ВЛИЯНИЕ МАТЕРИАЛА КОНТАКТОВ И МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИН НА ХАРАКТЕРИСТИКИ АРСЕНИДГАЛЛИЕВЫХ СЕНСОРОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Полупроводниковые детекторы ионизирующего излучения и их характеристики 7
1.1 Основные сведения о полупроводниковом детекторе ионизирующего излучения 7
1.2 Контакт металл-полупроводник 9
1.2.1 Контакты металл-полупроводник 9
1.2.2 Механизмы протекания тока 10
1.2.3 Эффекты, обуславливающие увеличение протекающего тока 11
1.2.4 Механизмы протекания тока в реальных детекторных структурах 13
1.3 Распределение напряженности поля в детекторных структурах 17
1.4 Выводы по литературному обзору и постановка задачи 18
2 Методика эксперимента 20
2.1 Исследуемые образцы 20
2.2 Методика исследования морфологии поверхности 22
2.3 Методика измерения вольт-амперных характеристик сенсоров 24
2.4 Методика определения электрофизических параметров структур на основе 24 эффекта Холла
2.5 Методика измерения амплитудных спектров и определения эффективности сбора 25 заряда
2.6 Методика измерения напряженности электрического поля 27
3 Экспериментальные результаты 30
3.1 Морфология поверхности 30
3.2 Вольт-амперные характеристики 34
3.3 Исследование термостабильности и электрофизических характеристик HR- 40
GaAs:Cr структур
3.4 Эффективность сбора заряда и оценка времени жизни носителей заряда 42
3.5 Распределение напряженности электрического поля по толщине 44
3.6 Анализ полученных результатов 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 48
ПРИЛОЖЕНИЕ А 51
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 52
ПРИЛОЖЕНИЕ В 53
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Полупроводниковые детекторы ионизирующего излучения и их характеристики 7
1.1 Основные сведения о полупроводниковом детекторе ионизирующего излучения 7
1.2 Контакт металл-полупроводник 9
1.2.1 Контакты металл-полупроводник 9
1.2.2 Механизмы протекания тока 10
1.2.3 Эффекты, обуславливающие увеличение протекающего тока 11
1.2.4 Механизмы протекания тока в реальных детекторных структурах 13
1.3 Распределение напряженности поля в детекторных структурах 17
1.4 Выводы по литературному обзору и постановка задачи 18
2 Методика эксперимента 20
2.1 Исследуемые образцы 20
2.2 Методика исследования морфологии поверхности 22
2.3 Методика измерения вольт-амперных характеристик сенсоров 24
2.4 Методика определения электрофизических параметров структур на основе 24 эффекта Холла
2.5 Методика измерения амплитудных спектров и определения эффективности сбора 25 заряда
2.6 Методика измерения напряженности электрического поля 27
3 Экспериментальные результаты 30
3.1 Морфология поверхности 30
3.2 Вольт-амперные характеристики 34
3.3 Исследование термостабильности и электрофизических характеристик HR- 40
GaAs:Cr структур
3.4 Эффективность сбора заряда и оценка времени жизни носителей заряда 42
3.5 Распределение напряженности электрического поля по толщине 44
3.6 Анализ полученных результатов 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 48
ПРИЛОЖЕНИЕ А 51
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 52
ПРИЛОЖЕНИЕ В 53
Арсенид галлия, компенсированный хромом в процессе диффузии - технология, которая позволяет создать высокоомные структуры (HR-High Resistivity, HR-GaAs:Cr), аналогов которым в мире нет. HR-GaAs:Cr является перспективным материалом для создания сенсоров рентгеновского излучения, работающих в диапазоне энергий от 10 до 50 кэВ [1-5]. В данном диапазоне арсенид галлия является оптимальным материалом, так как обладает лучшим коэффициентом поглощения в сравнении с кремнием (Si), а также выигрывает в ценовых показателях у других бинарных и тройных полупроводниковых соединений, например, у теллурида кадмия (CdTe). Компенсация хромом увеличивает удельное сопротивление до 109 Ом-см, а значение произведения подвижности электронов на время жизни электронов (нт) превышает 10-4 см2/В. На основе данного материала можно создавать детекторы для медицины, систем безопасности, экспериментов в области физики высоких энергий.
В связи с интересом мирового сообщества и перспективностью детекторов на основе HR-GaAs:Cr, возникла необходимость постоянного контроля и улучшения характеристик сенсоров. К основным характеристикам относятся: эффективность сбора заряда (CCE), уровень темнового тока, распределение напряженности электрического поля.
