Исследование характеристик сенсоров высокоэнергетических электронов на основе арсенида галлия, компенсированного хромом
|
Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1. Полупроводниковые сенсоры высокоэнергетических электронов на основе арсенида галлия, компенсированного хромом (HR GaAs:Cr) 8
1.1. Основные параметры и свойства арсенида галлия 8
1.2. Легирование арсенида галлия примесями переходных металлов 9
1.2.1. Примеси с мелкими уровнями в арсениде галлия 10
1.2.2. Примеси с глубокими уровнями в арсениде галлия 11
1.2.3. Эффекты, связанные с легированием GaAs ^-примесями 12
1.2.4. Электронные свойства GaAs, легированного переходными металлами 14
1.2.5. Токоперенос в детекторах на основе арсенида галлия, компенсированного
хромом 16
1.2.6. Нелинейность ВАХ однородных компенсированных структур из GaAs 17
1.3. Взаимодействие ядерного излучения с веществом 20
1.3.1. Взаимодействие электронов с веществом 21
1.4. Источники заряженных частиц (в -источники) 24
Глава 2. Применение сенсоров высокоэнергетических электронов на основе HR GaAs:Cr24
2.1. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) 26
2.1.1. Монолитные матричные сенсоры (MAPS) 28
2.1.2. Гибридные матричные сенсоры (HPD) 30
2.2. Международный проект LUXE 31
2.2.1. Электромагнитный калориметр 32
2.2.2. Структура ECAL 33
Глава 3. Методики исследования 35
3.1. Измерение и моделирование ВАХ сенсоров на основе HR GaAs:Cr 35
3.2. Моделирование импульсных характеристик сенсоров на основе арсенида галлия .. 37
3.3. Измерение амплитудного спектра и эффективности сбора заряда сенсоров при
воздействии высокоэнергетических электронов 38
Глава 4. Анализ полученных результатов 42
4.1. Вольт-амперные характеристики HR GaAs:Cr сенсоров 42
4.2. Импульсные характеристики сенсоров при воздействии высокоэнергетических
электронов 46
4.3. Амплитудные спектры и эффективность сбора заряда сенсоров при воздействии
высокоэнергетических квантов и электронов 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 54
ПРИЛОЖЕНИЕ 57
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1. Полупроводниковые сенсоры высокоэнергетических электронов на основе арсенида галлия, компенсированного хромом (HR GaAs:Cr) 8
1.1. Основные параметры и свойства арсенида галлия 8
1.2. Легирование арсенида галлия примесями переходных металлов 9
1.2.1. Примеси с мелкими уровнями в арсениде галлия 10
1.2.2. Примеси с глубокими уровнями в арсениде галлия 11
1.2.3. Эффекты, связанные с легированием GaAs ^-примесями 12
1.2.4. Электронные свойства GaAs, легированного переходными металлами 14
1.2.5. Токоперенос в детекторах на основе арсенида галлия, компенсированного
хромом 16
1.2.6. Нелинейность ВАХ однородных компенсированных структур из GaAs 17
1.3. Взаимодействие ядерного излучения с веществом 20
1.3.1. Взаимодействие электронов с веществом 21
1.4. Источники заряженных частиц (в -источники) 24
Глава 2. Применение сенсоров высокоэнергетических электронов на основе HR GaAs:Cr24
2.1. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) 26
2.1.1. Монолитные матричные сенсоры (MAPS) 28
2.1.2. Гибридные матричные сенсоры (HPD) 30
2.2. Международный проект LUXE 31
2.2.1. Электромагнитный калориметр 32
2.2.2. Структура ECAL 33
Глава 3. Методики исследования 35
3.1. Измерение и моделирование ВАХ сенсоров на основе HR GaAs:Cr 35
3.2. Моделирование импульсных характеристик сенсоров на основе арсенида галлия .. 37
3.3. Измерение амплитудного спектра и эффективности сбора заряда сенсоров при
воздействии высокоэнергетических электронов 38
Глава 4. Анализ полученных результатов 42
4.1. Вольт-амперные характеристики HR GaAs:Cr сенсоров 42
4.2. Импульсные характеристики сенсоров при воздействии высокоэнергетических
электронов 46
4.3. Амплитудные спектры и эффективность сбора заряда сенсоров при воздействии
высокоэнергетических квантов и электронов 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 54
ПРИЛОЖЕНИЕ 57
Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки
многоэлементных радиационно-стойких детекторов для регистрации и измерения пространственного распределения интенсивности пучков высокоэнергетических квантов, используемых при проведении экспериментов в области физики высоких энергий, а также при разработке современных детекторов для систем электронной микроскопии.
