ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР С ВНУТРЕННИМ УСИЛЕНИЕМ НА ОСНОВЕ ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H01L31/09 H01L31/18 

Изобретение относится к радиографии, в частности к системам цифрового изображения в рентгеновских и гамма-лучах с помощью многоканальных полупроводниковых детекторов на основе полуизолирующего арсенида галлия, и предназначено для использования в производстве рентгеновских систем нового поколения для медицины, промышленности и научных исследований.

Известны аналоги заявленного изобретения [1-5], в которых для реализации внутреннего усиления используется монолитная пластина полупроводника, на противоположных концах которой созданы омические контакты.

Если полупроводник имеет большое время жизни и малое расстояние между контактами, то в структуре организуется фоторезистивное усиление с коэффициентом усиления, значительно большим единицы [1].

В [2] сообщается о формировании полупроводниковой структуры с инжектирующими контактами. Инжекция носителей способствует формированию положительной внутренней обратной связи по току; чувствительность такой структуры может значительно превысить значения, достигаемые на сопряженных фоторезисторах, не имеющих инжектирующих контактов.

В [3] показано, что возможно использовать структуры типа транзистора для регистрации рентгеновского, гамма-излучения и излучения ионизирующих частиц высоких энергий. Неосновные носители, образованные в базе при торможении частицы, диффундируют к эмиттерному и коллекторному переходам, где вовлекаются в дрейф существующими полями. Неравновесные дырки оказываются в потенциальной яме и заряжают ее положительно относительно эмиттера. Изменение разности потенциалов эмиттер-база увеличивает инжектируемый эмиттером ток электронов, чем и обуславливается внутреннее усиление.

Изменение внутреннего поля (поляризация) может происходить за счет захвата носителей, и, как следствие, уменьшение высоты потенциального барьера на границе металл-полупроводник. Уменьшение высоты потенциального барьера приводит к дополнительной инжекции с контактов, что, в свою очередь, ведет к инжекционному росту фототока и чувствительности [4]. Показано, что в p-i-n структуре, i-область которой изготовлена из a-Se [5], имеет место деформация внутреннего поля. Установлено, что это происходит за счет захвата носителей и, как следствие, дополнительной инжекции с контактов, что в свою очередь ведет к росту избыточного фототока, и чувствительность структур превышает единицу.

Недостатком известных устройств является низкий коэффициент усиления, единицы, который достигается в условиях высокого уровня инжекции носителей заряда в структурах.

Наиболее близким техническим решением является детектор, выполненный на основе Ме-i-Ме структуры. Конструкция детектора включает полуизолирующую i-область, которая выполнена на основе арсенида галлия, компенсированного хромом, и металлические контакты к ней, например, на основе тонкого напыленного слоя никеля либо хрома [6]. Относительно невысокие значения деформации распределения внутреннего электрического поля в прототипе не позволяют управлять инжекцией в широких пределах и создавать условия для достижения высоких коэффициентов усиления, что является недостатком данных устройств.

Технической задачей является увеличение внутреннего коэффициента усиления детекторной Ме-i-Ме структуры при взаимодействии с квантами рентгеновского и гамма-излучения широкого спектрального диапазона.

Цель достигается тем, что между металлическими контактами и i-областью формируется слой полупроводника толщиной менее диффузионной длины электронов, инжектируемых из металлического контакта в i-область, понижающий высоту потенциального барьера контакта металл-GaAs до энергии, близкой к энергии теплового равновесия кристалла, kT.

В предлагаемом устройстве устранены недостатки прототипа, связанные с высоким потенциальным барьером на границе металл-полупроводник, который препятствует инжекции электронов с катодного металлического контакта в полуизолирующий i-слой. За счет управляемого изменения химического состава приповерхностного слоя под металлическим контактом путем формирования тонкого слоя полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны, способного понизить высоту потенциального барьера до величины, близкой к kT, инжекционные способности катодного электрода значительно возрастают. Это позволяет запустить механизм внутреннего инжекционного усиления детекторной Ме-i-Ме структуры при взаимодействии с квантами рентгеновского и гамма-излучения широкого спектрального диапазона.

