Глубокая компенсация арсенид галлия хромом

Для изучения радиоактивных излучений (α и β — частиц, γ-квантов) их свойств и энергий, а также для исследования тяжелых частиц используют различные методы. В основе данных методов лежит использование ионизирующее свойство заряженных частиц и высокую проходимость излучения. Устройства для регистрации заряженных частиц, элементарных частиц, рентгеновского и гамма-излучений, ядер атомов называют детекторами. В устройствах на основе полупроводниковых детекторов можно получить наиболее информативный сигнал при прохождении ионизирующего излучения через детектор. В современной экспериментальной физике в основном используют детекторы на основе кремния (Si) и германия (Ge), но также используют материалы из бинарных и тройных соединений такие, как GaAs, CdTe, CdZnTe. Применение данных многоэлементных соединений позволяет создать:

− Медицинские цифровые устройства (томографы, маммографы и т. д.) с понижением дозы излучения пациента и получения картинки с большим разрешением;

− Создание дефектоскопов и ламинографов с высоким пространственным разрешением до 0,02 мм;

− Высокоэффективные системы безопасности в аэропортах, ЖД вокзалах и т. д.

Перспективным материалом для полупроводниковых детектором является арсенид галлия (GaAs) в особенности для прямого преобразования энергии квантов ионизирующего излучения в электрический сигнал. По сравнению с односоставным материалом таких как кремний (Si) и германий (Ge) арсенид галлия имеет ряд преимуществ таких как большой эффективный номер Z~32, широкую запрещенную зону (Eg=1.42 эВ), высокую плотностью (5,32 г/см3) [1]. Системы на детекторах из арсенида галлия такими параметрами как высокое пространственное разрешение, хорошая линейность, большой динамический диапазон. [2] Глубокая компенсация хромом арсенида галлия обладает малой концентрацией свободных носителей, что делает удельное сопротивление большим, увеличивает значение подвижности электронов, возрастает время жизни носителей заряда.

Получение высоких значений времени жизни зарядов было достигнуто путем глубокой компенсации арсенида галлия хромом. Легированный GaAs n-типа, в котором концентрация электронов составляет 𝑛 ≅ 𝑁_𝑑 ≈10 ¹⁷см⁻³ производится диффузия хрома в таком количестве, чтобы арсенид галлия перекомпенсировался в р-тип [4]. Таким образом можно изменять электрофизические параметры и свойства материала, в некотором диапазоне, путем подбора легирующей примеси, уровня легирования и градиента концентрации. Хром фиксируется в вакантных местах галлия 𝐶_𝑟𝑖 + 𝑉_𝐺𝑎 → 𝐶𝑟_𝐺𝑎 с сильным локализованным потенциалом.

Во время компенсации происходит изменение энергетической схемы кристалла. Распределение примеси происходит случайным образом. Фрагмент энергетической диаграммы после сильной компенсации представлен на рисунке 1. В таком случае электроны и дырки пространственное разделены и находятся в своих минимумах. При воздействии силы на электрон он получает достаточную энергию для преодоления энергетического барьера высотой ΔE, при переходе в валентную зону на месте электрона образуется дырка, до этого момента носители заряда могут долго находиться в неравновесном состоянии.

Рис. 1. Фрагмент энергетической диаграммы сильно компенсированной структуры [4]

В основном для детекторов используют кристаллы GaAs, выращенные методом Чехральского. Материал имеет некоторые ограничения и связаны они c наличием глубоких донорных EL2 центров, при ионизации EL2+ увеличивают сечение захвата электронов и уменьшает время жизни электронов, что приводит к низкой эффективности сбора заряда. Напряженность электрического поля по всей толщине распределяется неравномерно и малое удельное сопротивление, что ограничивает варианты использования материала. Путем глубокой компенсации глубокие EL2 центры заполняются электронами мелких доноров в соответствии с соотношением 𝑁_𝐶𝑟 >> 𝑁_𝑑 > 𝑁_𝑓, что частично компенсирует центры хрома. Получение хорошего качества материала происходит путем уменьшения количества EL2+ центров, это возможно сделать несколькими способами:

− компенсация EL2+ центров до состояния нейтральных EL2⁺ + e → EL2⁰. Для проведения диффузии хрома требуется высокая температура. Таким образом, компенсационный процесс происходит в тоже время, что и перераспределение собственных дефектов кристалла [5].

После глубокой компенсации удельное сопротивление материала составляет порядка 10⁹ Ом·см, напряженность электрического поля распределяется равномерно по всей толщине, время жизней неравновесных электронов составляет ~10 нс, а дырок ~0,2 нс.

Направление связанные с разработкой и исследованием структур с глубокой примесью дает возможность использования и создания высокочувствительных элементов (лазерных диодов, светодиодов, сверхвысокочастотных интегральных схем и транзисторов) для различного назначения и использования в функциональной электронике.

Литература:

1. Резников Р. С., Сельдяков Ю. П. Промышленные полупроводниковые детекторы.-Москва: изд. Атомиздат.-1975г. — 86с.
2. Тяжев А. В., Зарубин А. Н., Мокеев Д. Ю. Чувствительность GaAs детекторов к рентгеновскому излучению диапазона (40–140) кэВ.// Proceedings of international Siberian conference on control and communications.,-2009г., С. 194–198.
3. Айзенштат Г. И., Вилисова М. Д. Детекторы рентгеновского излучения на эпитаксиальном арсениде галлия // ЖТФ. — 2006. — Том 76, № 8. — С. 46–49.
4. Holmes D. E. Stoichiometry-controlled compensation in liquid encapsulated Czochralski GaAs / D. E. Holmes [et al.] // Appl. Phys. Lett. — 1982. — Vol. 40, №. 1. — P. 46–48.
5. Ayzenshtat G. I. GaAs structures for X-ray imaging detectors / G. I. Ayzenshtat [et al.]// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. — 2001. — Vol. 466. — № 1. — P. 25–32.