Чувствительность GaAs детекторов к рентгеновскому излучению

1
Исследование чувствительности и
импульсных характеристик детекторов на
основе GaAs, компенсированного хромом,
при воздействии рентгеновского излучения
Р.Р. Гараев, А.В. Тяжев, О.П. Толбанов, А.Н. Зарубин,
Национальный Исследовательский Томский Государственный университет, 634050, Томск
В
работе
представлены
результаты
экспериментальных
исследований
чувствительности
и
импульсных характеристик детекторов на
основе арсенида галлия, компенсированного
хромом к воздействию рентгеновского
излучения диапазона 60–120 кэВ. Проведено
сравнение чувствительности детекторов на
основе различных материалов.
Аннотация:
Key words: detector, GaAs, sensitivity, X–ray.
I. ВВЕДЕНИЕ
Э
ффективная регистрация рентгеновских
лучей является основной проблемой при
создании систем цифровой радиографии, в
том числе для применения в областях
медицины, биологии и неразрушающего
контроля. Анализ направлений развития систем
цифровой
радиографии
показывает,
что
наиболее информативные изображения могут
быть получены системами, использующими
полупроводниковые детекторы рентгеновского
излучения
В
работе
представлены
результаты
исследования
чувствительности
арсенид
галлиевых
детекторов
к
воздействию
рентгеновского излучения.
II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальные образцы представляли
собой
детекторы
на
основе
GaAs,
компенсированного Cr, с толщиной d
чувствительной области 295 мкм, детекторы на
основе Si толщиной d=300 мкм и детекторы на
основе чистого GaAs (d=35 мкм) и на основе
компенсированного
GaAs(d=40мкм),
выращенные по эпитаксиальной технологии. В
качестве контактов использовались пленки на
основе Сr/Ni и In вплавные контакты для
детекторов на основе GaAs и Al для кремниевых
детекторов.
Источником
рентгеновского
излучения служила рентгеновская трубка с
вольфрамовым анодом, суммарная фильтрация
источника эквивалентна Al фильтру толщиной
4мм. Расстояние L: детектор–фокус трубки –
113см. Напряжение смещения Udet, подаваемое
на GaAs детекторы составляло 30В
для
детекторов с толщиной 295 мкм, 5 В для
детекторов выращенных по эпитаксиальной
технологии а также 60 В для детекторов на
основе Si.
На рисунках 1.1 представлены характерные
зависимости фототока Iph от мощности
экспозиционной дозы (МЭД) рентгеновского
излучения для различных материалов.
III. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В работе [1] установлено, что с увеличением
МЭД
наблюдается
уменьшение
чувствительности в детекторах на основе
GaAs:Cr.
Это может быть связано с искажением поля в
структуре, что в свою очередь может быть
вследствие заряда захваченных носителей на
глубокие уровни, либо вследствие заряда
свободных носителей, вызывая режим токов,
ограниченных
пространственным
зарядом
(ТОПЗ) [2]. Искажение распределения поля в
структуре вызывает существенное искажение
формы выходного импульса.
Работа выполнена при поддержке следующих грантов: ФЦП ГК16.513.11.3068, ФЦП НК -593П
ГК П866, АВЦП 2.1.2/12752.
2
GaAsepitaxy
основе GaAs:Cr, которые имеют сублинейный
характер. Причем это сублинейность тем выше,
чем выше степень компенсации материала, что с
уверенностью позволяет говорить, что основной
механизм падения чувствительности – захват на
глубокие уровни.
На рисунке 1.2 показано искажение
импульсных характеристик с увеличением
МЭД.
Si
Рис. 1.2. Импульсные характеристики детекторов на
основе эпитаксиальных структур GaAs и GaAs:Cr
GaAs:Crepitaxy
Численные
оценки
показывают,
что
искажение поля происходит за время порядка
микросекунд и, из-за этого в области высоких
доз импульс должен был быстро упасть до нуля,
что не подтверждается экспериментально.
Следовательно,
существует
механизм,
препятствующий этому – инжекция носителей
заряда с контактов вследствие уменьшения
барьера [3]. Используя контакты с малой
высотой потенциального барьера (вплавные
контакты на основе In) можно добиться
перехода
от
сублинейных
зависимостей
зависимость Iph от МЭД
к линейным
зависимостям и даже сверхлинейным, что и
подтверждается экспериментально (рис 1.3)
GaAs:Cr
Рис. 1.1. Зависимось фототока от МЭД для различных
материалов
Как видно зависимость Iph от МЭД для
чистых материалов (Si, чистый GaAs) имеет
линейный характер, в отличии от образцов на
Рис. 1.3. Зависимось фототока от МЭД для GaAs:Cr, In
контакты.
