Исследование чувствительности и импульсных характеристик детекторов на основе GaAs, компенсированного хромом, при воздействии рентгеновского излучения
, ,
Национальный Исследовательский Томский Государственный университет, Томск
Аннотация: В работе представлены результаты экспериментальных исследований чувствительности и импульсных характеристик детекторов на основе арсенида галлия, компенсированного хромом к воздействию рентгеновского излучения диапазона 60–120 кэВ. Проведено сравнение чувствительности детекторов на основе различных материалов.
Key words: detector, GaAs, sensitivity, X–ray.
I. Введение
Э |
ффективная регистрация рентгеновских лучей является основной проблемой при создании систем цифровой радиографии, в том числе для применения в областях медицины, биологии и неразрушающего контроля. Анализ направлений развития систем цифровой радиографии показывает, что наиболее информативные изображения могут быть получены системами, использующими полупроводниковые детекторы рентгеновского излучения
В работе представлены результаты исследования чувствительности арсенид галлиевых детекторов к воздействию рентгеновского излучения.
II. Методика эксперимента
Экспериментальные образцы представляли собой детекторы на основе GaAs, компенсированного Cr, с толщиной d чувствительной области 295 мкм, детекторы на основе Si толщиной d=300 мкм и детекторы на основе чистого GaAs (d=35 мкм) и на основе компенсированного GaAs(d=40мкм), выращенные по эпитаксиальной технологии. В качестве контактов использовались пленки на основе Сr/Ni и In вплавные контакты для детекторов на основе GaAs и Al для кремниевых детекторов. Источником рентгеновского излучения служила рентгеновская трубка с вольфрамовым анодом, суммарная фильтрация источника эквивалентна Al фильтру толщиной 4мм. Расстояние L: детектор–фокус трубки – 113см. Напряжение смещения Udet, подаваемое на GaAs детекторы составляло 30В для детекторов с толщиной 295 мкм, 5 В для детекторов выращенных по эпитаксиальной технологии а также 60 В для детекторов на основе Si.
На рисунках 1.1 представлены характерные зависимости фототока Iph от мощности экспозиционной дозы (МЭД) рентгеновского излучения для различных материалов.
III. Обсуждение результатов
В работе [1] установлено, что с увеличением МЭД наблюдается уменьшение чувствительности в детекторах на основе GaAs:Cr.
Это может быть связано с искажением поля в структуре, что в свою очередь может быть вследствие заряда захваченных носителей на глубокие уровни, либо вследствие заряда свободных носителей, вызывая режим токов, ограниченных пространственным зарядом (ТОПЗ) [2]. Искажение распределения поля в структуре вызывает существенное искажение формы выходного импульса.
Рис. 1.1. Зависимось фототока от МЭД для различных материалов
Как видно зависимость Iph от МЭД для чистых материалов (Si, чистый GaAs) имеет линейный характер, в отличии от образцов на основе GaAs:Cr, которые имеют сублинейный характер. Причем это сублинейность тем выше, чем выше степень компенсации материала, что с уверенностью позволяет говорить, что основной механизм падения чувствительности – захват на глубокие уровни.
На рисунке 1.2 показано искажение импульсных характеристик с увеличением
МЭД.
Рис. 1.2. Импульсные характеристики детекторов на основе эпитаксиальных структур GaAs и GaAs:Cr
Численные оценки показывают, что искажение поля происходит за время порядка микросекунд и, из-за этого в области высоких доз импульс должен был быстро упасть до нуля, что не подтверждается экспериментально. Следовательно, существует механизм, препятствующий этому – инжекция носителей заряда с контактов вследствие уменьшения барьера [3]. Используя контакты с малой высотой потенциального барьера (вплавные контакты на основе In) можно добиться перехода от сублинейных зависимостей зависимость Iph от МЭД к линейным зависимостям и даже сверхлинейным, что и подтверждается экспериментально (рис 1.3)
Рис. 1.3. Зависимось фототока от МЭД для GaAs:Cr, In контакты.
