Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1. Полупроводниковые сенсоры, изготовленные из арсенида галлия, компенсированного хромом (HR GaAs:Cr), используемые в электромагнитном калориметре международного проекта LUXE 8
1.1. Международный проект LUXE 8
1.1.1. Электромагнитный калориметр 8
1.1.2. Структура ECAL 9
1.2. Барьерные полупроводниковые структуры 10
1.2.1. Измерение высоты барьера на границе металл-полуизолирующий 10
арсенид галлия 10
1.2.2. Токоперенос в детекторах на основе арсенида галлия, 11
компенсированного хромом 11
1.2.3. Нелинейность вольт-амперных характеристик однородных 13
компенсированных детекторных структур из GaAs 13
1.3. Основные параметры и свойства арсенида галлия (GaAs) 15
1.4. Система автоматизированного проектирования (САПР) Sentaurus TCAD (Synopsys) 16
1.4.1. Состав пакета САПР Sentaurus и назначение компонентов 16
1.4.2. Модуль технологического моделирования Sentaurus Process 18
1.4.3. Модуль структурного проектирования Sentaurus Structure Editor 19
1.4.4. Оптимизатор расчетной сетки SNMesh 20
1.4.5. Программный модуль Sentaurus Device для моделирования параметров
полупроводниковых приборов 21
1.4.6. Универсальная программа отображения информации Sentaurus Visual 21
1.5 Методика моделирования ВАХ HR GaAs: Cr сенсоров в САПР Sentaurus TCAD 22
Глава 2. Методика исследования 23
Глава 3. Результаты и анализ исследования 25
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 31
ПРИЛОЖЕНИЕ А 32
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 32
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 34
LUXE — это новый эксперимент, предложенный DESY (в англоязычной литературе DESY - немецкий электронный синхротрон), для изучения процессов квантовой электродинамики (КЭД) в режиме сильного поля. Среди них - образование электронно-позитронных пар. Для проведения эксперимента используют электромагнитный калориметр. Электромагнитный калориметр (в англоязычной литературе ECAL - Electromagnetic calorimeter) позволяет измерять количество позитронов и их энергетический спектр. Эти измерения будут надежными, поскольку они используют полную энергию, выделенную позитронами, и, следовательно, на них не влияет фон частицы низкой энергии. Существенными для производительности ECAL являются высокая степень детализации для очень хорошего разрешения, компактность, то есть радиус Мольера, чтобы обеспечить высокое пространственное разрешение локальных запасов энергии и хорошее энергетическое разрешение для измерения и вывода спектра позитронов. Чтобы соответствовать этим требованиям, предлагается технология, разработанная коллаборацией FCAL (в англоязычной литературе FCAL - Forward calorimeter).
FCAL — это всемирное сотрудничество в области исследований и разработок детекторов. Целое сообщество физиков объединяют свои усилия для разработки технологий специальных калориметров. Эти калориметры должны быть компактными и считывать показания очень быстро. Поскольку радиационная нагрузка велика, необходимы большие датчики высокой радиационной стойкости.
В качестве материала для детекторов GaAs имеет ряд преимуществ по сравнению с Si и Ge, а именно:
•S является широкозонным полупроводником, что позволяет приборам работать при комнатной температуре без дополнительного охлаждения;
•S обладает более высокой подвижностью электронов, что повышает эффективность сбора заряда;
•S имеет более высокую радиационную стойкость, что говорит об использовании таких приборов в условиях радиационного излучения. При этом GaAs сохраняет свои свой-ства.
Прототипы GaAs-датчиков были исследованы коллаборацией FCAL и было обнаружено, что отклик очень похож на отклик кремниевых датчиков.
В настоящее время также рассматривается новая идея разветвления контактов в сенсорной матрице. В этом случае датчики будут покрыты еще одним слоем металлических дорожек, которые будут использоваться для разветвления контактов. Это устранит необходимость во внешнем слое, а также необходимость в хрупких проводных соединениях между сенсорными площадками и разветвлением, что уменьшает толщину сенсора примерно на 150 мкм и позволяет сделать его более прочным и простым в обращении и в сборке детектора. Эта идея реализована на GaAs-сенсорах. В случае успешных результатов исследования датчики на основе GaAs могут быть реализованы вместо кремниевых. Важной задачей при этом является изучение электрических характеристик сенсоров в сенсорной матрице.
В связи с этим целью выпускной квалификационной работы является разработка модели транспорта носителей заряда в исследуемых HR GaAs:Cr-сенсорах, используемых в электромагнитных калориметрах.
Исследование ВАХ детекторных структур на основе высокоомного арсенида галлия, компенсированного хромом (HR GaAs:Cr) позволяет сделать следующие выводы:
> Моделирование в САПР Sentaurus TCAD позволяет качественно и количественно объяснить вид ВАХ.
> На экспериментальных ВАХ наблюдаются три участка зависимости силы тока от напряжения: линейный (соответствует закону Ома), сублинейный (обусловлен обеднением активной области электронами); сверхлинейный (связан с преобладанием дырочной компоненты тока над электронной, что говорит о том, что заряд переносится дырками);
> Существенное влияние на вид ВАХ оказывает концентрация термоакцепторов в активной области.
