Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 10 Влияние экстремальных доз радиации на характеристики SiC-детекторов ядерных частиц й А.М. Иванов, А.А. Лебедев, Н.Б. Строкан Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 24 января 2006 г. Принята к печати 31 января 2006 г.) Выполненные на основе современных CVD-пленок SiC детекторы облучались протонами с энергией 8 МэВ при дозе 3 1014 см-2. Концентрация первично введенных дефектов составила 1017 см-3, что на 3 порядка величины превысило содержание исходных нескомпенсированных доноров. Наступившая глубокая компенсация проводимости позволила проводить измерения характеристик детекторов в двух режимах включения Ч обратном и прямом направлении.

Основные характеристики сравнительно с дозой 1 1014 см-2 ухудшались не более чем в 1.7 раза. Однако наблюдалось возникновение эдс поляризации, что указывает на накопление радиационными дефектами объемного заряда.

PACS: 85.60.Gz 1. Введение Детекторы были выполнены на полученных в IKZ (Berlin) пленках 4H-SiC n-типа проводимости. Пленки В последние годы существенное внимание уделяется выращивались на n+-подложках и имели концентрацию радиационной стойкости детекторов ядерных излучений нескомпенсированных примесей на уровне 1014 см-3 при в области доз релятивистских частиц 1016 см-2. Эти толщине 55 мкм. Структуры типа p+ЦnЦn+ создавались величины на 2 порядка превышают дозы, исследованные имплантацией ионов Al в DIEI (Perugia).

ранее. В этой связи интенсивно изучаются особенно- Для тестирования детекторов использовались -чассти поведения традиционных кремниевых детекторов, тицы естественного распада с энергией 5.4 МэВ и проа также возможности применения новых материалов. бегом 20 мкм. Измерительная установка была станВ качестве последних следует отметить бинарные по- дартной для ядерной спектрометрии. Она включала лупроводники SiC и GaN [1]. зарядочувствительный предусилитель, усилитель с реВ работе [2] нами исследовались SiC-детекторы по- гулируемой полосой пропускания (оба блока фирмы ORTEC), а также плату аналогоЦцифрового конвертора, сле облучения протонами с энергией 8 МэВ и дозой 1 1014 см-2. По числу первично созданных радиаци- сочлененную с компьютером. Плата была разработана в ПИЯФе (РАН) и позволяла наблюдать амплитудные онных дефектов такое воздействие эквивалентно дозе 1016 см-2 протонов с энергией 1 ГэВ [3,4]. Отмеча- спектры при числе каналов 4000.

ось, что, несмотря на снижение амплитуды сигнала, Измерялись две основные характеристики: величина работоспособность детекторов сохраняется. Настоящая средней амплитуды сигнала и значение разрешающей работа является продолжением исследований [2] в плане способности по энергии (FWHM,%). Нормировкой на больших радиационных нагрузок. Детекторы были до- внесенный частицей заряд находилась величина эф полнительно облучены до суммарной дозы протонов фективности собирания заряда (CCE). Измерения характеристик проводились при комнатной температуре 3 1014 см-2.

в зависимости от напряжения смещения. При этом детектор включался в двух направлениях: традицион2. Постановка задачи и условия ном Ч обратном (Urev) и, дополнительно, Ч в прямом (Uforw). Последний режим был возможен благодаря эксперимента глубокой компенсации проводимости пленки SiC. Его использование обусловлено развитыми в предшествуюИспользовались образцы, предоставленные коллабощей работе [2] соображениями о большей однороднорацией RD-50 в рамках совместных исследований стойсти распределения в объеме детектора электрического кости SiC-детекторов. Программа в целом ориентиполя.

рована на выяснение радиационной границы их работоспособности. Последнее важно для оценки возможности применения SiC-детекторов в эксперимен3. Данные эксперимента тах, планируемых в ЦЕРНе на базе Дбольшого адронного коллайдераУ (LHC) и его модернизации Ч 3.1. Полученные величины CCE в функции напряSLHC.

