Разработка и исследование арсенидгаллиевых детекторов ионизирующих излучений с разделенными областями накопления и считывания заряда

• Автор: Кацоев, Валерий Витальевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 123 с. : ил.

Содержание диссертации.

ГЛАВА I. ВВЕДЕНИЕ: ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

I-1. Цели и задачи диссертации. Ее структура. Предлагаемые способы решения

ПРОБЛЕМЫ

1-2. Актуальность работы. Состояние проблемы

1-3. Научная новизна работы

1-4. Практическая ценность

ГЛАВА II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИПОВ, ПОЛОЖЕННЫХ В ОСНОВУ ЕЕ РАБОТЫ

П-1. Конструирование свойств приемного слоя детектора

П-2. Два вида конструкции детекторов (детекторных ячеек) с разделенными

ОБЛАСТЯМИ НАКОПЛЕНИЯ И СЧИТЫВАНИЯ ЗАРЯДА, ПРИНЦИПЫ ИХ РАБОТЫ
И-З. Физико-математическая модель процессов накопления и считывания информации в детекторах с разделенными областями накопления и считывания заряда, расчет регистрирующих способностей детекторов
ГЛАВА III. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТЕКТОРОВ С РАЗДЕЛЕННЫМИ ОБЛАСТЯМИ НАКОПЛЕНИЯ И СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ
III-1. Требования к материалам и к архитектуре структуры; использованные
материалы и архитектура структуры
Ш-2. Технологический маршрут изготовления детекторов с разделенными
областями накопления и считывания и его особенности
Ш-З. Содержание кристалла и топология детекторных ячеек; комплект фотошаблонов
ГЛАВА ГУ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОЯ ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ЗАРЯДА В ДЕТЕКТОРАХ С РАЗДЕЛЕННЫМИ ОБЛАСТЯМИ НАКОПЛЕНИЯ И СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ
IV-1. Измерение кинетических коэффициентов (подвижности, концентрации,
удельного сопротивления) в области накопления и хранения заряда
ГУ-2. Исследования механизмов транспорта заряда в области его накопления и
хранения
1У-3. Измерение энергетического спектра ловушек области накопления и хранения
заряда
1У-4. Экспериментальные исследования процессов захвата, хранения и считывания заряда в детекторах с разделенными областями накопления и считывания информации
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Глава I. Введение: постановка задачи.
1-1. Цели и задачи диссертации. Ее структура. Предлагаемые способы решения проблемы.
В развитии техники диагностирования слабых потоков ионизирующего излучения за последние десятилетие достигнуты значительные успехи. Однако, существует острая необходимость | в низкопороговых диагностических системах, например, при экологическом мониторинге окружающей среды в местах расположения объектов атомной промышленности. Это обстоятельство подталкивает исследователей и разработчиков к поиску решений, которые позволили бы создать элементную базу столь чувствительных диагностических систем. Решению такой проблемы посвящена настоящая диссертационная работа, основным содержанием которой является оригинальная разработка активного твердотельного детектора инте1рального типа на основе арсенида галлия, позволяющего регистрировать слабые потоки ионизирующего излучения. Известны пассивные детекторы интегрального типа, реализованные на не твердотельных материалах (стекловидные материалы, 1ЛР и др.). Предлагаемый твердотельный детектор является активным, поскольку не только преобразует энергию излучения в электрический заряд и осуществляет его длительное хранение, но и реализует в отличие от пассивных детекторов возможность неразрушающего считывания накопленной информации в произвольный момент времени электрическим способом. В известных же на сегодняшний день пассивных детекторах интегрального типа считывание информации осуществляется путем термического нагрева детектора, либо фотостимулирования электронов, локализованных на ловушках, что приводит к дополнительным сложностям и временным затратам.
Смысл предлагаемой конструкторской организации в реализации возможности накопления и сохранения информации детектором, и тем самым - реализации понижения порога интенсивности регистрируемого излучения. Для детекторов как резистивной организации, так и выполненных на основе р-ьп структур, либо структур барьерЛ-слой, ухудшение таких основных параметров как пороговая чувствительность, динамический и частотный диапазон, и увеличение токов утечки обратно смещенного барьера связаны с высоким уровнем генерационно-рекомбинационных шумов из-за насыщенности 1-слоя глубокими энергетическими центрами

Предлагаемый в настоящей работе подход исключает из токовой цепи считывания высокоомную приемную область детектора. Кроме того, разделение областей приема, хранения и считывания информации позволяет реализовать возможность ее накопления и длительного хранения, а также возможность считывания без разрушения хранимой информации в необходимый нам момент времени либо в заданной точке пространства (для многоэлементных детекторов).
Диссертация состоит из четырех глав.
В первой главе диссертации (Введение) дана постановка задачи, показана ее актуальность и дан развернутый анализ состояния проблемы на сегодняшний день. Здесь же представлена идея конструктивного решения указанной проблемы.
Во второй главе диссертационной работы предложен подход к конструированию приемной области детектора. Рассмотрена математическая модель образования полуизолирующего арсенида галлия. Результатом анализа модели и ее отличительной особенностью является установление зависимости концентрации свободных носителей заряда (удельного сопротивления материала) от концентраций глубоких энергетических центров (ГЭЦ) и компенсирующих центров при постоянных параметрах материала: результирующая концентрация мелкой примеси А( - Мп ~ 1015 см"3, энергетическая глубина залегания ГЭЦ (относительно дна зоны проводимости Ес) Ес - Ево ~ Е / 2 при Т=300 К.
Здесь же представлены новый класс детекторных устройств интегрального типа -детекторы с разделенными областями накопления и считывания информации.
Одно из преимуществ предложенного нами подхода и конструкций - возможность регистрации слабых потоков ионизирующего излучения с низким порогом регистрации и низким уровнем шума. Представлена, физико-математическая модель процессов накопления и считывания информации в предложенных детекторах с разделенными областями накопления и считывания. В рамках предложенной модели и в соответствии с разработанной процедурой расчета рабочих характеристик детектора, оценены его регистрирующие способности в различных режимах работы как при регистрации квантов оптического диапозона частот (Лсо~Ее=1 .43 эВ), так и при детектировании а-частиц с первоначальной энергией Е0 =5 МэВ. Разработан пакет прикладных программ для моделирования и расчета рабочих характеристик детектора.
Третья глава диссертации посвящена изготовлению детекторов. Выработаны требования к материалам и условиям эксплуатации детекторов, выбрана архитектура детекторной структуры. Разработан технологический маршрут изготовления детекторов с

введения хрома, и оксидов хрома. Как видим, наблюдается однозначная связь распределения локальных упругих напряжений и неоднородностей в распределении ГЭЦ. При этом картина распределения ГЭЦ коррелирует с распределением пороговых напряжений и токов насыщения полевых транзисторов массива. Ответ на вопрос, являются ли первичными упругие напряжения, или неоднородности в распределении примесей в слитках и подложке требует дополнительных исследований.
В применениях полуизолирующего арсенида галлия для целей детектирования частиц высоких энергий и у-квантов, необходим материал с электрической прочностью, позволяющей проводить его обеднение до толщин ~ 200 мкм. Необходимость 'исключить при этом возможность «примесных» пробоев и утечек барьерных контактов выдвигает жесткие ограничения на концентрацию ГЭЦ и однородность их распределения по пластине [28].
Глубокие примеси как ловушечные и рекомбинационные центры в объеме полупроводника.
Неравновесные носители могут создаваться в полупроводнике при возбуждении светом, рентгеновскими и у-лучами, бомбардировке электронами и другими частицами, а также при инжекции через р-п переход и гетеропереход. Возникают неравновесные носители в виде электронно-дырочных пар. В ходе возбуждения или инжекции и после их окончания носители рекомбинируют, в результате чего полупроводник возвращается в состояние теплового равновесия. В большинстве полупроводников этому процессу способствует наличие в запрещенной зоне центров рекомбинации, роль которых могут играть примеси, вакансии, междоузельные атомы и дислокации.
Рекомбинация и генерация при наличии одного энергетического уровня.
Процесс рекомбинации идет с выделением энергии, и наличие в полупроводнике примесных и дефектных центров существенно облегчает, по сравнению с идеальным кристаллом, выделение этой энергии в виде фононов. В таких полупроводниках, как 84 и Эе, где зоны являются непрямыми, испускание фононов при рекомбинации является необходимым с точки зрения сохранения импульса. Вследствие этого вероятность межзонной рекомбинации электрона и дырки в таких материалах низка, и обусловленное этой рекомбинацией время жизни носителей при 300 К оказывается порядка секунд [29]. Наблюдаемые же на опыте времена жизни в этих полупроводниках существенно зависят от того, насколько тщательно проводится процесс выращивания кристаллов. Обычно эти