Импульсные характеристики детекторов на основе GaAs:Cr с вплавными In контактами (рис 1.4) имеют затягивания фронтов, что сказывается на быстродействии.
Рис. 1.4. Импульсные характеристики детекторов на основе GaAs:Cr с In вплавными контактами.
Чувствительность определялась с помощью аппроксимации зависимости фототока от МЭД.
Результаты вычислений чувствительности приведены в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1
Utube, кВ | Чувствительность SI, пКл/мР*см2. МЭД меньше 200 мР/с | Чувствительность SII, пКл/мР*см2. МЭД больше 200 мР/с | Примечание | ||
Анод | Катод | Анод | Катод | ||
60 | 2,2 | 5,0 | 2,2 | 5,0 | GaAs:Cr детектор, d=295 мкм, Udet=30 В |
80 | 2,1 | 4,4 | 1,8 | 3,4 | |
120 | 1,5 | 3,6 | 1,4 | 2,9 | |
60 | 513,4 | 402,7 | 513,4 | 402,7 | GaAs:Cr детектор In контакты d=295 мкм U=30 В |
80 | 624,6 | 544,2 | 756,4 | 672,5 | |
120 | 712,0 | 661,7 | 787,6 | 715,3 | |
60 | 2,1 | 2,3 | 2,1 | 2,3 | GaAs эпитакс d=40 мкм U=5 В |
80 | 2,1 | 2,2 | 2,2 | 2,3 | |
120 | 2,0 | 2,1 | 1,91 | 2,2 | |
60 | 3,3 | 3 | 3,3 | 3 | GaAs:Cr эпитакс d=35 мкм U=5 В |
80 | 3,0 | 2,9 | 2,4 | 2,5 | |
120 | 2,5 | 2,6 | 2,1 | 2,1 |
Анализ экспериментальных данных позволяет сказать, что во всем диапазоне МЭД и напряжений на трубке чувствительность детекторов на основе GaAs:Cr с барьерными контактами при облучении катода выше аналогичного параметра при облучении анода. Возможно, это объясняется сбором преимущественно электронной компоненты заряда. Для детекторов на основе эпитаксиальных материалов разница между облучением катод и анода незначительна. Возможно, это обусловлено малой толщиной чувствительного слоя. Как видно, величина Iph определяется интенсивностью рентгеновского излучения и слабо зависит от спектрального состава излучения.
Структуры с вплавными In контактами имеют значительно большую чувствительность при прочих аналогичных условиях. Кроме того, значительно возрастает отношение фототок/темновой ток, но при этом ухудшается быстродействие работы детектора по сравнению с детекторами на основе барьерных контактов.
IV. Заключение
Установлено, что с увеличением МЭД наблюдается уменьшение чувствительности детекторов на основе арсенида галлия, компенсированного хромом. Это связано с накоплением заряда на глубоких примесных уровнях и, как следствие, с уменьшением области сильного электрического поля.
Экспериментально установлено, что существует механизм компенсации объемного заряда на глубоких уровнях, который обусловлен понижением высоты потенциального барьера контакта металл-полупроводник в области сильного электрического поля. Это приводит к дополнительной инжекции носителей, заряд которых компенсирует заряд на глубоких уровнях.
Показано, что структуры с вплавными контактами на основе In характеризуются существенно большей чувствительностью и отношеним фототок/темновой ток, но при этом обладают меньшим быстродействием по сравнению с детекторами на основе барьерных контактов.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Исследование зависимости фототока детекторов на основе GaAs:Cr от мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения/ , , и другие// Известия Учебных Заведений. Физика. – 2010г. – №9/2. – C.333-335.
[2] Даргис дрейфовой скорости в твердых телах: изд. Мокслас.-1987г.-204с.
[3] Gain mechanism in GaN Shottky ultraviolet detectors/ O. Katz, V. Garber, B. Meyler et. all// APPLIED PHYSICS LETTERS,– 2001г. – VOL. 79, NO. 10, – p..
