Для изучения различных свойств радиоактивных излучений (а- и 0-частиц, у- квантов), а также для исследования частиц в современной ядерной физике применяются различные методы, в основе которых лежит ионизирующее действие излучаемых частиц. Устройства для регистрации элементарных частиц, ядер атомов, а также рентгеновских и гамма-излучений называются детекторами.
Излучение в области энергий квантов, превышающих энергию образования электронно-дырочных пар в полупроводниках, составляющую (3 - 4) эВ, занимающей почти 14 порядков энергии, называют ионизирующим. Отличительной особенностью ионизирующего излучения является его высокая проникающая способность, которая пропорциональна энергии. Например, в рентгеновских и гамма-лучах становятся прозрачными все предметы. Излучение, прошедшее через какой-либо объект, несёт в себе информацию о внутреннем содержании этого объекта, поскольку меняется его интенсивность и энергетический спектр. Эти характеристики можно использовать для построения изображения анатомии объекта.
С семидесятых годов прошлого столетия для изготовления детекторов активно используются полупроводниковые материалы. Современная экспериментальная физика высоких энергий уже не может обойтись без полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения. Масштабное использование твердотельных детекторов породило соответствующее научное направление в физике полупроводников. Развитие этого направления пережило 3 этапа. В начале 70-х были созданы первые полупроводниковые детекторы, в которых использованы Si и Ge, компенсированные литием, в конце 80-х - спектрометрические детекторы на основе чистых материалов, Si и Ge. Менее тридцати лет назад стартовал новый этап в создании детекторов на основе сложных полупроводниковых соединений. Наиболее популярными из бинарных и тройных соединений в настоящее время являются такие полупроводники, как GaAs, CdTe, CdZnTe.
Наиболее перспективно применение многоэлементных полупроводниковых детекторов для создания:
- малодозовых медицинских цифровых томографов, маммографов, дентальных аппаратов, систем диагностики раковых опухолей, рентгенодиагностики заболеваний костей;
- дефектоскопов и ламинографов с высоким пространственным разрешением до 0,02 мм;
- высокоэффективных систем таможенного досмотра и систем контроля перемещения опасных грузов;
- малодозовых систем безопасности в аэропортах, вокзалах, на транспортных магистралях, способных снизить вероятность террористических акций в местах большого скопления людей [1].
. Одной из важнейших характеристик, определяющих работу детектора и влияющих на его энергетическое разрешение, является эффективность сбора заряда ц. Она определяет долю носителей зарядов, дошедших до контактов.
п(х)——11/ (1 — pw (— d~x)) + I (1 — еХп (——))] (1)
^W = Q0 = d Гп (1 еХр( LnJJ + LP1 exp( Lp))]’ (1)
где Q — средний заряд носителей, дошедших до контактов; Q0 — заряд свободных носителей в треке единичной частицы; d —толщина детектора; х — произвольная точка от катода; Ьп, Lp — дрейфовые длины электронов и дырок, соответственно.
В свою очередь дрейфовые длины определяют длину пробега носителей, вносящих вклад в наведённый ток.
Ьп ип * ^п, Lp Up * Tp, (2)
где ип, Up — усредненные дрейфовые скорости; тп, Tp — времена жизни электронов и дырок, соответственно.
Как видно из соотношений (1) и (2), время жизни определяет дрейфовые длины носителей заряда, созданных излучением, и вследствие это влияет на эффективность сбора заряда. При изготовлении пластин для детекторных элементов важно добиться большого значения времени жизни носителей заряда в материале. При этом время жизни зависит от многих факторов: типа и концентрации легирующих примесей, наличия неконтролируемых примесных атомов, дефектов кристаллической структуры. Такие примеси и дефекты могут возникать в процессе выращивания кристаллов арсенида галлия, а также при последующих его обработках - проведении диффузии, нанесении контактов и др.
Работа посвящена исследованию влияния уровня легирования полупроводникового материала GaAs:Cr на величину времени жизни носителей заряда и на характер процессов рекомбинации путем измерения люкс-амперных характеристик материала.
В ходе проделанной работы были измерены люкс-амперные характеристики пяти пластин GaAs:Cr, имеющих различную степень компенсации хрома
В результате были сделаны следующие выводы:
1. Люкс-амперные характеристики детекторных структур на основе GaAs:Cr при облучении светодиодным источником излучения с максимумом на длине волны А = 0,87 мкм имеют характерный участок монотонного роста со степенной зависимостью. Для напряжения смещения, равного 200 В, зависимость близка к сублинейной. При повышении напряжения зависимость приобретает линейный характер. Это связано с тем, что при малых напряжениях смещения неравновесные носители заряда не успевают разноситься к соответствующим контактам и степень их рекомбинации выше, чем в случае больших напряжений.
2. Температура оказывает большое влияние на процесс диффузии Cr в GaAs. Для GaAs:Cr существует оптимальная температура отжига, при которой получаются образцы с наибольшим значением фототока при освещении данным видом излучения.
3. Время жизни носителей заряда зависит от степени компенсации Cr. Измерение времени жизни носителей для пластин из одной серии, полученных при различных температурах диффузии Cr показало, что с увеличением степени компенсации - время жизни носителей заряда также увеличивается.