Поскольку на поверхности GaAs уровень Ферми жестко закреплен вблизи уровня электрической нейтральности за счет высокой плотности поверхностных состояний D_s=10¹⁴ см ⁻² эВ⁻¹, то высота потенциального барьера на границе Cr, Ni контактов и i-GaAs составит ~0,83 эВ. Тогда эквивалентную схему Me-i-Me детекторной структуры можно представить в виде последовательно соединенных сопротивления высокоомной i-области и 2-х встречно включенных барьеров Шоттки Me-i контактов, один из которых при любой полярности сигнала всегда включен в обратном направлении, ограничивая инжекцию электронов в i-слой.

Экспериментально установлено, что для создания омического контакта к GaAs необходимо использовать металл, с работой выхода, меньшей, чем у GaAs (работа выхода GaAs составляет 4,5 эВ). Такой контакт должен вести себя как квазиомический контакт. Примеры таких металлов: In, Mg, Gd, имеющие работу выхода 4,12 эВ, 3,68 эВ и 3,10 эВ соответственно. Например, создание на поверхности i-GaAs узкозонного слоя твердого раствора Ga_1−xIn_xAs позволяет сформировать квазиомический контакт катода. В InAs поверхностный уровень Ферми закреплен в зоне проводимости, что значительно снижает высоту потенциального барьера металл-полупроводник в твердых растворах системы GaAs-InAs по сравнению с высотой барьера металл-GaAs, как показано на рисунке 1. Примером такого контакта может быть In-контакт к GaAs как n-, так и p-типа. Он образуется при относительно низких температурах до 300°C.

На рисунке 1 представлена зонная диаграмма омического контакта In-n-GaAs.

При термическом осаждении In на поверхность i-GaAs не происходит существенного подлегирования приповерхностной области полупроводника, что делает несущественным процесс тунелирования через контактный слой. В результате, основной вклад в сопротивление образованного омического контакта вносит прохождение электронов над потенциальным барьером. Высота потенциального барьера, преодолеваемого электронами в омическом контакте, определенная из наклона зависимости приведенного сопротивления омического контакта от обратной температуры, оказалась равной 0,03 эВ, что по порядку величины сравнимо с энергией колебания кристаллической решетки kT=0,26 эВ при 300К. Таким образом, основным механизмом протекания тока в контакте In-i-GaAs является термоэлектронная эмиссия через потенциальный барьер высотой 0,03 эВ. Именно в такой структуре возможна реализация сложного механизма внутреннего инжекционного усиления при поглощении квантов ионизирующих (УФ, рентгеновского и гамма) излучений.

Механизм внутреннего усиления в предложенном устройстве работает следующим образом. В интересующей области энергий ионизирующего излучения современных синхротронных центров (10÷60) кэВ поглощение квантов происходит по закону Бугера [7] в результате классического фотоэффекта. Квант излучения передает всю свою энергию E_o одному из атомных электронов, который растрачивает эту энергию на образование неравновесных электронно-дырочных пар в ионизационном треке в количестве N_o=E_o/E_i, где E_i - энергия образования электронно-дырочной пары. Дырки будут захватываться на глубокие отрицательно заряженные центры, а электроны под действием электрического поля дрейфуют к аноду. Время захвата дырок τ_p ^- на отрицательно заряженные центры хрома $N_t^{-}$ может быть оценено: ${\tau }_p^{-}=1/{\sigma }_p^{-}\cdot {\upsilon }_p\cdot N_t^{-},$ где сечение захвата дырки σ_ρ ^-=7·10^-15 см², тепловая скорость дырок υ_р ~10⁷ см^-3, $N_t^{-}$ ≅ 10¹⁷ см^-3. По порядку величины ${\tau }_p^{-}$ ≅10^-10 с. Время жизни неравновесных электронов ограничивается временем захвата на нейтральные центры $N_t^o$ , концентрация которых $N_t^o=N_t-N_t^{-}$ ≅2·10¹⁷ см^-3. Сечение захвата электронов на нейтральные центры по порядку величины составляет ~10^-17 см². Тогда время жизни неравновесных электронов, τ_n, оцененное по формуле: составляет ≥5·10^-8 с. Под действием электрического поля в i-области электроны дрейфуют до анода, обусловливая индуцированный ток во внешней цепи. Как только электрон выбрасывается электрическим полем в n-подложку, в i-области нарушается электрическая нейтральность, часть положительно заряженных доноров остается не скомпенсированной. Для восстановления электрической нейтральности из металлического контакта через сформированный слой с пониженным потенциальным барьером в i-область втягивается электрон, который также за время жизни успевает дойти до противоположного контакта. Таким образом, наблюдается инжекционное усиление индуцированного тока по типу фоторезистора. Как и в случае фоторезистивного усиления, коэффициент усиления будет определяться соотношением времени жизни τ_n и времени дрейфа $t_{др}$ неравновесных электронов. На рисунке 2 представлены экспериментальные результаты силы тока, наведенного в i-слое детектора, поглощенного квантами, от мощности экспозиционной дозы (МЭД) ионизирующего излучения.

На рисунке 2 представлена зависимость силы тока от дозы для детектора на основе GaAs:Cr, d=295 мкм, при облучении анода (сверху) и катода (снизу), прототипа (колонка а) и предложенного устройства (колонка б).

Как следует из рисунка 2, в предложенном устройстве за счет внутреннего инжекционного усиления сила наведенного тока в сотни раз превышает аналогичную характеристику прототипа. Следовательно, во столько же раз будет различаться и экспериментально наблюдаемое значение квантовой эффективности, η: η=η_o·τ_n/ $t_{др}$ , где η_o≤1. Фоторезистивный эффект усиливается тем, что за счет захвата дырок идет перераспределение поля в структуре и напряженность электрического поля в области нескомпенсированного заряда возрастает. Инжекционный фоторезистивный механизм усиления в предложенном устройстве подтверждается также экспериментальной зависимостью квантовой эффективности от толщины высокоомного i-слоя d_i. Поскольку $t_{др}$ ₌d_i/υ_m, где υ_m - максимальная дрейфовая скорость электронов в i-слое, то квантовая эффективность обратно пропорциональна толщине чувствительного слоя, что представлено в таблице 1.

Предложен способ изготовления, позволяющий реализовать заявленное устройство. Способ обеспечивает относительно простую реализацию конструкции предложенного полупроводникового детектора рентгеновского излучения с внутренним усилением путем нанесения тонкого слоя индия поверх металлических контактов к i-области и последующего вжигания контактов в условиях, достаточных для проплавления первичного металлического контакта. Поскольку индий имеет низкую температуру плавления 156°С и высокий коэффициент диффузии в арсениде галлия, то уже при температуре 300°С в течение 10 минут наблюдается проплавление контактного Cr/Ni слоя толщиной до 1 мкм. При взаимодействии под Ni/Cr контактом с поверхностью i-GaAs образуется твердый раствор InGaAs с переменным составом индия, деформирующий энергетическую диаграмму, рисунок 1, так что высота потенциального барьера на границе Ni/Cr- InGaAs-i-GaAs снижается до величины, близкой kT, что обуславливает омические свойства контактов. В таблице 1 представлены экспериментальные результаты чувствительности предложенных рентгеновских детекторов в сравнении с прототипом при изменении ускоряющего напряжения на рентгеновской трубке (1), облучения детектора со стороны анода (2,4) либо катода (3,5) при различной мощности экспозиционной дозы (МЭД) в плоскости детектора, толщины детектора и характеристик контактов к ним (6). Величина чувствительности S определялась из зависимости превышения индуцированной поглощенными квантами силы тока над темновым I_λ-I_t от плотности мощности экспозиционной дозы W по формуле:

$S=\frac{(\exp (\frac{\Delta \varphi }{kT})\text{-}1)I_t{\text{-I}}_{\lambda }}{W}$ , (1)

где Δφ - изменение высоты потенциального барьера контакта Me-i-GaAs, которое понижается в предложенном способе до величины, близкой kT - энергии колебания кристаллической решетки полупроводника. Результаты аппроксимации I_λ(W) на участках с МЭД ≤ 200 мР/с (S_I) и с МЭД ≥ 200 мР/с (S_II), таблица 1, показывают, что независимо от условий эксперимента в детекторах, выполненных предложенным способом, наблюдается значительное внутренне усиление индуцированного поглощенным фотоном тока по сравнению с прототипом.

Таблица 1

U_tube, кВ Чувствительность
S_I, нКл/мР*см²
МЭД меньше 200 мР/с Чувствительность
S_II, нКл/мР*см²
МЭД больше 200 мР/с Характеристика контактов анод катод анод катод 1 2 3 4 5 6 60 2,2 5,0 2,2 5,0 GaAs:Cr детектор, Cr/Ni контакты d=295 мкм, U_det=30 В 80 2,1 4,4 1,8 3,4 120 1,5 3,6 1,4 2,9 60 906,0 906,0 1155,0 1155,0 GaAs:Cr детектор, In контакты
d=295 мкм
U=30 В 80 1224,4 1513,2 1405,4 1701,8 120 1488,7 1609,3 1602,1 1772,0 60 2,2 6,4 2,2 6,4 GaAs:Cr детектор, Cr/Ni контакты, d=480 мкм, U=48 В 80 2,4 5,2 1,2 3,6 60 99,7 270,4 99,7 270,4 GaAs:Cr детектор, In контакты
d=480 мкм U=48 В 80 184,6 406,1 215,5 488,4 120 242,7 459,2 339,5 590,7 60 2,1 6,6 2,1 6,6 GaAs:Cr детектор, Cr/Ni контакты, d=510 мкм, U=51 В 80 3,1 5,6 1,8 3,4 60 151,2 229,9 120,9 230,3 GaAs:Cr детектор, In контакты
d=510 мкм, U=51 В 80 231,6 373,1 230,3 453,1 120 300,6 425,3 345,0 565,3 60 2,1 7,2 2,1 7,2 GaAs:Cr детектор, Cr/Ni контакты, d=682 мкм, U=69 В 80 2,6 6,1 1,6 3,8 60 139,9 196,9 139,9 196,9 GaAs:Cr детектор, In контакты
d=682 мкм, U=69 В 80 248,8 329,0 286,3 400,1 120 339,6 401,2 421,0 545,7 60 1,3 4,9 1,3 4,9 GaAs:Cr детектор, Cr/Ni контакты, d=715 мкм, U=72 В 80 1,8 4,2 1,3 2,7 120 2,1 3,8 1,7 2,3 60 12,8 44,2 12,8 44,2 GaAs:Cr детектор, In контакты
d=715 мкм, U=72 В 80 25,9 70,5 31,5 80,4 120 38,9 87,4 62,7 121,4

Анализ экспериментальных результатов, представленных в таблице 1, подтверждает расчетные данные квантовой эффективности; пропорциональность и тенденции изменения характеристик близки расчетным данным. Высокая квантовая эффективность объясняется эффектами усиления. В основе усиления лежит захват неравновесных дырок на отрицательно заряженные глубокие акцепторные центры в треке. Это приводит к резкой асимметрии времен жизни неравновесных носителей заряда. Асимметрия времени жизни электронов и дырок должна приводить к пространственному разделению электронно-дырочных пар и снижению темпа рекомбинации неравновесных носителей заряда. В том числе это проявляется и в наблюдаемых экспериментальных результатах по исследованию характеристик детекторов при облучении рентгеновскими квантами. Особенно это сказывается в области высокой энергии квантов, при которых достижима квантовая эффективность η_о>1.

Таким образом, доказано, что положительный эффект достигается в предложенном способе, формирующем предложенное устройство. Устройство и способ его реализации обладают новизной и позволяют достигнуть внутреннего квантового усиления, в сотни раз превышающего значения, достигнутые в прототипе.

Источники информации

1. Строкан Н.Б., Иванов А.М., Бойко М.Е. Карбид-кремниевые транзисторные структуры как детекторы слабоионизирующего излучения //Журнал технической физики. - 2003 г. - Том 37, №1. - С.65-69.

2. Резников Б. И., Царенков Г.В. Светоуправляемые электрические поля в высокоомной МПМ структуре при наличии глубоких примесных уровней //Физика и техника полупроводников. - 1994 г. Том 28, №5. - С.867-879.

3. Optimization of Electric Field Distribution by Free Carrier Injection in Silicon Detectors Operated at Low Temperatures /E. Verbitskaya, M. Abreu, V. Bartsch, et. All //IEEE Trans. Nucl. Sci.- 2002. - V.49, NO.1. - P.258-262.

4. Characterization of charge collection in CdTe and CZT using the transient current technique /J. Fink, H. Kruger, P. Lodomez, et. All //Nucl. Instr. and Meth. A. - 2006. - V.560. - P.435-443.

5. Haugen C., Kasap S.O., Rowlands J. /X-ray irradiation induced bulk space charge in stabilized a-Se x-ray photoconductors //JOURNAL OF APPLIED PHYSICS -1998, V.84, NO.10. - P.5495-5501.

6. Budnitsky, D.,Tyazhev, A.,Novikov, V.,Zarubin, A.,Tolbanov, O., Skakunov, M., Hamann, E., Fauler, A., Fiederle, M., Procz, S., Graafsma, H., Ryabkov, S. Chromium-compensated GaAs detector material and sensors. Journal of Instrumentation, Volume 9, Issue 7, 1 July 2014. Article number C07011.

7. Зи С.М. /Физика полупроводниковых приборов, в 2^х книгах. - М.: Мир, 1984. - 912 с.

8. Gain mechanism in GaN Shottky ultraviolet detectors/O. Katz, V. Garber, B. Meyler et. all//APPLIED PHYSICS LETTERS. - 2001. - V.79. NO.10. - P.1417-1419.

8. Kasap S.O., Rowlands J.A. /Direct-conversion flat-panel X-ray image detectors //IEEE Proc.-Cirarits Devices Syst. - 2002. - V.149. - NO.2. - P.85-96.

9. Sun G. C., Bourgoin J. C. et all. /A Comparison Between GaAs and CdTe for X-Ray Imaging //IEEE Trans. Nucl. Sci. - 2004. - V.51. - NO.5. - P.2400-2404.

10. Ламперт М, Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. - М.: Мир, -1973. - 416 с.

Изобретение относится к радиографии, в частности к системам цифрового изображения в рентгеновских и гамма-лучах с помощью многоканальных полупроводниковых детекторов на основе полуизолирующего арсенида галлия. Предложенные конструкция и способ ее изготовления позволяют реализовать принцип внутреннего усиления в многоканальных полупроводниковых детекторах. Полупроводниковый детектор включает формирование полуизолирующей i-области, которая выполнена на основе арсенида галлия, компенсированного хромом, и металлические контакты к ней, при этом между металлическими контактами и i-областью формируют слой полупроводника, например арсенида индия, толщиной менее диффузионной длины электронов, инжектируемых из металлического контакта в i-область, и понижающий высоту потенциального барьера контакта металл-GaAs до энергии теплового равновесия кристалла, kT. Формирование осуществляют путем нанесения слоя индия поверх металлических контактов к i-области и последующего отжига контактов в условиях, достаточных для проплавления первичного металлического контакта. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Полупроводниковый детектор рентгеновского излучения для получения цифрового изображения, включающий полуизолирующую i-область, которая выполнена на основе арсенида галлия, компенсированного хромом, и металлические контакты к ней, отличающийся тем, что между металлическими контактами и i-областью формируется слой полупроводника, например арсенид индия, понижающий высоту потенциального барьера контакта металл-GaAs до энергии теплового равновесия кристалла, kT, толщиной менее диффузионной длины электронов, инжектируемых из металлического контакта в i-область.

2. Способ изготовления полупроводникового детектора рентгеновского излучения по п.1, включающий нанесение слоя индия поверх металлических контактов к полуизолирующей i-области и последующий отжиг контактов в атмосфере молекулярного водорода при температуре 250-400°С в течение 10 минут.