениде галлия достаточно сложное. Электронные оболочки изолированного атома галлия имеют конфигурацию 3d10 4s2 4р . Изолированный атом хрома обладает электронной конфигурацией 3d5 4s1. Предполагается, что размещаясь в узле галлия он принимает конфигурацию 3d3 4s2 4р\ т.е. наряду с s-электроном, отдает на образование ковалентной связи два d-электрона. Таким образом, нейтральному состоянию хрома в арсениде галлия отвечает 3d3 - электронная конфигурация, которую принято обозначать также Сг3+ (зарядовое состояние относительно изолированного атома). Атом хрома может последовательно захватить два электрона из зоны проводимости, переходя в состояния Cr2+(3d4) и Cr1+(3d5). Следовательно, хром является в арсениде галлия двойным акцептором. Кроме того, атом хрома, находясь в нейтральном состоянии, способен отдать один из d- электронов, перейдя в состояние Cr4+(3d2), т.е. проявлять свойства глубокого донора.
Сложность ситуации состоит в том, что распределение атомов хрома по всем этим и другим состояниям может быть неравновесным, т.е. зависит не только от температуры и наличия посторонних примесей и дефектов, но и от сечения захвата и эмиссии электронов во всех этих состояниях, освещения и т.д. Атомы хрома создают в GaAs глубокие локальные уровни вблизи середины запрещенной зоны. Большое удельное сопротивление арсенида галлия, легированного хромом /19/, позволяет использовать данный материал в качестве полуизолирующего.
В настоящее время существует несколько моделей/20/ для описания электрофизических свойств полуизолирующего арсенида галлия, которые зависят от наличия и количества легирующих примесей, дефектов и неконтролируемых примесей. Для компенсации мелких донорных примесей и превращения n-GaAs в высокоомный материал используется захват электрона нейтральным состоянием Сг3+ с переходом атома хрома в состояние Cr2+(3d4). Это глубокий акцепторный уровень, который при 300К расположен выше потолка валентной зоны Ev на величину ДЕа=0,79 эВ/20/. По данным ряда авторов/20/ в кристаллах SI-GaAs присутствует также глубокий донорный уровень Ес - 0,75 эВ, связанный с атомами кислорода.
Четырехуровневая модель зонной диаграммы полуизолирующего арсенида галлия включает в себя мелкие донорный (AEdl=0,01 эВ) и акцепторный (ДЕа]=0,01 эВ) уровни, а также глубокие донорный (AEd2=0,75 эВ) и акцепторный (AEai=0,79 эВ) уровни. Фоновыми мелкими донорами в объемном GaAs являются главным образом S и Si, в тоже время преобладающими мелкими акцепторами могут быть либо углерод, либо комплекс вакансий. В основе технологии изготовления, предложенных нами, детекторных структур на компенсированном хромом «ростовом» арсениде галлия лежит прецизионное легирование исходного электронного GaAs с концентрацией носителей no=Nd 1017 см"3 специально введенной примесью Сг до концентрации Nc Nd. Управляемое неоднородное распределение хрома по толщине пластины исходного GaAs позволяет формировать последовательно на низкоомной подложке высокоомный слой, включающий п-, v- области и область объемного заряда (ООЗ) между ними. Схематически вид такой структуры, распределение примесей в ней и ее энергетическая диаграмма представлены на Рис. 4.1 где Nt - концентрация акцепторов с глубокими энергетическими уровнями, Nd - концентрация доноров с мелкими энергетическими уровнями. Вариацией параметров исходного GaAs и технологических условий изготовления управляемо изменяются электрические характеристики высокоомных слоев. я-область - это высокоомная область арсенида галлия, имеющая дырочный тип проводимости, т.к. выполняется соотношение концентраций Nt Nd. Условия компенсации таковы, что электроны с донорных центров захватываются на глубокие центры, а некомпенсированная часть центров Nt-Nd взаимодействует с электронами из валентной зоны. Когда электрон из валентной зоны захватывается на пустой глубокий центр, то в валентной зоне появляется дырка, определяющая тип и уровень проводимости. С учетом распределения Больцмана для распределения энергий электронов, в валентной зоне в области концентраций Nt Nd , имеем концентрацию дырок: р= (NrHO-f, где f- функция заполнения глубокого уровня. f=(Nv/gNt)exp(-AE,/kT), Nv - плотность состояний в валентной зоне; g- фактор вырождения глубоких уровней; к -постоянная Больцмана;Т- абсолютная температура; AE=Et-Ev«0,76/2/ - положение глубокого уровня (Сг) относительно потолка валентной зоны. Удельное сопротивление ті- слоя управляемо варьируется в пределах 106 ч-109 Ом-см. v -область - это высокоомная область GaAs, имеющая электронный тип проводимости, т.к. в этой области выполняется соотношение концентраций Nd Nt. При этом все глубокие центры заполняются электронами с донорных центров и концентрация электронов в зоне проводимости n=Nd-Nt. Изменением легирующих концентраций Nd,Nt можно варьировать удельное сопротивление v-слоя в пределах 10 ч-104 Ом-см.
Область объемного заряда занимает часть тс- и v- слоев. Толщина высокоомного слоя при одностороннем легировании может достигать 400 микрон.
Восстановление параметров облученных п/п GaAsдетекторов при термическом отжиге
В предыдущих параграфах настоящей главы было показано, что компенсированный хромом арсенид галлия может быть использован для создания полупроводниковых, чувствительных к ионизирующим частицам, детекторов. В данном параграфе приводятся результаты, проведенных нами /П5-П8,П15/, испытаний первых прототипов координатных микрополосковых GaAs детекторов в пучках заряженных частиц ускорителей высоких энергий и р-частиц от радиоактивных источников.
Средние удельные потери релятивисткой частицы в арсениде галлия составляют 5,77МэВ/см. При энергии ионизации электрон-дырочной пары в GaAs 4,2 эВ плотность пар в треке в GaAs- структуре на единице пути составляет-173 пар/микрон. Это соответствует концентрации неравновесных носителей в треке радиусом -0,5 мкм (по порядку величины пробега дельта-электронов в GaAs) -2-Ю14 см"3. Последняя величина на порядок выше, чем в кремнии, и определяет амплитуду регистрируемого заряда. Величина заряда, индуцированного на электродах детекторной структуры, определяется, как мы видели, двумя факторами: толщиной высокоомного слоя и величиной напряженности электрического поля в нем. Существенное влияние на сбор заряда оказывает тип проводимости тылового контакта к тт.- слою и конструкция структуры, что связано с особенностями распределения электрического поля в треке. При усредненной напряженности электрического поля в высокоомном слое Е 10 кВ/см эффективность сбора заряда в детекторной структуре достигает 60%. Это означает, что абсолютная величина заряда, регистрируемого детекторной структурой толщиной ЗООмкм, достигает 2,5-104е (4-Ю 15 . Кл) на каждую пролетающую перпендикулярно структуре релятивистскую частицу. При этом амплитудный спектр формируется за счет неравновесных носителей заряда, собираемых из всего трека, и величина амплитуды ограничивается лишь соотношением времени жизни и времени дрейфа неравновесных носителей в треке.
Первые прототипы GaAs детекторов были изготовлены с внутренней структурой трех типов p-7i-v-n, n+-7t-v-n и (Au)n+-7i-v-n. Детекторы площадью 26x23 мм были выполнены на предварительно сформированной диффузией хрома детекторной структуре из шайбы диаметром 40 мм и толщиной ЗООмкм. Детекторная структура имела высокоомный слой толщиной (100±50)мкм, содержащий n-v- переход, глубина залегания которого (50±20)мкм (Рис. 4.12).
Сигнальные полоски на поверхности детекторов формировались для разного типа структур из арсенида галлия либо п+- типа, либо р-типа, либо п+ с напылением золота. На Рис.4.13 и Рис.4.14 представлены вольтамперные характеристики для детекторов (Au)n -л-v-n и р-я-v-n, снятые для одной полоски (стрипа) с шириной 50мкм и шагом 150мкм. Обратные ветви вольтамперных характеристик. Рис. 4.14 Вольтамперная характеристика детектора р-тг-v-n- типа имеет диодный вид, токи при прямом и обратном напряжениях смещения отличаются на порядок. Вольтамперная характеристика детектора (Au)n+-7i-v-n типа не имеет диодного вида, что объясняется наличием встречно включенных переходов п -ти и TC-V. Это же обстоятельство объясняет меньшие токи при прямом напряжении смещения. Понятие прямого и обратного напряжения смещения вводится здесь для TC-V- перехода. На первом этапе работ по созданию GaAs полосковых детекторов из-за технологических трудностей не удавалось получить удовлетворительного омического контакта с GaAs р-типа, что приводило к увеличению собственных шумов полупроводниковой структуры, поэтому для испытаний в пучках зараженных частиц были выбраны детекторы (Au)n+-7t-v-n типа. Кроме того, снимаемый токовым усилителем сигнал с этих детекторов был значительно больше сигнала с n+-7u-v-n детекторов по причине меньшего линейного сопротивления контактов с золотым покрытием. Были изготовлены (Au)n+-7i-v-n детекторы двух топологий: с шагом полосок 150мкм и шириной полосок 50мкм; с шагом полосок 50мкм и шириной полосок Юмкм. Детекторы не имели встроенных сопротивлений нагрузки и разделительных емкостей и соединялись с усилителями в режиме прямой токовой связи (Рис.4.15).
Схема включения детектора. Рис. 4.15 При изготовлении микрополосковых технологическом процессе изготавливались проведения дополнительных тестов. Образец-"свидетель" представляет собой кристалл GaAs площадью 2x2 мм с той же внутренней структурой, что и детектор, но со сплошной контактной площадкой на поверхности.
Сигнал с детектора снимался в аналоговом виде для проведения в дальнейшем амплитудного анализа. Триггер для запуска стробируемого интегратора LeCroy 2249А вырабатывался по схеме самозапуска от изучаемого сигнала. Длительность ворот была выбрана 20нс. В качестве усилителя первого каскада использовался токовый усилитель «Гарантия»/33/. На Рис.4.16 показан спектр сигналов для 2 МэВ электронов от источника Ru с единичного стрипа п+-л перехода детектора с питчем 150 микрон. Пучок моноэнергетичных (3- частиц от радиоактивного источника формировался с использованием установки, описанной в работе/13/. Распределение амплитуд сигналов согласуется с эмпирической формулой Ландау: при Х 0 для ионизационных потерь в тонком слое материала/34/ (Л-безразмерный параметр).