жения U обозначены на рис. 1 крупными значками.

E-mail: alexandr.ivanov@mail.ioffe.ru Наблюдаемая зависимость хорошо аппроксимируется 1260 А.М. Иванов, А.А. Лебедев, Н.Б. Строкан ниям Uforw = 265 В и Urev = 264 B (для предшествующих запорного и пропускного направлений U).

Очевидно, что в течение измерений происходила так называемая ДполяризацияУ образца с образованием ДвнутреннегоУ поля. Возникающая при этом разность потенциалов направлена противоположно прикладываемому напряжению, следовательно, значения U по оси абсцисс рис. 1 нуждаются в коррекции. В качестве первого приближения была использована поправка типа ( U/ t)t = Upol. Здесь U Ч возникшая к концу измерений эдс поляризации, t Ч полный интервал времени измерений, t Ч время данного измерения, отсчитываемое от начала всего цикла.

Рис. 1. Эффективность собирания заряда для двух направforw, rev, CCEforw, CCErev, лений смещения структуры детектора. Крупные значки Ч 10-8 см2/В 10-8 см2/В 1кВ 1кВ эксперимент; меньший формат Ч учет поправки (см. текст).

Доза, 1014 см-2 1 3 1 3 1 3 1 Кружки и квадраты Ч обратное и прямое направления соЭлектроны 1.8 1.3 3.1 0.ответственно. Сплошные линии Ч аппроксимация согласно Дырки 1.1 0.27 1.5 1.4 0.56 0.32 0.73 0.формуле (1). Численные значения см. в таблице.

Полученные таким образом новые значения CCE полученным в [2] выражением:

(U - Upol) обозначены на рис. 1 малыми значками. После аппроксимации кривыми согласно зависимости (1) были 2R CCE = P1U 1 - exp - получены большие величины ( ), чем при обработке 3dP1U непосредственных измерений. Сопоставление получен2R 1 - ных таким путем значений с данными [2] после дозы 3d + P2U 1 - exp -. (1) 1 1014 см-2 приведено в таблице.

P2U 3.2. Амплитудные спектры имели форму, близкую к гауссовой. Разрешение по энергии (см. рис. 2) соЗдесь параметры P1 и P2 определены как отношения произведений подвижности () и времени жизни ( ) носителей к толщине пленки d = 55 мкм. Для прямого смещения P1 =( )e/d2 и P2 =( )h/d2, где значки e и h относятся соответственно к электронам и дыркам.

В случае обратного смещения индексы параметров следует поменять местами: P2 =( )e/d2 и P1 =( )h/d2.

При выводе (1) полагалось, что генерируемый -частицей заряд сосредоточен в точке, отстоящей от электрода (Двходного окнаУ) на две трети пробега частицы y0 = 0.66R. Подчеркнем также, что формула (1) получена для случая захвата носителей заряда в ходе их дрейфа к электродам детектора путем локализации (ДприлипанияУ). Второй возможный канал потерь неравновесного заряда Ч непосредственная рекомбинация пар электронЦдырка Ч выражением (1) не учитывается.

Формально возможно остановиться на величинах ( ), получаемых путем ДfittingТaУ данных опыта. Однако была установлена следующая особенность формирования сигнала. После окончания измерений и снятия Рис. 2. Разрешающая способность по энергии для двух напряжения U продолжал наблдаться сигнал, но пронаправлений смещения структуры детектора. Кружки и квадтивоположной полярности. Поясним, что напряжение U раты Ч обратное и прямое направления соответственно.

в соответствии с принятым стандартом последовательРомб и треугольник Ч значения после снятия обратного и но возрастало от малых значений к большим. Врепрямого смещений. Индекс 1 Ч то же после релаксации мя снятия всей зависимости составляло около 30 мин.