3
Импульсные характеристики детекторов на
основе GaAs:Cr с вплавными In контактами (рис
1.4)
имеют
затягивания
фронтов,
что
сказывается на быстродействии.
Чувствительность определялась с помощью
аппроксимации зависимости фототока от МЭД.
Результаты
вычислений
чувствительности
приведены в таблице 1.
Рис. 1.4. Импульсные характеристики детекторов на
основе GaAs:Cr с In вплавными контактами.
Utube, кВ
60
80
120
60
80
120
60
80
120
60
80
120
Чувствительность
пКл/мР*см2.
меньше 200 мР/с
SI,
МЭД
ТАБЛИЦА 1
Чувствительность
SII,
пКл/мР*см2. МЭД больше
200 мР/с
Анод
2,2
2,1
1,5
Катод
5,0
4,4
3,6
Анод
2,2
1,8
1,4
Катод
5,0
3,4
2,9
513,4
624,6
712,0
2,1
2,1
2,0
3,3
402,7
544,2
661,7
2,3
2,2
2,1
3
513,4
756,4
787,6
2,1
2,2
1,91
3,3
402,7
672,5
715,3
2,3
2,3
2,2
3
3,0
2,5
2,9
2,6
2,4
2,1
2,5
2,1
Анализ экспериментальных данных
позволяет сказать, что во всем диапазоне МЭД и
напряжений на трубке чувствительность
детекторов на основе GaAs:Cr с барьерными
контактами при облучении катода выше
аналогичного параметра при облучении анода.
Возможно,
это
объясняется
сбором
преимущественно электронной компоненты
заряда.
Для
детекторов
на
основе
эпитаксиальных материалов разница между
облучением катод и анода незначительна.
Возможно, это обусловлено малой толщиной
чувствительного слоя. Как видно, величина Iph
определяется интенсивностью рентгеновского
излучения и слабо зависит от спектрального
состава излучения.
Структуры с вплавными In контактами
имеют значительно большую чувствительность
при прочих аналогичных условиях. Кроме того,
Примечание
GaAs:Cr детектор,
d=295 мкм,
Udet=30 В
GaAs:Cr детектор
In контакты d=295 мкм
U=30 В
GaAs эпитакс
d=40 мкм
U=5 В
GaAs:Cr эпитакс
d=35 мкм
U=5 В
значительно
возрастает
отношение
фототок/темновой ток, но при этом ухудшается
быстродействие работы детектора по сравнению
с детекторами на основе барьерных контактов.
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что с увеличением МЭД
наблюдается уменьшение чувствительности
детекторов на основе арсенида галлия,
компенсированного хромом. Это связано с
накоплением заряда на глубоких примесных
уровнях и, как следствие, с уменьшением
области сильного электрического поля.
Экспериментально
установлено,
что
существует механизм компенсации объемного
заряда на глубоких уровнях, который
4
обусловлен
понижением
высоты
потенциального барьера контакта металлполупроводник
в
области
сильного
электрического поля.
Это приводит к
дополнительной инжекции носителей, заряд
которых компенсирует заряд на глубоких
уровнях.
Показано, что
структуры с вплавными
контактами на основе In характеризуются
существенно большей чувствительностью и
отношеним фототок/темновой ток, но при этом
обладают меньшим быстродействием по
сравнению с детекторами на основе барьерных
контактов.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Исследование зависимости фототока детекторов на основе GaAs:Cr от мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения/ Гараев Р.Р., Тяжев А.В., Толбанов О.П., и другие// Известия Учебных Заведений.
Физика. – 2010г. – №9/2. – C.333-335.
[2] Даргис А.Ю. Измерение дрейфовой скорости в твердых
телах: изд. Мокслас.-1987г.-204с.
[3] Gain mechanism in GaN Shottky ultraviolet detectors/ O.
Katz, V. Garber, B. Meyler et. all// APPLIED PHYSICS
LETTERS,– 2001г. – VOL. 79, NO. 10, – p.1417-1419.