Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 1 Нестабильность характеристик SiC-детекторов, подвергнутых экстремальному воздействию ядерных частиц й А.М. Иванов, Н.Б. Строкан, Е.В. Богданова, А.А. Лебедев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 31 мая 2006 г. Принята к печати 19 июня 2006 г.) Изучались особенности работы детекторов, подвергнутых облучению протонами с энергией 8 МэВ и дозой 3 1014 см-2. Детекторы были выполнены на базе современных CVD-пленок 4H-SiC n-типа проводимости, имеющих концентрацию нескомпенсированных доноров 2 1014 см-3 при толщине 55 мкм.

Высокая концентрация первично введенных дефектов ( 2 1017 см-3) обусловила глубокую компенсацию проводимости пленки.

Обнаружена нестабильность во времени основных характеристик детекторов Ч амплитуды импульса и разрешающей способности. Эффект связан с долговременным захватом неравновесных носителей на радиационные центры и, как следствие, возникновением в объеме детектора эдс поляризации.

Проанализирована кинетика установления стационарных значений указанных выше величин.

PACS: 61.80.-x, 61.82.Fk, 61.82.-d, 72.20.Jv 1. Введение характеристик прибора. Основное внимание уделялось кинетике как амплитуды сигнала детектора, так и эдс В последние годы большое внимание уделяется по- поляризации.

вышению радиационной стойкости полупроводниковых детекторов. Проводится аппробация новых исходных 2. Условия и задачи эксперимента материалов, способных конкурировать с кремниевыми детекторами, занимающими в настоящее время ведуВ работе использовались образцы, предоставленщее место среди детекторостроения. Наиболее перные коллаборацией PD-50 (ЦЕРН) в рамках совспективными представляются алмаз, а также бинарместных исследований радиационной стойкости SiC-деные полупроводники SiC и GaN [1]. Непосредствентекторов. Детекторы были изготовлены на осноный интерес к этим исследованиям связан с экспеве эпитаксиальных 4H-SiC-пленок n-типа проводимориментами на базе ДБольшого адронного коллайдераУ сти, выращенных в IKZ (Berlin). Рост пленок тол(LHC), стартующими в ЦЕРНе (Швейцария) в 2007 гощиной 55 мкм при концентрации нескомпенсированду. Предполагаемая в ходе экспериментов радиационных примесей ND - NA 2 1014 см-3 осуществлялная нагрузка составит 1015 см-2 релятивистских чася на подложках n+-типа. Выполнявший роль входстиц, а после модернизации коллайдера доза возрастает ного окна p+-n-переход создавался имплантацией до 1016 см-2.

ионов Al в CNR-IMM (Bologna). После имплантации В настоящей работе исследовались SiC-детекторы пообразцы отжигались 30 мин при 1600C.

сле облучения протонами с энергией 8 МэВ и дозой Для определения спектрометрических характеристик 3 1014 см-2. Как отмечалось в [2], такое воздействие детекторов использовались -частицы естественного по числу первично выбитых атомов Ч primary knocked распада с энергией 5.4 МэВ (пробег 20 мкм). Измереatoms (PKA) эквивалентно дозе 3 1016 см-2 релятиния проводились в интервале от комнатной температуры вистских протонов. Это расхождение объясняется падо 70C на стандартной для ядерной спектрометрии дением с ростом энергии протона дифференциального установке [5]. В результате получали форму спектральсечения взаимодействия с атомами кремния и углерода.

ной линии, энергетическое положение максимума лиКонцентрация введенных PKA составляет значительнии (E) и ширину линии на уровне 0.5 от максимального ную величину 2 1017 см-3 [3]. В результате наблюзначения (FWHM). Кроме того, в диапазоне температур дается глубокая компенсация проводимости использу295-700 K измерялись сопротивление базы и емкость емого SiC. В детекторах происходила трансформация p+-n-перехода. Емкость определялась на частоте 1 кГц электрического поля, проявлявшаяся в падении сигнала с помощью автоматизированного измерителя иммитанв ходе измерения спектрометрических характеристик.

са Е7-14.

При сбрасывании рабочего напряжения наблюдалась Нормировкой сигнала E на энергию падающей -часэдс поляризации, направленная противоположно ранее тицы находилась величина эффективности собирания заприложенному к детектору напряжению [4].

ряда (CCE = E/E). Вторая характеристика Ч разрешеДалее приводятся результаты температурных измерение по энергии Ч определялась отношением FWHM/E.

ний непосредственно детекторных и электрофизических Сильное облучение вызвало компенсацию проводимо E-mail: alexandr.ivanov@mail.ioffe.ru сти в n-области используемой структуры типа p+-n-n+.

118 А.М. Иванов, Н.Б. Строкан, Е.В. Богданова, А.А. Лебедев Как следствие, емкость структуры не зависела от напряжения смещения и соответствовала геометрической.

В работах [6,7] отмечалась позитивная роль радиационного воздействия. В нашем случае глубокая компенсация позволила активно использовать нетрадиционный режим включения детектора в прямом направлении (Uforw).