эдс поляризации в течение 4 мин. Вставка Ч разрешающая В этих условиях амплитуда наблюдаемого к моменту способность после дозы 1014 см-2. Кривые 1, 2 Чобратное снятия напряжения U сигнала соответствовала смеще- и прямое направления соответственно.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние экстремальных доз радиации на характеристики SiC-детекторов ядерных частиц Из выражения (2) следует, что наблюдаемый на опыте разброс амплитуд сигнала однозначно связан с вариацией значений пробега носителей a = E при их дрейфе в поле с напряженностью E. Для получения формы спектра надо найти в аналитическом виде выражение dN/dq = f (q). Здесь dN Ч число случаев на интервале значений dq, q Ч величина зарегистрированного заряда, нормированная на заряд, внесенный частицей. Используя развитый в [5] подход, запишем dN dN da =. (3) dq da dq Таким образом, задача сводится к определению распределения длин пробега dN/da, поскольку второй сомноРис. 3. Амплитудные спектры для переноса заряда в поле житель находится из (2). Примем, что функция dN/da эдс поляризации детектора. 1, 3 и 2, 4 Ч после снятия описывается гауссианом прямого и обратного смещений соответственно. Интервал между измерениями 1, 2 и 3, 4 Ч4 мин. -(a-a0)exp dN =. (4) da ставляло FWHM 10% (для напряжений, больших ки- Основанием служит одно из свойств гуассиана. Имен ловольта). Таким образом, по сравнению с представ- но распределение Гаусса является наиболее вероятным, когда отклонения величины от среднего не превышают ленными в [2] результатами произошло ухудшение не само среднее значение (a0). Это означает, что принимаболее 1.5 раза.

ется |a - a0| < a0. Дисперсия распределения связана Особый интерес вызывает формирование спектров в со значением абсолютной ширины спектра на уровне 0.условиях дрейфа носителей в поле эдс поляризации как FWHM = 2.35. Обозначив относительное разре(Upol) (внешнее U = 0). На рис. 3 представлены спектры шение для спектра (4) как FWHM, % = a/a0,%, для сигнала, когда Upol возникло в ходе цикла измерений при искомого распределения амплитуд сигнала детектора смещениях обоего знака. Спектры 1 и 2 соответствуют получаем моменту снятия Uforw и Urev, а спектры 3 и 4 были запи a - -саны по прошествии 4 мин. Экспозиция занимала 150 с.

aexp a Видно, что оба спектра 3 и 4 сместились в сторону 0.dN a aменьших амплитуд, что указывает на релаксацию эдс =. (5) dq a0 q - exp - d поляризации. Однако форма и значения FWHM обоих a спектров сугубо отличны.

Выражение (5) позволяет строить семейство спекВ варианте предшествующего Uforw (кривые 1, 3) тров при вариации параметров a0/d и a/a0. Первый симметричная форма линии сохраняется и величины определяет значение собираемого в детекторе заряда, FWHM,% практически совпадают. Это означает, что второй Ч неоднородность условий их дрейфа.

при релаксации Upol во времени однородность условий Наиболее интересен случай переноса при поляризапереноса носителей не ухудшалась. При снятии Urev ции образца. Выше, как показательный результат, от(кривые 2 и 4) величина FWHM,% существенно возрасмечалась симметричная форма наблюдаемой спектральтает и линия становится асимметричной.

ной линии (см. рис. 3, исходные спектры 1 и 2).

Показательно, что величина FWHM,% всех 4 спекПостроение расчетных спектров приведено на рис. 4.

тров, снятых в условиях Upol, практически совпала с Неоднородность условий переноса a/a варьировалась таковой для аналогичных значений ДвнешнегоУ U (см.

в интервале (50Ц200)%. Величина нормированного закрупные значки на рис. 2).

ряда принята q = 0.125, что соответствует среднему 3.3. Для количественной оценки фактора однород- значению в экспериментальных спектрах 1 и 2 рис. 3.

ности рассмотрим упрощенную модель формирования Для сопоставления с расчетом спектры 1 и 2 приведены амплитудного спектра. Допустим, что генерация носи- к среднему значению q = 0.125.

На рис. 4 наглядно прослеживается, как с ростом телей происходит вблизи Двходного окнаУ детектора и значений a/a0 происходит трансформация спектральв переносе заряда участвуют носители одного сорта.

ной линии. Если при удвоении a/a0 от начального В таком случае зависимость (1) сводится к функции.

уровня 50% до 100% симметричная форма сохраняется, то следующий шаг ( a/a0 = 150%) приводит к потере a d q = 1 - exp -. (2) симметрии.

d a Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1262 А.М. Иванов, А.А. Лебедев, Н.Б. Строкан 3.2 1013 см-2) возникают центры с сечением захвата до 10-14 см2. Введение глубоких центров, расположенных вблизи середины запрещенной зоны, с подобными сечениями захвата отмечалось также в [3].

2) Облучение дозой 3 1014 см-2 привело также к нивелированию различий характеристик детектора при прямом и обратном смещениях. Так, величина Upol оказывается для обоих режимов одинаковой ( 265 В). Существенное различие в зависимости разрешения от смещения, характерное для дозы 1 1014 см-2 (см. фрагмент рис. 2), заметно сгладилось. Более того, разрешение на участке малых смещений (до U 250 В) для Uforw стало уступать таковому при смещении Urev в противоположность последствиям дозы 1 1014 см-2. Различие наблюдается лишь в спектрах релаксирующей Upol (см. рис. 3, Рис. 4. Расчетная и наблюдаемая в условиях эдс полякривые 3, 4). Размытие спектра здесь происходит сущеризации формы спектральной линии детектора. Кривые 1, ственнее, если эдс была образована в режиме Urev.

2 Ч совмещенные спектры для эдс после снятия прямого и 3) Концентрация первично введенных дефектов, сообратного смещений соответственно. Кривые 3Ц6 Ч расчет гласно расчетам [4], составила 1.2 1017 см-3, что на при неоднородности a/a0,%: 3 Ч 50, 4 Ч 100, 5 Ч 150, 3 порядка превышает исходное значение для неском6 Ч 200. Фрагмент Ч зависимость разрешения от неоднопенсированных доноров. Следует отметить, что резульродности длины дрейфового смещения. Сплошная линия Ч тирующие центры захвата носителей (возникшие на расчет, кружки Ч данные эксперимента. 1, 2 Чпосле снятия основе первичных и вторичных дефектов) распределены прямого и обратного смещений соответственно.

в объеме достаточно однородно.

Первое указание состоит в малой величине разброса длин дрейфа. Разброс не превышал 30% даже при Данные расчета также показывают, что при симметпереносе заряда в поле относительно низких Upol. Покаричной форме спектра выполняется соотношение для зательная и симметричная форма амплитудных спектров ширины линии: FWHM a/a0 (см. фрагмент рис. 4).

рис. 3 (кривые 1Ц3). Это свидетельствует об отсутствии Сопоставляя наблюдаемую на опыте ширину линии с скоплений центров захвата носителей. Выступая в роли расчетной, получаем для спектров 1Ц3 рис. 4 значекрупномасштабных ловушек, скопления должны харакние a/a0 30%. Последняя указывает на достаточно терным образом [7] исказить левое крыло спектра.

высокую однородность переноса носителей в условиях 4) Получаемые в непосредственных измерениях вепроизошедшей поляризации.

ичины CCE зависят от дозы сублинейно. Так, при трехкратном росте дозы их значения снижаются всего 4. Обсуждение результатов в 1.70 и 1.75 раза для режимов обратного и прямого включений (см. таблицу, где результаты работы сопо1) Приведенные выше данные показали, что повы- ставлены с данными [2] после дозы 1014 см-2).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам