III. Заключение

1
Детекторы γ-квантов на основе
эпитаксиальных слоев π-GaAs:S,Cr
М.Д. Вилисова, В.П. Гермогенов, И.В. Пономарев

Аннотация— Проведено исследование структур на основе
компенсированных хромом эпитаксиальных слоев GaAs в
качестве детекторов γ-квантов. Установлено влияние
распределения напряженности электрического поля в
активной области структур на их амплитудные γ-спектры.
Ключевые слова—P–i–n-диод, детектор, GaAs, γ-кванты
I. ВВЕДЕНИЕ
Для увеличения толщины активной области детекторов
барьерного типа на основе GaAs используется понижение
концентрации остаточных донорных примесей. Последнее
достигается за счет выращивания слоев из особо чистых
материалов [1] или геттерирования фоновых примесей
лантаноидами [2]. В данной работе исследуются
структуры для детекторов γ-частиц с пониженной
концентрацией носителей в активной области, полученной
путем компенсации остаточных примесей атомами хрома
[3].
Экспериментальные структуры были выращены
методом газофазовой эпитаксии в системе GaAsCl3H2
на сильнолегированной n+-подложке (n+=11018 см-3) и
состояли из буферного слоя с плавным понижением
уровня легирования, активного n-слоя с концентрацией
электронов n=2,8·1015 см-3 и верхнего р+-слоя,
легированного цинком (p+=21018 см-3). Толщины слоев
составляли 5, 50 и 2 мкм, соответственно. Для понижения
концентрации носителей заряда в эпитаксиальном n-слое
проводилась компенсация доноров акцепторной примесью
Cr путем диффузии через p+-слой. В результате
проведения
диффузии
при
различных
режимах
(изменялась температура и время) были получены
структуры различных типов. В одних структурах в
Статья получена 6 мая 2011 года. Работа выполнена в рамках
проектов: ФЦП НК -593П ГК П866, АВЦП 2.1.2/12752.
М.Д. Вилисова, Томский государственный университет, Томск, ул.
Ленина 36 (тел.: +7(3822)413828).
В.П. Гермогенов, Томский государственный университет, Томск,
ул.Ленина 36 (тел.: +7(3822)413463; e-mail: [email protected]).
И.В. Пономарев, Томский государственный университет, Томск,
ул.Ленина 36 (тел.: +7(3822)413828; e-mail: [email protected]).
А.В. Тяжев, Томский государственный университет, Томск, ул.
Лыткина 28г (тел.: +7(3822)413434; факс: +7 (3822)412588, e-mail:
[email protected]).
эпитаксиальном n-слое формироваться область с
пониженной относительно исходной концентрацией
электронов n– и структуры имели строение p+-n–-n-n+ (I
тип). В других структурах формировалась высокоомная область толщиной dπ. В структурах II типа толщина области (dπ) не превышала толщины n-слоя (dπ<30 мкм) и
они имели строение p+-π-n-n+. В структурах III типа
высокоомная π-область занимала всю толщину n-слоя и
они имели строение p+-π-n+.
В работе проводилось исследование амплитудных
спектров (АС) от радиоактивного изотопа Am241. Для
измерения АС использовалась стандартная блок-схема:
зарядовый предварительный усилитель – усилитель –
амплитудный
анализатор.
Постоянная
времени
формирования полосы пропускания усилителя составляла
0.25 мкс. АС измерялись при подаче обратного
напряжения в диапазоне Uобр = 0÷21 В. Облучение γ –
квантами проводилось со стороны p+-слоя структур.
II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На рисунке 1 представлены АС от γ-квантов
исследованных структур при обратном напряжении Uобр =
21 В. Видно, что на всех -спектрах присутствует пик,
соответствующий регистрации квантов с энергиями
Eγ=15÷17 кэВ (номер канала АЦП= 67÷73). Кроме того, на
АС структур I и II типов (рис. 1,а,б) дополнительно
присутствует пик событий соответствующий квантам с
энергией Eγ=59,5 кэВ (при номерах канала АЦП 340 и 250,
соответственно). Стоит отметить, что в структурах I типа
он выявлялся даже при Uобр =0 В. На АС структур III типа
пик от квантов с Eγ=59,5 кэВ не выделяется и вместо него
присутствует «полочка» событий в диапазоне номеров
канала АЦП от 150 до 400 (рис. 5.1, в).
Присутствие пиков событий на АС от квантов с
Eγ=15÷17 кэВ в структурах всех типов свидетельствует о
собирании как электронной, так и дырочной компоненты
неравновесного заряда. Этот же факт обуславливает
наличие чёткого пика, соответствующего γ-квантам с
энергией 59,5 кэВ в спектрах структур I и II типов.
«Полочка» событий на АС структур III типа
свидетельствует о собирании только неравновесных
электронов.
Причинами такого поведения АС может быть влияние
распределение напряженности электрического поля в
активной области экспериментальных структур. На этот
2
Число событий
40
30
200
20
10
0
0
100
100
200
300
а)
0
0
100
300
400
40
500
Число событий
200
30
400
20
10
300
0
0
200
100
200
300
б)
100
0
0
100
200
300
400
600
Число событий
40
30
400
20
10
0
0
200
100
200
300
в)
0
0
100
200
300
400
Номер канала АЦП
Рис. 1. Амплитудные γ-спектры структур I (а), II (б) и III (в) типов при
обратном напряжении Uобр= 21 В. На вставках приведены пики
событий от γ-квантов с энергией 59,5 кэВ в увеличенном масштабе
факт указывает характер зависимости толщины активной
области dакт от ширины ОПЗ W исследованных структур.
Величина
dакт
оценивалась
из
исследования
эффективности собирания заряда от β-частиц (источник
90
Sr). В структурах I типа ширина ОПЗ W соответствует
толщине активной области dакт. Это говорит, о том, что
собирание носителей заряда происходит со всей толщины
ОПЗ. При формировании высокоомной области и ее
увеличении эта зависимость нарушается. В структурах II и
III типов толщина активной области остается постоянной
dакт=30 мкм независимо от ширины ОПЗ W, что говорит
неполном собирании неравновесного заряда.
В работе [5] было установлено, что распределение
напряженности электрического поля E(x) в детекторных
структурах на основе эпитаксиальных слоев GaAs:Cr
является неравномерных и зависит от режима диффузии
атомов хрома. С структурах I типа активной областью
является ОПЗ p+-n––перехода и распределение E(x) имеет
один пик напряженности E1. В структурах II и III типа
активной является π-область. В структурах II типа имеется
два пика напряженности электрического поля. Один пик
располагается на p+-π-переходе – E1, а второй на π-nпереходе – E2. При малой толщине π-области p+- π- и π-nпереходы располагались близко друг к другу. В результате
профиль напряженности электрического поля представлял
два смыкающихся пика. Увеличение толщины π-области
приводило к смещению π-n- перехода в сторону n+подложки. В результате появляется провал между пиками
p+-π- и π-n- переходов. В структурах III типа при большой
толщине π-области π-n- переход исчезает и структура
имеет два пика (E1 на p+-π- и E2 π-n+- переходах),
разделенных π- областью с низкой напряженностью.
Проанализируем АС экспериментальных структур (см.
рис. 1). Рассмотрим пики событий от квантов с Eγ=15÷17
кэВ. Как известно, более 60% потока квантов с такой
энергией поглощаются на глубине слоя GaAs равном 30
мкм [4]. При облучении со стороны p+- слоя, на толщине
30 мкм у всех типов экспериментальных структур
присутствует пик электрического поля E1 с максимальным
значением напряженности. В результате, во всех
структурах дрейфовая длина электронов и дырок
достаточна чтобы достичь p+– и n+– областей,
соответственно и на АС наблюдается пик событий.
Обратимся к пикам событий от квантов Eγ=59,5 кэВ. В
слое GaAs толщиной 50 мкм поглощаются лишь 3%
потока квантов с Eγ=59,5 кэВ, причем характер
поглощения является равномерным по всей толщине слоя
[4]. В
данном случае
влияние распределения
напряженности электрического поля на собирание
неравновесного заряда становиться определяющим. Для
объяснения экспериментальных АС от -квантов с
энергией E=59,5 кэВ был проведен модельный расчет с
учетом
неравномерного
распределения
E(x),
установленного в работе [5]. Амплитудный спектр был
рассчитан на основании выражения [6]:
 ( E  E  ( x)) 2 
dN W
k  exp  k  x
 dx (1)
 
 exp 
2


dE 0 2  π   (1  exp  k W )
2




где W – толщина ОПЗ, k – коэффициент поглощения γизлучения с энергией Eγ, η(x) – эффективность собирания
заряда в зависимости от точки генерации неравновесного
заряда, dN/dE – число событий, σ – среднеквадратичное
отклонение собранного заряда.
3
В качестве выражения для эффективности собирания
заряда η(x) использовалась известная формула Хехта:
d
 Ld ( x) 

 W  x   Lp ( x) 
x 
n
1  exp   d

1  exp   d
  
 L ( x)   
 W 
W 
p
 Ln ( x)  



 ( х)  
(2)
В
следствие неоднородного распределения напряженности
электрического поля E(x) в активной области детекторов в
выражении для η(x) учитывалась зависимость дрейфовой
длины электронов Ldn ( x ) и дырок Ldp ( x) от координаты по
толщине активной области в соответствие с выражениями:
Ldn ( x)  n  n  E ( x) ,
(3)
и
(4)
Ldp ( x)   p  p  E( x) ,
где n, p
- подвижность электронов и дырок,
соответственно, n, p – время жизни электронов и дырок,
E(x) – распределение напряженности электрического поля.
Расчеты проводились при следующих параметрах:
k=10,75 см-1, Eγ=59,5 кэВ, σ = 3 кэВ, n= 3000 см2/В·с, p=
500 см2/В·с. Ширина ОПЗ для структур I и II типов
составляла W=30 мкм, а в структурах III типа - W=50 мкм.
Распределение E(x) в структурах I типа имело один пик
напряженности электрического поля E1, а структурах II и
III типа присутствовал дополнительный пик E2. Расчет
проводился при напряженностях электрического поля в
пиках E1=6·103 В/см и E2=3·103 В/см. Время жизни
электронов τn для всех типов структур были одинаковым и
составило τn=4·10-8 с [7]. Для согласования расчетных и
экспериментальных АС варьировалось время жизни дырок
τp.
В
результате,
наилучшее
согласование
экспериментальных и расчетных АС было достигнуто при
временах жизни дырок для структур I и II типов τp= 1·10-10
с, а для структур III типа – τp= 1·10-12 с. Расчетные
амплитудные γ-спектры представлены на рис. 2.
Из анализа результатов расчета АС экспериментальных
структур можно сказать следующее. Формирование
дополнительного максимума электрического поля в
глубине эпитаксиального слоя при переходе от структур I
типа к структурам II типа приводит к уменьшению номера
канала АЦП пика событий от квантов с Eγ=59,5 кэВ.
Отсутствие пика событий в структурах III типа вероятно
связано с захватом дырок на глубокие акцепторные
уровни Cr [7], что приводит к низкому времени жизни
дырок τp= 1·10-12 с. В результате, дрейфовая длина дырок
Ldp является так же низкой и ее отношение к ширине ОПЗ
W обуславливает крайне малый вклад дырок
эффективность собирания неравновесного заряда.
III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в детекторных структурах на основе
эпитаксиальных слоев π-GaAs:S,Cr увеличение толщины
активной области приводит к ухудшению амплитудных
спектров при регистрации γ-квантов с энергией Eγ=59,5
кэВ. Причиной это является неоднородное распределение
напряженности электрического поля и малое время жизни
неравновесных дырок.
БЛАГОДАРНОСТЬ
Авторы выражают благодарность инженерам Друговой
Е.П. и Чубирко В.А. за предоставленные эпитаксиальные
структуры Тяжеву А.В. за помощь в проведении расчетов
амплитудных спектров.
ССЫЛКИ
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Рис. 2. Расчетные амплитудные спектры от γ-квантов c энергией
Eγ=59,5 кэВ для структур различных типов: 1 – I ,2 – II ,3 – III
в
Залетин В.М. “Разработки полупроводниковых детекторов на
основе широкозонных полупроводников,” Атомная энергия, т. 97,
вып. 5 – 2004- с. 362-370.
Гореленок А.Т., Томасов А.А., Шмидт Н.М. и др. “P–i–n-структуры
на основе высокоомного геттерированного арсенида галлия для
детекторов α-частиц,” ПЖТФ – 2006. – Т.32, вып.9. – с. 64-69
Вилисова М.Д., Другова Е.П., Пономарев И.В. и др. “Диффузия
хрома в эпитаксиальный арсенид галлия,” ФТП – 2008 – Т.42, вып.
2. – С. 239 - 242.
Кеноев В.В., Соснин Ф.Р., Аертс В. Рентгенотехника. Справочник.
– Машиностроение.– Т.1 – 1992. – с.480.
М. Д. Вилисова,
В. П. Гермогенов,
О. Ж. Казтаев
и
др.
“Исследование распределения электрического поля в детекторных
структурах на GaAs методом Кельвин-зонд-микроскопии,” ПЖТФ
– 2010 – Т.36, вып. 9. – С. 95 - 101.
Trammell R., Walter F.J. “The effects of carrier trapping in
semiconductor gamma-ray spectrometers,” Nucl. Instr. and Meth.
1969.-vA76.-p.317-321.
Г.И. Айзенштат, М.Д. Вилисова, Е. П. Другова и др. “Детекторы
рентгеновского излучения на эпитаксиальном арсениде галлия,”
ЖТФ – 2006 - Т.76, вып.8. - С.46-49.
4