Его достоинство сравнительно с режимом обратного смещения (Urev) состоит в потенциально большей однородности распределения электрического поля в объеме детектора [8].

Для практики решающее значение имеет долговременная стабильность параметров детектора. Поскольку в [4] было обнаружено ухудшение спектрометрических свойств детектора в ходе работы, основное внимание уделялось динамике характеристик и времени достижеРис. 2. Изменение во времени величины сигнала (1) и ния стационарных значений.

эдс поляризации (2). К детектору прикладывалось прямое смещение 455 В.

3. Экспериментальные результаты (характеристики детекторов) смещения до Uforw = 800 В возможно замедлить падеНа рис. 1 представлена зависимость величины CCE на ние CCE при сохранении линейности во времени.

начальном отрезке времени от момента подачи напряВеличина FWHM отражает размытие спектральной жения смещения (t = 0). Измерения выполнялись при линии. По этой характеристике режим Uforw преимуобеих полярностях смещения и комнатной температуре.

щества не привносит (см. кривые 1 и 2 на вставке к После включения напряжение на детекторе не измерис. 1). Отметим, что первые 100 с разрешение вполне нялось, и в конкретные моменты времени набирался приемлемо и составляет 10%. Аналогично поведению спектр при экспозиции 15 с. Из рисунка видно, что в значений CCE при Uforw = 800 В темп падения разрешекаждом последующем измерении происходит уменьшения понижается.

ние сигнала детектора. Для регистрируемого спектра Долговременные измерения сигнала с достижением это означает смещение положения спектральной линии стационарных значений, а также по влиянию темпев область меньших энергий.

ратуры проводились в режиме Uforw. Режим позволяет Для обратного смещения падение сигнала происходит определить характер проводимости ДрабочейУ области более существенно, чем в режиме Uforw (см. кривые 1 и детектора путем измерений сопротивления базы. Кроме для U = 550 В). Второе отличие состоит в нелинейном того, релаксация сигнала на рис. 1 имеет более простой характере зависимости в случае Urev, в то время как вид.

для Uforw выполняется линейный закон. Увеличением На рис. 2 представлен ход сигнала, выраженного в единицах энергии E после приложения к детектору Uforw = 455 В. Однако в отличие от постоянства смещения в случае рис. 1 после определения E(ti) в некоторый момент ti напряжение снималось. При экспозиции 100 с ti измерялся сигнал, обусловленный эдс поляризации Epol(ti). Далее образец выдерживался без напряжения до спадания сигнала Epol к нулевому уровню и вновь подавалось Uforw = 455 В. После окончания очередного интервала времени [0, ti] процедура измерений значений E(ti) и Epol(ti ) повторялась. Наибольшее время выдержки детектора при Uforw = 455 В составило 2 ч.

Снятые в указанных условиях зависимости описываются экспонентами с постоянной времени 15 мин.

огично процесс установления величины сигнала связать с перезарядкой глубоких радиационных дефектов.

В свою очередь перезарядка формирует распределение в детекторе электрического поля. В такой общей модели Рис. 1. Динамика изменения во времени эффективности собивремя установления должно существенно зависеть от рания заряда и разрешающей способности детектора (вставка).

температуры. На рис. 3 приведен ход падения сигнала Смещение: 1 Ч обратное 550 В; 2, 3 Ч прямое 550 и 800 В при нагревании детектора до 55 и 80C. Исходное смесоответственно.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Нестабильность характеристик SiC-детекторов, подвергнутых экстремальному воздействию... ждение треков в выделенном микрообъеме детектора можно представить в виде цуга -импульсов, разделенных промежутком времени t =(Sdet/Str)/. Здесь Sdet и Str Ч соответственно площадь детектора и трека, Ч частота падения -частиц.

Заполнение уровня установится, когда число захваченных из очередного трека носителей сравняется с числом возвращенных вновь в зону за промежуток t. Таким образом, важной характеристикой уровня становится величина времени выброса захваченных носителей.

4.1. Температурный ход емкости В качестве первого шага в анализе природы дефектов в облученных образцах были проведены измерения Рис. 3. Изменение во времени величины нормированного на емкости от температуры. Однако характерных Дстумаксимальное значение сигнала при нагреве образца. ТемперапенекУ (см., например, [9], где радиационные уровни тура, C: 1 Ч 80, 2 Ч 55. Прямое смещение 455 В. Вставка Ч создавались облучением электронами) кривые рис. 4 не релаксация эдс поляризации, возникшей при 80C после эксимели. Наблюдаемое возрастание емкости при 600 K позиции 30 мин. Постоянная времени составляет 5 мин.

также затруднительно связать с реальными глубокими уровнями.

Полученный ход Cm(T ) объясняется влиянием послещение составило Uforw = 455 В. На вставке представлена довательного высокого сопротивления базы (R), комрелаксация сигнала Epol от стационарного значения, пенсированной радиационными дефектами [10,11]. При возникшего при 80C ко времени 30 мин. Характерным нагревании R монотонно уменьшается, что позволяет, является существенно меньшая величина Epol сравнилишь начиная с определенных температур, корректно тельно с комнатной температурой и ускоренный ход измерять емкость мостовым методом. Таким образом, релаксации (рис. 2). Уменьшилась и постоянная времени зависимость Cm(T ) в значительной степени определярелаксации основного сигнала: 15 мин при комнатной ется R(T ). Конкретный вид функции, согласно [12], температуре и 4 мин при 80C.