На уровень темнового тока и распределение напряженности поля с точки зрения технологии оказывают влияние качество исходного материала, способы обработки поверхности арсенида галлия и материал контактов. Опосредованное влияние данные технологические процессы оказывают и на эффективность сбора заряда. Учет выявленных особенностей переноса заряда необходим для дальнейшей интерпретации эффективности детектирования и других характеристик приборов.
Исследование контакта металл-полупроводник - это шаг в сторону понимания свойств границы раздела металл-полупроводник и методик создания качественного контакта для дальнейшей работы, а именно, создания систем детектирования.
Таким образом, совершенствование методов обработки поверхности и технологии создания контактов к HR-GaAs:Cr структурам позволяют выйти на новый уровень в технологии изготовления сенсоров и расширить границы применимости готовых систем.
В связи с вышесказанным, целью магистерской диссертации является исследование влияния материала контактов и методов обработки поверхности пластин HR-GaAs:Cr на характеристики сенсоров рентгеновского излучения, изготовленных на их основе.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Подготовка образцов с различной обработкой поверхности и с различными типами контактов;
2. Исследование морфологии поверхности пластин при помощи атомно
силовой микроскопии;
3. Измерение вольт-амперных характеристик;
4. Исследование электрофизических характеристик детекторных структур
методом Ван-дер-Пау;
5. Измерение амплитудных спектров и определение эффективности сбора заряда сенсоров с различными типами контактов;
6. Оценка времени жизни носителей заряда в HR-GaAs:Cr сенсорах;
7. Исследование распределения напряженности электрического поля в сенсорах с различными типами контактов.
Объект исследования - единичные сенсоры на основе HR-GaAs:Cr структур с различными методами обработки поверхности и типами контактов.
Предмет исследования - процессы в арсениде галлия, компенсированном хромом, и на границе раздела металл-полупроводник, обуславливающие свойства сенсоров рентгеновского излучения на основе данного материала.
Научная новизна полученных результатов: определена концентрация ловушечных уровней в высокоомном арсениде галлия, компенсированном хромом (HR-GaAs:Cr): М~1012 см-3.
Практическая значимость результатов:
1. Отработана технология проведения ионной имплантации кремния (Si) и магния (Mg) на пластинах HR-GaAs:Cr: установлен оптимальный режим процесса ионной имплантации;
2. Определена оптимальная технология обработки поверхности HR-GaAs:Cr для минимизации уровня протекающего темнового тока.
Положения, выносимые на защиту:
1. Травление поверхности HR-GaAs:Cr структур понижает уровень протекающего темнового тока, за счет снижения поверхностной шероховатости, обеспечивающей исчезновение в структуре областей с повышенной напряженностью поля.
2. Оптимальным режимом ионной имплантации примесей в HR-GaAs:Cr является облучение HR-GaAs:Cr ионами с энергией 50кэВ и дозой облучения 1015 см-2 и последующая активация примесей при температуре 800°С в атмосфере аргона в течении 15 секунд.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается использованием различных экспериментальных методик с использованием современного оборудования и набранной статистикой измерений.
Содержание и выводы работы опубликованы в 3 статьях, в том числе англоязычных, в различных научных сборниках. Результаты работы апробированы на международных и российских научных конференциях и конкурсах 2016-2018 годов. По тематике исследования выиграно 3 конкурса.
Основные результаты диссертации представлены на следующих конференциях и конкурсах:
1. XIV Курчатовская междисциплинарная молодежная научная школа: «Влияние способов обработки поверхности на вольт-амперные характеристики сенсоров рентгеновского излучения на основе GaAs:Cr»;
2. III Всероссийский конкурс студенческих научных обществ и конструкторских бюро: «Исследование методов обработки поверхности пластин GaAs:Cr и их однородности»;
3. Конкурс научно-технического творчества молодежи (НТТМ-2017): «Разработка и исследование сенсоров рентгеновского излучения на основе арсенида галлия, компенсированного хромом»;
4. III Всероссийский научный форум «Наука будущего - наука молодых»: «Исследование характеристик арсенида галлия, компенсированного хромом, как материала для сенсоров рентгеновского излучения»;
5. Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy (NGC-2017): «The study of ion-implanted structures based on chromium compensated gallium arsenide»;
6. Всероссийский инженерный конкурс (ВИК-2017): «Сенсоры GaAs:Cr для технологии обогащения алмазосодержащей руды».
В связи с интересом мирового сообщества и перспективностью детекторов на основе HR-GaAs:Cr, возникла необходимость постоянного контроля и улучшения характеристик сенсоров. К основным характеристикам относятся: эффективность сбора заряда (CCE), уровень темнового тока, распределение напряженности электрического поля.
На уровень темнового тока и распределение напряженности поля с точки зрения технологии оказывают влияние качество исходного материала, способы обработки поверхности арсенида галлия и материал контактов. Опосредованное влияние данные технологические процессы оказывают и на эффективность сбора заряда. Учет выявленных особенностей переноса заряда необходим для дальнейшей интерпретации эффективности детектирования и других характеристик приборов.
Исследование контакта металл-полупроводник - это шаг в сторону понимания свойств границы раздела металл-полупроводник и методик создания качественного контакта для дальнейшей работы, а именно, создания систем детектирования.
Таким образом, совершенствование методов обработки поверхности и технологии создания контактов к HR-GaAs:Cr структурам позволяют выйти на новый уровень в технологии изготовления сенсоров и расширить границы применимости готовых систем.
В связи с вышесказанным, целью магистерской диссертации является исследование влияния материала контактов и методов обработки поверхности пластин HR-GaAs:Cr на характеристики сенсоров рентгеновского излучения, изготовленных на их основе.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Подготовка образцов с различной обработкой поверхности и с различными типами контактов;
2. Исследование морфологии поверхности пластин при помощи атомно
силовой микроскопии;
3. Измерение вольт-амперных характеристик;
4. Исследование электрофизических характеристик детекторных структур
методом Ван-дер-Пау;
5. Измерение амплитудных спектров и определение эффективности сбора заряда сенсоров с различными типами контактов;
6. Оценка времени жизни носителей заряда в HR-GaAs:Cr сенсорах;
7. Исследование распределения напряженности электрического поля в сенсорах с различными типами контактов.
Объект исследования - единичные сенсоры на основе HR-GaAs:Cr структур с различными методами обработки поверхности и типами контактов.
Предмет исследования - процессы в арсениде галлия, компенсированном хромом, и на границе раздела металл-полупроводник, обуславливающие свойства сенсоров рентгеновского излучения на основе данного материала.
Научная новизна полученных результатов: определена концентрация ловушечных уровней в высокоомном арсениде галлия, компенсированном хромом (HR-GaAs:Cr): М~1012 см-3.
Практическая значимость результатов:
1. Отработана технология проведения ионной имплантации кремния (Si) и магния (Mg) на пластинах HR-GaAs:Cr: установлен оптимальный режим процесса ионной имплантации;
2. Определена оптимальная технология обработки поверхности HR-GaAs:Cr для минимизации уровня протекающего темнового тока.
Положения, выносимые на защиту:
1. Травление поверхности HR-GaAs:Cr структур понижает уровень протекающего темнового тока, за счет снижения поверхностной шероховатости, обеспечивающей исчезновение в структуре областей с повышенной напряженностью поля.
2. Оптимальным режимом ионной имплантации примесей в HR-GaAs:Cr является облучение HR-GaAs:Cr ионами с энергией 50кэВ и дозой облучения 1015 см-2 и последующая активация примесей при температуре 800°С в атмосфере аргона в течении 15 секунд.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается использованием различных экспериментальных методик с использованием современного оборудования и набранной статистикой измерений.
Содержание и выводы работы опубликованы в 3 статьях, в том числе англоязычных, в различных научных сборниках. Результаты работы апробированы на международных и российских научных конференциях и конкурсах 2016-2018 годов. По тематике исследования выиграно 3 конкурса.
Основные результаты диссертации представлены на следующих конференциях и конкурсах:
1. XIV Курчатовская междисциплинарная молодежная научная школа: «Влияние способов обработки поверхности на вольт-амперные характеристики сенсоров рентгеновского излучения на основе GaAs:Cr»;
2. III Всероссийский конкурс студенческих научных обществ и конструкторских бюро: «Исследование методов обработки поверхности пластин GaAs:Cr и их однородности»;
3. Конкурс научно-технического творчества молодежи (НТТМ-2017): «Разработка и исследование сенсоров рентгеновского излучения на основе арсенида галлия, компенсированного хромом»;
4. III Всероссийский научный форум «Наука будущего - наука молодых»: «Исследование характеристик арсенида галлия, компенсированного хромом, как материала для сенсоров рентгеновского излучения»;
5. Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy (NGC-2017): «The study of ion-implanted structures based on chromium compensated gallium arsenide»;
6. Всероссийский инженерный конкурс (ВИК-2017): «Сенсоры GaAs:Cr для технологии обогащения алмазосодержащей руды».