Один из вариантов решения заключается в использовании арсенида галлия, компенсированного хромом (GaAs:Cr), в качестве материала эффективных многоэлементных сенсоров высокоэнергетических электронов. По сравнению с кремниевыми сенсорами, приборы на основе GaAs:Cr имеют ряд преимуществ для просвечивающей электронной микроскопии:
- GaAs:Cr обладает более высокой подвижностью электронов, что повышает эффективность сбора заряда;
- GaAs:Cr - широкозонный полупроводник, что позволяет приборам работать при комнатной температуре без дополнительного охлаждения;
- Из-за более высокой напряженности электрического поля пробоя в GaAs:Cr по сравнению с Si, приборы из GaAs:Cr могут работать при большей мощности;
- Сенсоры на основе GaAs:Cr имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что увеличивает срок службы детекторов на их основе;
- Высокая эффективность поглощения высокоэнергетических электронов с энергией до 400 кэВ, что обеспечивает отсутствие радиационных повреждений считывающей электроники (ASIC), расположенной под сенсорами.
Цель диссертационной работы заключается в разработке физическо- математической модели и программы расчета, учитывающей электрофизические, электрические, технологические характеристики базовой полупроводниковой структуры, топологические параметры сенсоров и обеспечивающей количественный расчет импульсных характеристик, и в исследовании амплитудного спектра HR GaAs:Cr сенсоров при воздействии высокоэнергетических электронов. Для ее достижения необходимо выполнить следующие задачи:
1. Исследование зависимости величины темнового тока HR GaAs:Cr сенсоров от концентрации термоакцепторов;
2. Моделирование импульсных характеристик HR GaAs:Cr сенсора при воздействии высокоэнергетических электронов;
3. Измерение амплитудного спектра и эффективности сбора заряда HR GaAs:Cr сенсорами при воздействии высокоэнергетических электронов;
4. Анализ полученных результатов и формирование научных положений, выносимых на защиту.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии физических основ функционирования приборов на основе арсенида галлия, компенсированного хромом. Полученные результаты определяют практическую значимость работы, которая включает в себя новые знания, необходимые для разработки программы расчета, учитывающей основные параметры полупроводниковых материалов, на основе которых можно создать приборы с характеристиками, превосходящими существующие аналоги.
Научные положения, выносимые на защиту:
1) Вольт-амперные характеристики арсенида галлия, компенсированного хромом, имеют три участка зависимости силы тока от напряжения: линейный, сублинейный и сверхлинейный. Сублинейность обусловлена обеднением электронами активной области сенсора, а сверхлиненый участок связан с преобладанием дырочной компоненты тока над электронной, что говорит о переносе заряда дырками. Существенное влияние на вид ВАХ оказывает концентрация термоакцепторов в активной области сенсора.
2) Быстрый рост величины ССЕ до значения 0,4 на начальном участке обусловлен сбором электронов, дальнейший медленный рост связан со сбором дырок.
Результаты исследования представлены на следующих конференциях:
1. Двадцать первая Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов (Томск, 2024).
2. 9 Международный конгресс по потокам энергии и радиационным эффектам (9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects) (Томск, 2024).
И опубликованы статьи:
1. Маковский А.А. Измерение и моделирование вольт-амперных характеристик арсенид-галлиевых сенсоров высокоэнергетических электронов // Двадцать первая Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов: Сборник трудов конференции. - Томск: ООО "СТТ", 2024. - с. 33-36.
2. Measurement and simulation of current-voltage characteristics of high-energy electron sensors based on gallium arsenide compensated with chromium / A.A. Makovskiy, A.V Tyazhev, I.D. Chsherbakov, O.P. Tolbanov [et al] // 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024) : abstracts. Novosibirsk: Academizdat Publishing, 2024. P 658.
многоэлементных радиационно-стойких детекторов для регистрации и измерения пространственного распределения интенсивности пучков высокоэнергетических квантов, используемых при проведении экспериментов в области физики высоких энергий, а также при разработке современных детекторов для систем электронной микроскопии.
Один из вариантов решения заключается в использовании арсенида галлия, компенсированного хромом (GaAs:Cr), в качестве материала эффективных многоэлементных сенсоров высокоэнергетических электронов. По сравнению с кремниевыми сенсорами, приборы на основе GaAs:Cr имеют ряд преимуществ для просвечивающей электронной микроскопии:
- GaAs:Cr обладает более высокой подвижностью электронов, что повышает эффективность сбора заряда;
- GaAs:Cr - широкозонный полупроводник, что позволяет приборам работать при комнатной температуре без дополнительного охлаждения;
- Из-за более высокой напряженности электрического поля пробоя в GaAs:Cr по сравнению с Si, приборы из GaAs:Cr могут работать при большей мощности;
- Сенсоры на основе GaAs:Cr имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что увеличивает срок службы детекторов на их основе;
- Высокая эффективность поглощения высокоэнергетических электронов с энергией до 400 кэВ, что обеспечивает отсутствие радиационных повреждений считывающей электроники (ASIC), расположенной под сенсорами.
Цель диссертационной работы заключается в разработке физическо- математической модели и программы расчета, учитывающей электрофизические, электрические, технологические характеристики базовой полупроводниковой структуры, топологические параметры сенсоров и обеспечивающей количественный расчет импульсных характеристик, и в исследовании амплитудного спектра HR GaAs:Cr сенсоров при воздействии высокоэнергетических электронов. Для ее достижения необходимо выполнить следующие задачи:
1. Исследование зависимости величины темнового тока HR GaAs:Cr сенсоров от концентрации термоакцепторов;
2. Моделирование импульсных характеристик HR GaAs:Cr сенсора при воздействии высокоэнергетических электронов;
3. Измерение амплитудного спектра и эффективности сбора заряда HR GaAs:Cr сенсорами при воздействии высокоэнергетических электронов;
4. Анализ полученных результатов и формирование научных положений, выносимых на защиту.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии физических основ функционирования приборов на основе арсенида галлия, компенсированного хромом. Полученные результаты определяют практическую значимость работы, которая включает в себя новые знания, необходимые для разработки программы расчета, учитывающей основные параметры полупроводниковых материалов, на основе которых можно создать приборы с характеристиками, превосходящими существующие аналоги.
Научные положения, выносимые на защиту:
1) Вольт-амперные характеристики арсенида галлия, компенсированного хромом, имеют три участка зависимости силы тока от напряжения: линейный, сублинейный и сверхлинейный. Сублинейность обусловлена обеднением электронами активной области сенсора, а сверхлиненый участок связан с преобладанием дырочной компоненты тока над электронной, что говорит о переносе заряда дырками. Существенное влияние на вид ВАХ оказывает концентрация термоакцепторов в активной области сенсора.
2) Быстрый рост величины ССЕ до значения 0,4 на начальном участке обусловлен сбором электронов, дальнейший медленный рост связан со сбором дырок.
Результаты исследования представлены на следующих конференциях:
1. Двадцать первая Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов (Томск, 2024).
2. 9 Международный конгресс по потокам энергии и радиационным эффектам (9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects) (Томск, 2024).
И опубликованы статьи:
1. Маковский А.А. Измерение и моделирование вольт-амперных характеристик арсенид-галлиевых сенсоров высокоэнергетических электронов // Двадцать первая Всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов: Сборник трудов конференции. - Томск: ООО "СТТ", 2024. - с. 33-36.
2. Measurement and simulation of current-voltage characteristics of high-energy electron sensors based on gallium arsenide compensated with chromium / A.A. Makovskiy, A.V Tyazhev, I.D. Chsherbakov, O.P. Tolbanov [et al] // 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024) : abstracts. Novosibirsk: Academizdat Publishing, 2024. P 658.
В ходе выполнения магистерской диссертации проведено исследование характеристик сенсоров высокоэнергетических электронов на основе арсенида галлия, компенсированного хромом. В частности, проведено моделирование вольт-амперных характеристик сенсора. Среда автоматизированного проектирования позволяет качественно и количественно объяснить вид ВАХ. Результат показал, что характеристики имеют три участка зависимости силы тока от напряжения и существенное влияние на их вид оказывает концентрация термоакцепторов в активной области сенсора.
Кроме того, выполнена оценка координатной зависимости поглощения энергии и концентрации электронно-дырочных пар в треке при прохождении электрона с энергией 5 МэВ сенсор толщиной 500 мкм, в ходе которой определены входные данные для расчета. Подобраны и параметры модели воздействия оптического излучения на прибор, записаны граничные условия временной характеристики для анализа работы модели. Проведено моделирование импульсных характеристик сенсоров при воздействии
высокоэнергетических электронов. Результат показал, что при увеличении напряжения время восстановления системы уменьшается, а при малых напряжениях (30,50,70 В) наблюдается неоднородный спад характеристики.
А также, изучена методика проведения измерений амплитудного спектра сенсоров и их эффективности сбора заряда. Для проведения эксперимента по измерению амплитудного спектра HR GaAs:Cr сенсора на спектрометрическом комплексе использовались три источника излучения: 241Am, 133Ba, 90Sr. Америций и барий являются источниками гамма-квантов, а стронций имеет непрерывный спектр бета-излучения. Для того, чтобы зарегистрировать частицы с нужной энергией, измерения проводились с помощью канала синхронизации. Анализ экспериментальных данных по ССЕ и их сравнение с расчетными показывает, что функционально они одинаковы. Начальный участок зависимости свидетельствует о сборе электронной компоненты сигнала, а дальнейший медленный рост - о сборе дырок. Более того, сравнительный график подтверждает, что моделирование корректно.
Кроме того, выполнена оценка координатной зависимости поглощения энергии и концентрации электронно-дырочных пар в треке при прохождении электрона с энергией 5 МэВ сенсор толщиной 500 мкм, в ходе которой определены входные данные для расчета. Подобраны и параметры модели воздействия оптического излучения на прибор, записаны граничные условия временной характеристики для анализа работы модели. Проведено моделирование импульсных характеристик сенсоров при воздействии
высокоэнергетических электронов. Результат показал, что при увеличении напряжения время восстановления системы уменьшается, а при малых напряжениях (30,50,70 В) наблюдается неоднородный спад характеристики.
А также, изучена методика проведения измерений амплитудного спектра сенсоров и их эффективности сбора заряда. Для проведения эксперимента по измерению амплитудного спектра HR GaAs:Cr сенсора на спектрометрическом комплексе использовались три источника излучения: 241Am, 133Ba, 90Sr. Америций и барий являются источниками гамма-квантов, а стронций имеет непрерывный спектр бета-излучения. Для того, чтобы зарегистрировать частицы с нужной энергией, измерения проводились с помощью канала синхронизации. Анализ экспериментальных данных по ССЕ и их сравнение с расчетными показывает, что функционально они одинаковы. Начальный участок зависимости свидетельствует о сборе электронной компоненты сигнала, а дальнейший медленный рост - о сборе дырок. Более того, сравнительный график подтверждает, что моделирование корректно.