представляется как C Cm =, (1) 4. Обсуждение результатов (1 + R/Rp-n)2 + 2R2CВыше отмечалось, что условия транспорта носителей где C(T ) и Rp-n Ч соответственно емкость и сопров рабочем объеме детектора изменяются во времени.

тивление обратно смещенного p+-n-перехода, Ч Возникает эдс, направленная противоположно прилокруговая частота измерительного сигнала.

женному извне напряжению. Наиболее вероятная причина эдс Ч перезарядка радиационных глубоких центров.

В этой связи общая схема поляризации представляется следующей.

При приложении прямого смещения вольт-амперная характеристика линейна, что позволяет оценить концентрацию электронов в c-зоне (n) исходя из плотности тока (J): J = enE. Здесь e Ч заряд электрона, Ч подвижность, E Ч напряженность электрического поля. Оценка при комнатной температуре дает n 3 102 см-3. Падающая частица образует трек электронно-дырочных пар с плотностью, превышающей на 10 порядков указанную величину n. Поэтому в охватываемом растекающимся треком объеме детектора будет происходить интенсивное заполнение уровней.

Поскольку пары разделяются полем и дрейфуют к противоположным электродам, захват носителей приводит Рис. 4. Температурные зависимости емкости детектора для к появлению объемных зарядов. При этом дырки будут двух образцов. Кривые 1, 2 Ч эксперимент при обратном располагаться у отрицательного электрода (катода), а смещении 5 В; 3 Ч расчет по формуле (1). Вставка Ч электроны Ч у положительного контакта (анода). Ро- температурный ход сопротивления базы.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 120 А.М. Иванов, Н.Б. Строкан, Е.В. Богданова, А.А. Лебедев Располагая независимо функцией R(T ), возможно найти непосредственно вид C(T ). Зависимость сопротивления базы R(T ) находилась из вольт-амперных характеристик при Uforw (см. вставку на рис. 4). Температурный ход описывается экспонентой с энергией активации A = 1.12 эВ. Подобная зависимость со значениями A в диапазоне 0.6-1.25 эВ в интервале доз 6 1014-2 1016 см-2 наблюдалась в работе [11].

Расчет C(T ) проводился по формуле (1) в приближении Rp-n R с использованием измеренных значений Cm(T ) и R(T ). Оказалось, что C(T ) также не имеет ступенек и, более того, полностью повторяет ход Cm(T ) (см. рис. 4, сплошная кривая). Таким образом, в наших условиях на участке возрастания емкости сопротивление Рис. 5. Рассчитанные по формуле (2) зависимости от темпебазы влияния не оказывает, а величина ND - NA достиратуры постоянных времени термической ионизации глубоких гает значения 3 1016 см-3.

центров. Глубина залегания от дна зоны проводимости, эВ:

1 Ч 0.72, 2 Ч 0.76, 3 Ч 0.96, 4 Ч 1.09, 5 Ч1.0, 6 Ч1.5.

4.2. Глубокие уровни Параметры для уровней взяты согласно [13,14].

Для связи эффекта поляризации с радиационными глубокими центрами были привлечены данные, полученные в литературе для образцов также 4H-SiC n-типа проводи- характерные постоянные времени (5-15) мин, невозможно связать с глубокими центрами из приведенномости [13,14]. В этих работах дефекты создавались при го набора уровней. Заметим, что положение глубоких облучении протонами с энергией 6.5 либо 8 МэВ, но в условиях меньшей компенсации проводимости. Это поз- уровней может отличаться в областях повышенного содержания дефектов на границах p+-n и n-n+ исслеволило выполнить DLTS-измерения и выявить в общей дуемой p+-n-n+-структуры. Тогда изменится и набор сложности 10 уровней, обменивающихся электронами с постоянных времени перезарядки центров.

c-зоной.

В первую очередь рассмотрим наиболее глубокие центры, постоянная времени ионизации которых при 4.3. О природе эдс поляризации комнатной температуре соответствовала бы наблюдаемым нами временным изменениям: Изложенные в разд. 2 результаты позволяют предположить, что основной вклад в эдс поляризации вносит exp(Ei/kT ) накопление дырок на уровнях дефектов. В этом случае =. (2) vthnNc релаксация эдс поляризации определяется захватом на вакантные места электронов из обеих разрешенных зон.

Здесь Ei Ч глубина залегания центра в запрещенной Постоянную времени процесса можно представить как зоне, k Ч постоянная Больцмана, vth и n Чтепловая 1/rel = nvth[n + P exp(-Ei/kT)], где Pv Ч плотv скорость и сечение захвата электрона, Nc Ч эффективность состояний в валентной зоне.

ная плотность состояний в зоне проводимости.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам