Чувствительность GaAs детекторов к рентгеновскому излучению
реклама
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.
