Аннотация
Глава 1. Характеристики сенсоров ионизирующих излучений на основе высокоомного GaAs (обзор литературы) 8
1.1 Принцип работы сенсоров ионизирующих излучений 8
1.1.1 Газовые сенсоры 8
1.1.2 Сцинтилляторы 9
1.1.3 Полупроводниковые сенсоры 10
1.2 Материалы для полупроводниковых сенсоров 14
1.3 /У 2-центры в арсениде галлия 17
1.4 Технология получения высокоомного арсенида галлия диффузионным
методом 18
1.5 Процесс дрейфа носителей заряда в структурах HR-GaAs:Cr 21
1.5.1 Метод монополярного дрейфа и его применение к различным полупроводниковым материалам 21
Глава 2. Метод исследований 24
2.1 Экспериментальные образцы 24
2.2 Методика измерения уровня темнового тока 25
2.3 Блок схема измерения импульсных характеристик (метод монополярного
дрейфа) 27
Глава 3. Экспериментальные результаты 28
3.1 Результаты измерения темнового тока 28
3.2 Результаты измерения импульсных характеристик (метод монополярного
дрейфа) 30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 38
В настоящее время распространенными устройствами для регистрации ионизирующих излучений являются сенсоры с чувствительным объемом в виде твердотельных структур или газа. Такие устройства получили широкое распространение в таких областях как: медицина, неразрушающий контроль, системы досмотра, физика высоких энергией и астрофизика.
Сенсоры можно разделить по принципу работы и материалам, из которых созданы устройства. Газовые сенсоры ионизирующих излучений не способны эффективно поглощать излучение за счет малой плотности активной области (газа) и более предпочтительными являются твердотельные структуры, где плотность вещества намного выше. Особенно значимым преимуществом твердотельных сенсоров является их более высокая энергетическая и временная разрешающая способность по сравнению с газонаполненными камерами.
Сцинтилляторы относятся к твердотельным сенсорам, работающие по принципу непрямой регистрации. Преобразование энергии излучений в электрический сигнал происходит в два этапа, поэтому эффективность таких устройств остается на низком уровне.
Полупроводниковые сенсоры преобразуют напрямую энергию излучения в электрический сигнал и в настоящее время являются наиболее предпочтительными. Особый интерес проявляется к полупроводниковым материалам с большим атомным номером Z (high Z материалы), для которых характерна относительно высокая плотность вещества. К таким материалам относят полупроводники сложного состава, такие как CdTe или GaAs. Процесс получения CdTe является технологически сложным, что обуславливает высокую стоимость соответствующих структур. В качестве альтернативы широко применяется арсенид галлия (GaAs), нашедший применение в различных сферах микроэлектроники.
Один из подходов к формированию GaAs-структур с детекторными свойствами заключается в компенсации донорной примеси глубоким акцептором — хромом. В результате получается материал HR-GaAs:Cr, обладающий перспективными характеристиками, однако до сих пор недостаточно изученный.
Отметим, что метод монополярного дрейфа (TCT), до настоящего времени практически не применялся для структур на основе HR-GaAs:Cr. Это позволяет выявить научный пробел, существующий в данной области.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование временных характеристик сенсоров на основе HR-GaAs:Cr с применением метода TCT. Полученные результаты позволят уточнить параметры транспорта зарядов и определить особенности дрейфа неравновесных носителей, что может быть использовано для повышения чувствительности и разрешающей способности сенсоров на основе данного материала.
Оригинальность данной работы заключается в применении метода TCT к структурам на основе HR-GaAs:Cr, что ранее практически не встречалось в научной литературе. Полученные экспериментальные данные дополняют существующую картину физики процессов в данных материалах и могут быть использованы для оптимизации конструкции сенсоров и их практического применения.
Выпускная квалификационная работа была посвящена исследованию процессов транспорта носителей заряда в сенсорах ионизирующего излучения, выполненных на основе высокоомного арсенида галлия, компенсированного хромом (HR-GaAs:Cr). Основной целью работы являлось экспериментальное изучение временных характеристик отклика сенсоров с использованием метода монополярного дрейфа (Transient Current Technique, TCT) и получение параметров, характеризующих поведение неравновесных носителей заряда в данных структурах.
На первом этапе работы был проведён подробный анализ литературных источников, охватывающих принципы действия сенсоров различных типов - газовых, сцинтилляционных и полупроводниковых. Было установлено, что полупроводниковые сенсоры обладают рядом значительных преимуществ, включая высокую чувствительность, хорошее энергетическое и временное разрешение. Особое внимание было уделено материалам, применяемым в полупроводниковых сенсорах, среди которых GaAs выделяется как один из наиболее перспективных благодаря своим физическим свойствам: высокой плотности, широкому запрещённому диапазону и высокой подвижности носителей заряда.
Альтернативой традиционным полупроводниковым материалам служит высокоомный арсенид галлия, получаемый путём компенсации n-типа проводимости глубокой акцепторной примесью - хромом. В результате такой компенсации снижается концентрация свободных носителей, что позволяет добиться значительного увеличения удельного сопротивления и, соответственно, снижения тока утечки. В работе были рассмотрены физические механизмы, лежащие в основе формирования таких структур, включая особенности распределения электрического поля, влияние ловушек (в частности, £С2-центров) и глубокой акцепторной примеси Cr.
В ходе проведенного эксперимента была проведена оценка быстродействия сенсоров на основе арсенида галлия, компенсированного хромом (HR-GaAs:Cr):
- для сенсора №1 при отрицательной полярности длительность выходных импульсов составила 3,0 нс (в области поля более 3 кВ/см), при положительной полярности -
2,5 нс (в области поля более 4 кВ/см)
- для сенсора №2 при отрицательной полярности длительность выходных импульсов составила 3,0 нс (в области поля более 3 кВ/см), при положительной полярности - 2,0 нс (в области поля более 4 кВ/см) .
В результате проведённых измерений была рассчитана полевая зависимость скорости дрейфа электронов в структуре HR-GaAs:Cr. Установлено, что при увеличении напряжённости поля до 5 кВ/см скорость дрейфа возрастает, достигая максимального значения. Однако при дальнейшем росте напряжённости наблюдается спад скорости, что обусловлено междолинным переходом электронов.
Были проведены исследования частотной зависимости импульсных характеристик сенсоров. Установлено, что с увеличением частоты инфракрасных импульсов, амплитуда выходного сигнала существенно снижается. Это связано с эффектом поляризации, возникающим в результате накопления положительного заряда, создающего внутреннее поле, направленное противоположно внешнему полю, что приводит к ослаблению эффективного дрейфа носителей заряда.
Также показано, что повышение температуры сенсора способствует увеличению амплитуды выходного сигнала.
Работа подтвердило актуальность и научную значимость исследований, направленных на расширение применения HR-GaAs:Cr в сенсорных системах, и может служить основой для дальнейших научных разработок и внедрения полученных результатов в практику.