В ходе выполнения магистерской диссертации было проведено комплексное исследование влияния материала контактов и методов обработки поверхности на характеристики арсенидгаллиевых сенсоров рентгеновского излучения.
Были проведены следующие измерения и использованы методики:
- атомно-силовой микроскопии для характеризации морфологии поверхности полупроводниковых пластин;
- амплитудной спектрометрии для оценки эффективности сбора заряда и времени жизни неравновесных носителей заряда;
- измерение вольт-амперных характеристик для контроля силы тока;
- электрооптического эффекта Поккельса для профилирования электрического поля.
Установлено:
1. Наименьшее значение среднеквадратичной шероховатости и плотности тока наблюдается при полном цикле обработки с травлением, то есть с точки зрения морфологии поверхности данный способ является самым эффективным;
2. Вольт-амперные характеристики структур Ni/Cr-GaAs:Cr-Cr/Ni имеют следующие участки: линейный (от 0,03В до 0,35В), сублинейный (от 0,4В до 44В), сверхлинейный (от 55В). Токи, протекающие через детектор обусловлены токами термоэлектронной эмиссии с учетом барьера Шоттки;
3. Вольт-амперные характеристики сенсоров с контактами в виде пленок Ni/AuGe/Ni/Au имеют следующие участки: линейный (до 9 В), квадратичный (9 В - 202 В) и участок резкого роста тока (от 202 В). Наблюдается удлинение линейного участка и отсутствует сублинейный участок на зависимости плотности тока от напряжения. Квадратичная зависимость силы тока от напряжения, при напряжениях выше 9 В, свидетельствует о реализации режима тока ограниченного пространственным зарядом (ТОПЗ), что объясняется инжекцией носителей заряда из контактных слоев, образующихся при изготовлении металлических контактов на основе пленок AuGe;
4. Определена концентрация ловушечных уровней в HR-GaAs:Cr : А)^1,1-1012 см-3 и оценена глубина залегания ловушечных уровней: Et-Ev~0,6 эВ;
5. Ионная имплантация является альтернативным способом создания различных типов контактов к HR-GaAs:Cr. При использовании режима: 50кэВ, 1015 см-2, и активации ионно-имплантированной примеси в режиме: 800°С в атмосфере аргона в течение 15 секунд, концентрация носителей заряда в слое толщиной 0,15 мкм достигает значений : п=7,5-1017 см-3 и p=7,6-101s см-3.
Были проведены следующие измерения и использованы методики:
- атомно-силовой микроскопии для характеризации морфологии поверхности полупроводниковых пластин;
- амплитудной спектрометрии для оценки эффективности сбора заряда и времени жизни неравновесных носителей заряда;
- измерение вольт-амперных характеристик для контроля силы тока;
- электрооптического эффекта Поккельса для профилирования электрического поля.
Установлено:
1. Наименьшее значение среднеквадратичной шероховатости и плотности тока наблюдается при полном цикле обработки с травлением, то есть с точки зрения морфологии поверхности данный способ является самым эффективным;
2. Вольт-амперные характеристики структур Ni/Cr-GaAs:Cr-Cr/Ni имеют следующие участки: линейный (от 0,03В до 0,35В), сублинейный (от 0,4В до 44В), сверхлинейный (от 55В). Токи, протекающие через детектор обусловлены токами термоэлектронной эмиссии с учетом барьера Шоттки;
3. Вольт-амперные характеристики сенсоров с контактами в виде пленок Ni/AuGe/Ni/Au имеют следующие участки: линейный (до 9 В), квадратичный (9 В - 202 В) и участок резкого роста тока (от 202 В). Наблюдается удлинение линейного участка и отсутствует сублинейный участок на зависимости плотности тока от напряжения. Квадратичная зависимость силы тока от напряжения, при напряжениях выше 9 В, свидетельствует о реализации режима тока ограниченного пространственным зарядом (ТОПЗ), что объясняется инжекцией носителей заряда из контактных слоев, образующихся при изготовлении металлических контактов на основе пленок AuGe;
4. Определена концентрация ловушечных уровней в HR-GaAs:Cr : А)^1,1-1012 см-3 и оценена глубина залегания ловушечных уровней: Et-Ev~0,6 эВ;
5. Ионная имплантация является альтернативным способом создания различных типов контактов к HR-GaAs:Cr. При использовании режима: 50кэВ, 1015 см-2, и активации ионно-имплантированной примеси в режиме: 800°С в атмосфере аргона в течение 15 секунд, концентрация носителей заряда в слое толщиной 0,15 мкм достигает значений : п=7,5-1017 см-3 и p=7,6-101s см-3.
