P-I-N СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ GaAs ДЛЯ ДЕТЕКТОРОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 681.382.2 P-I-N СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ GaAs ДЛЯ ДЕТЕКТОРОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Ю.В. Жиляев, Д.И. Микулик, Т.А. Орлова, В.Н. Пантелеев, Н.К. Полетаев, С.А. Сныткина, Л.М. Федоров
Исследованы характеристики полупроводниковых эпитаксиальных p-i-n структур на основе GaAs, выращенных методом газофазной эпитаксии. Разработаны новые условия эпитаксиального роста, позволяющие изготовить «толстые» слои чистого GaAs в рамках одного процесса. Ключевые слова: p-i-n структуры, GaAs, ХГФЭ, детектор рентгеновского излучения.
В области энергий фотонов рентгеновского излучения 10–100 кэВ перспективно применение материала GaAs. Данная работа заключалась в изготовлении арсенид галлиевых p-i-n структур высокого качества, подходящих для дальнейшего производства на их основе детекторов рентгеновского излучения. Все полупроводниковые структуры были получены в кварцевом реакторе методом хлоридной газофазной эпитаксии (ХГФЭ) стандартным образом. В экспериментах использовался горизонтальный реактор проточного типа с резистивной системой нагрева, позволяющей соблюдать требуемый температурный режим и в зоне источника (800ºС), и в ростовой зоне (730–760ºС). Источником мышьяка являлся материал AsCl3, переносимый в реактор потоком водорода. В зоне источника находилась лодочка с металлическим галлием.
Подложки «epi-ready» GaAs n+-типа, легированные Si, с концентрацией 1018 см–3 имели размер 510 см2 и толщину 300 мкм. Процесс роста в реакторе включал в себя две стадии: 1) рост основного чистого толстого (до 200 мкм) n0-слоя GaAs с концентрацией основных носителей 1011–1013 см–3; 2) рост p+-слоя GaAs, легированного Zn, толщиной 1–3 мкм и концентрацией на уровне 1018 см–3. В качестве iслоя детекторной структуры использовался слаболегированный n0-GaAs слой с максимально низкой концентрацией донорной примеси. В результате серии опытов были получены структуры с зеркальногладкой поверхностью. Толщина активного n0-слоя варьировалась от 150 до 250 мкм в зависимости от задания условий роста, толщина p+-слоя GaAs составляла порядка 1 мкм.
Применение дополнительного потока AsCl3 позволило практически полностью устранить продольный клин по толщине, появляющийся в горизонтальном реакторе. Неравномерность толщины в пределах подложки составила 10–20 мкм. Кроме этого, удалось достичь средней скорости роста GaAs 10 мкм/ч, а длительность ростового процесса увеличили до 20–25 часов.
1515,3 мэВ
FX
D0h D0x
Интенсивность, отн. ед. 1513,3 мэВ 1514,2 мэВ
1512 1513 1514 1515 1516 1517 E, мэВ Рисунок. Спектр фотолюминесценции n0-GaAs слоя
Измерения фотолюминесценции n0-слоя осуществлялись с помощью He-Ne-лазера при температуре 2 К (рисунок). Этот метод диагностики хорошо зарекомендовал себя в прошлых работах [Л]. Соотношение интенсивностей спектральных линий позволяет оценить концентрацию остаточных примесей в материале и дает значение ND–NA = 1011 cм–3. Для определения концентрации свободных носителей в n0GaAs слое использовались вольт-фарадные измерения. Полученные этим методом значения составляли менее 1012 cм–3, что согласуется с измерениями фотолюминесценции и соответствует требованиям, предъявляемым к чистоте активных слоев для рентгеновских детекторов выбранного типа.
По распределению интенсивности электролюминесценции в направлении, перпендикулярном плоскости p-n перехода, определена диффузионная длина носителей заряда (дырок), которая составила величину от 70 до 100 мкм.
На основе полученных арсенид галлиевых p-i-n структур изготовлены опытные образцы детекторов рентгеновского излучения. Энергетическое разрешение приборов составило около 600 эВ при энергиях поглощающихся фотонов 60 кэВ и 170 эВ при 5,9 кэВ соответственно.
[Л]. Zhilyaev Yu.V., Poletaev N.K., Botnaryuk V.M., Orlova T.A., Fedorov L.M., Yusupova Sh.A., Owens A., Bavdaz M., Peacock A., Meara B.O’, Helava H. Optical characterization of ultra-pure GaAs // Phys. Status Solidi (c). – 2003. – V. 0. – P. 1024–1027.
132
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
Жиляев Юрий Васильевич – Физико-технический институт им. Иоффе, доктор физ.-мат. наук, профессор, zhilyaev@jyuv.ioffe.rsssi.ru Микулик Дмитрий Игоревич – Физико-технический институт им. Иоффе, мл. научн. сотр., dogged06@mail.ru Орлова Татьяна Алексеевна – Физико-технический институт им. Иоффе, кандидат физ.-мат. наук, научн. сотр., shikina71@hotmail.com Пантелеев Валерий Николаевич – Физико-технический институт им. Иоффе, научн. сотр., valnikpan@mail.ru Полетаев Николай Константинович – Физико-технический институт им. Иоффе, кандидат физ.-мат. наук, научн. сотр., poletaev@mail.ioffe.ru Сныткина Светлана Александровна – Физико-технический институт им. Иоффе, научн. сотр., zhilyaev@jyuv.ioffe.rsssi.ru Федоров Леонид Михайлович – Физико-технический институт им. Иоффе, кандидат физ.-мат. наук, ст. научн. сотр., , zhilyaev@jyuv.ioffe.rsssi.ru
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
133
УДК 681.382.2 P-I-N СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ GaAs ДЛЯ ДЕТЕКТОРОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Ю.В. Жиляев, Д.И. Микулик, Т.А. Орлова, В.Н. Пантелеев, Н.К. Полетаев, С.А. Сныткина, Л.М. Федоров
Исследованы характеристики полупроводниковых эпитаксиальных p-i-n структур на основе GaAs, выращенных методом газофазной эпитаксии. Разработаны новые условия эпитаксиального роста, позволяющие изготовить «толстые» слои чистого GaAs в рамках одного процесса. Ключевые слова: p-i-n структуры, GaAs, ХГФЭ, детектор рентгеновского излучения.
В области энергий фотонов рентгеновского излучения 10–100 кэВ перспективно применение материала GaAs. Данная работа заключалась в изготовлении арсенид галлиевых p-i-n структур высокого качества, подходящих для дальнейшего производства на их основе детекторов рентгеновского излучения. Все полупроводниковые структуры были получены в кварцевом реакторе методом хлоридной газофазной эпитаксии (ХГФЭ) стандартным образом. В экспериментах использовался горизонтальный реактор проточного типа с резистивной системой нагрева, позволяющей соблюдать требуемый температурный режим и в зоне источника (800ºС), и в ростовой зоне (730–760ºС). Источником мышьяка являлся материал AsCl3, переносимый в реактор потоком водорода. В зоне источника находилась лодочка с металлическим галлием.
Подложки «epi-ready» GaAs n+-типа, легированные Si, с концентрацией 1018 см–3 имели размер 510 см2 и толщину 300 мкм. Процесс роста в реакторе включал в себя две стадии: 1) рост основного чистого толстого (до 200 мкм) n0-слоя GaAs с концентрацией основных носителей 1011–1013 см–3; 2) рост p+-слоя GaAs, легированного Zn, толщиной 1–3 мкм и концентрацией на уровне 1018 см–3. В качестве iслоя детекторной структуры использовался слаболегированный n0-GaAs слой с максимально низкой концентрацией донорной примеси. В результате серии опытов были получены структуры с зеркальногладкой поверхностью. Толщина активного n0-слоя варьировалась от 150 до 250 мкм в зависимости от задания условий роста, толщина p+-слоя GaAs составляла порядка 1 мкм.
Применение дополнительного потока AsCl3 позволило практически полностью устранить продольный клин по толщине, появляющийся в горизонтальном реакторе. Неравномерность толщины в пределах подложки составила 10–20 мкм. Кроме этого, удалось достичь средней скорости роста GaAs 10 мкм/ч, а длительность ростового процесса увеличили до 20–25 часов.
1515,3 мэВ
FX
D0h D0x
Интенсивность, отн. ед. 1513,3 мэВ 1514,2 мэВ
1512 1513 1514 1515 1516 1517 E, мэВ Рисунок. Спектр фотолюминесценции n0-GaAs слоя
Измерения фотолюминесценции n0-слоя осуществлялись с помощью He-Ne-лазера при температуре 2 К (рисунок). Этот метод диагностики хорошо зарекомендовал себя в прошлых работах [Л]. Соотношение интенсивностей спектральных линий позволяет оценить концентрацию остаточных примесей в материале и дает значение ND–NA = 1011 cм–3. Для определения концентрации свободных носителей в n0GaAs слое использовались вольт-фарадные измерения. Полученные этим методом значения составляли менее 1012 cм–3, что согласуется с измерениями фотолюминесценции и соответствует требованиям, предъявляемым к чистоте активных слоев для рентгеновских детекторов выбранного типа.
По распределению интенсивности электролюминесценции в направлении, перпендикулярном плоскости p-n перехода, определена диффузионная длина носителей заряда (дырок), которая составила величину от 70 до 100 мкм.
На основе полученных арсенид галлиевых p-i-n структур изготовлены опытные образцы детекторов рентгеновского излучения. Энергетическое разрешение приборов составило около 600 эВ при энергиях поглощающихся фотонов 60 кэВ и 170 эВ при 5,9 кэВ соответственно.
[Л]. Zhilyaev Yu.V., Poletaev N.K., Botnaryuk V.M., Orlova T.A., Fedorov L.M., Yusupova Sh.A., Owens A., Bavdaz M., Peacock A., Meara B.O’, Helava H. Optical characterization of ultra-pure GaAs // Phys. Status Solidi (c). – 2003. – V. 0. – P. 1024–1027.
132
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
Жиляев Юрий Васильевич – Физико-технический институт им. Иоффе, доктор физ.-мат. наук, профессор, zhilyaev@jyuv.ioffe.rsssi.ru Микулик Дмитрий Игоревич – Физико-технический институт им. Иоффе, мл. научн. сотр., dogged06@mail.ru Орлова Татьяна Алексеевна – Физико-технический институт им. Иоффе, кандидат физ.-мат. наук, научн. сотр., shikina71@hotmail.com Пантелеев Валерий Николаевич – Физико-технический институт им. Иоффе, научн. сотр., valnikpan@mail.ru Полетаев Николай Константинович – Физико-технический институт им. Иоффе, кандидат физ.-мат. наук, научн. сотр., poletaev@mail.ioffe.ru Сныткина Светлана Александровна – Физико-технический институт им. Иоффе, научн. сотр., zhilyaev@jyuv.ioffe.rsssi.ru Федоров Леонид Михайлович – Физико-технический институт им. Иоффе, кандидат физ.-мат. наук, ст. научн. сотр., , zhilyaev@jyuv.ioffe.rsssi.ru
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
133