Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 7 Перенос носителей заряда в структуре SiC-детектора после экстремальных доз радиации 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 12 декабря 2005 г. Принята к печати 30 декабря 2005 г.) Исследовалась эффективность переноса заряда в SiC-детекторах после облучения протонами с энергией 8 МэВ при дозе 1014 см-2. По числу первично созданных дефектов режим облучения эквивалентен ожидаемым нарушениям решетки SiC-детекторов при использовании в экспериментах на модернизированном коллайдере ЦЕРНа (SLHC).

Использовалась техника ядерной спектрометрии с тестированием детекторов -частицами с энергией 5.4 МэВ. С учетом произошедшей в ходе облучения глубокой компенсации проводимости SiC предлагается включать структуру в нетрадиционном пропускном направлении. В этом режиме ход напряженности электрического поля по координате детектора оказывается более однородным. Для обработки данных эксперимента предложена наглядная модель транспорта носителей.

PACS: 07.77.Ka; 87.66.Pm 1. Введение диода включается в запорном направлении (в рабочем режиме), и измеряется величина сигнала в функции В последние годы особое внимание уделяется ра- напряжения смещения. В роли тестирующего излучения, диационной стойкости полупроводниковых детекторов как правило, используются -частицы естественного ядерных излучений в области доз релятивистских ча- распада.

стиц 1016 см-2. Такие значения на 2 порядка вели- Глубокая компенсация проводимости, на первый чины превышают апробированные ранее дозы, продик- взгляд, облегчает развитие области объемного заряда тованные сложившейся практикой применения детек- (ООЗ). Последняя служит ДрабочейУ зоной детектоторов. Интерес к работоспособности детекторов при ра, в электрическом поле которой происходит дрейф воздействии доз 1016 см-2 связан с их возможным носителей заряда. Однако следует учесть возможную применением в принципиально значимых эксперимен- трансформацию во времени поля в ООЗ в режиме тах физики высоких энергий. Имеются в виду про- запорного смещения.

граммы, выполняемые в ЦЕРНе на базе Дбольшого Сильное электрическое поле удаляет носители, окаадронного коллайдераУ (LHC) и его модернизации Ч завшиеся в разрешенной зоне, в том числе возникшие за SLHC.

счет термического выброса с уровней дефектов. НаприВ работе описана методика определения пара- мер, электрон с нейтрального в условиях компенсации метров переноса носителей в структуре детектора, донора выбрасывается в зону проводимости. Далее он подвергнутого облучению с указанной выше дозой.

уносится полем во внешнюю цепь, оставляя в ООЗ Эксперимент поставлен с использованием современ- положительно заряженный донор. Одновременно при ных SiC-детекторов, облученных протонами с энерги- запорном смещении контакты блокируют поступление ей 8 МэВ дозой 1014 см-2. Последняя по числу пер- носителей (в нашем примере, Ч электрона) из элеквично выбитых в решетке SiC атомов эквивалентна трической цепи. В итоге в ООЗ происходит раскомдозе 1016 см-2 релятивистских протонов. При таких пенсация, и концентрация заряженных центров может дозах концентрация радиационных центров сравнима с иметь большие на несколько порядков значения, чем исходным содержанием примесей. В результате облу- концентрация носителей, измеряемая по проводимости чения наблюдалось резкое возрастание сопротивления образца.

материала, и дальнейшее рассмотрение ориентировано Сказанное означает, что в условиях больших доз на случай глубокой компенсации проводимости.

электрическое поле в ООЗ, как правило, распределено неоднородно. Эффект отчетливо проявлялся в детекторах на основе компенсированного -облучением 2. Постановка задачи германия и описан авторами [1] в терминах существования в ООЗ областей ДсильногоУ и ДслабогоУ поля.

Традиционно работоспособность детектора опредеОпределению профиля распределения поля емкостными ляется значением эффективности собирания заряда методами препятствует значительное последовательное (CCE Ч charge collection efficiency в англоязычной лисопротивление. Техника переходного тока (ТСТ) [2] тературе). При ее определении детектор со структурой также неэффективна из-за малой толщины пленок SiC E-mail: alexandr.ivanov@mail.ioffe.ru ( 50 мкм).

Перенос носителей заряда в структуре SiC-детектора после экстремальных доз радиации Предлагается для исследования переноса носителей в случае глубокой компенсации проводимости включать структуру детектора в пропускном направлении. В отличие от запорного смещения здесь возможно поступление носителей из внешней цепи и структура в целом близка к случаю высокоомного сопротивления с равномерной напряженностью электрического поля.

3. Формирование сигнала детектора Рассмотрение переноса носителей проведем с учетом их локализации на центрах захвата. Пусть в объеме детектора в произвольной точке y0 происходит погло- Рис. 1. Структура детектора при поглощении в точке yядерной частицы с пробегом R.

щение ядерной частицы (кванта) и образуется трек неравновесных носителей заряда протяженностью R (см. рис. 1). Распределение генерации по треку описывается функцией G(y). В указанной полярности смещения Проведем упрощения, допустимые для нашего случая.

электроны будут дрейфовать влево. При этом до некотоПоложим, что внесенный частицей заряд q0 распрерого сечения x из слоя y продрейфует число носителей, делен в треке равновероятно с линейной плотностью уменьшенное в y G(y) =q0/(eR) =const. Здесь e Ч заряд электрона. При включении в пропускном направлении объемный заряд exp - dx/a отсутствует и напряженность E(x) также постоянна.

x Тогда раз. Интегрируя по треку [y0, y0 + R], получаем функцию n(x), где a =(E )e Ч длина дрейфового смеще- q0 a R x - yn(x) = 1 - exp - exp, (3) ния электронов, Ч подвижность, E Ч напряженность e R a a поля, Ч время жизни носителя до захвата центром:

что уже позволяет после подстановки в (2) получить y0+R y весьма простое выражение для сигнала qe. Однако, dx n(x) = G(y) exp - dy. (1) имея в виду тестирование детектора -частицами, для a y0 x большей наглядности положим, что заряд q0 вносится в сечение детектора при y0 = 2R/3. Это соответствует Величина регистрируемого детектором заряда опредецентру тяжести кривой Брегга, описывающей распреляется тем, какую долю V от приложенной разности деление удельных потерь энергии -частицы на ионипотенциалов V успел пройти носитель до захвата цензацию. Устремляя в формуле (3) протяженность трека тром. Последнее приводит к интегралу R 0 (но не координату генерации y0), получаем для нормированного на q0 зарядаy0+R e qe = n(x)E0(x)dx. (2) 2R/V qe 2R x dx = CCE = exp - exp q0 3a a d Проведя подобные рассуждения для дырок, получаем суммарный заряд q = qe + qh.

a 2R Необходимо отметить, что в формуле (2) фигурирует = 1 - exp. (4) d 3a поле E0, отличное от поля E [см. формулу (1)]. Напряженность E(x) описывает распределение реального Для переноса дырок подобным образом можно полуполя, определяемого существующим в детекторе объемчить (здесь a =(E )h) ным зарядом. Поле E(x) определяет дрейф носителей и длину смещения носителей a =(E ). Необходимость a d 2R новой величины в формуле (2) E0(x) = E(x) связана с qh = 1 - exp - +. (5) d a 3a особенностью индукции. Согласно [3], объемный заряд на индукцию не влияет. Поэтому E0(x) соответствует В итоге полный заряд как функция смещения U конфигурации поля свободного от объемного заряда описывается двумя параметрами P1 =( )e/d2 и конденсатора с идентичной детектору геометрией.1 Изложенный выше подход был предложен в работе [4]. Однако Заметим, если заряд вносится при координате y0 = d, то форв формулах (1) и (2) авторы [4] использовали одинаковое значение мула (4) сводится к известному выражению Хехта [5] qe =(a/d) напряженности поля E. [1 - exp(-d/a)].

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 888 А.М. Иванов, А.А. Лебедев, Н.Б. Строкан P2 =( )h/d2:

q qe + qh 2R = = P1U 1 - exp q0 q0 3dP1U 2R 1 3d + P2U 1 - exp -. (6) P2U 4. Данные эксперимента Техникой ядерной спектрометрии (см. например, [6]) снимались амплитудные спектры сигналов детектора при тестировании его -частицами. Энергия -частиц составляла 5.4 МэВ, а их пробег был равен 20 мкм.

Рис. 2. Эффективность собирания заряда в зависимости от Форма спектра аппроксимировалась гауссианом, и опреприложенного смещения в пропускном направлении. Кружделялись среднее значение и дисперсия распределения ки Ч данные эксперимента; сплошная линия Ч аппроксимация в функции напряжения смещения. В первую очередь по формуле (6) с параметрами согласно таблице.

смещение к детектору прикладывалось в пропускном направлении. Затем для сравнения результатов детектор включался в стандартном режиме (в запорном направлении).

Использовались детекторы, предоставленные в рамках совместных исследований коллаборацией RD-(ЦЕРН). Детекторы были выполнены на полученных доктором Вагнером (IKZ, г. Берлин) пленках 4H-SiC n-типа проводимости. Пленки выращивались на n+-подложках и имели концентрацию нескомпенсированных примесей на уровне 1014 см-3 при толщине 55 мкм. Структуры типа p+-n-n+ создавались имплантацией ионов Al (INFN и Университет г. Перуджа) Как отмечалось, детекторы были облучены дозой 1014 см-2 протонов с энергией 8 МэВ.

Рис. 3. Зависимость разрешающей способности детектора от величины приложенного смещения для двух полярностей.

Полярность: 1 Чпрямая, 2 Чобратная.

Смещение h, см2/B e, см2/B Обратное 1.5 10-8 3.1 10-Прямое 1.1 10-8 1.8 10-В плане сравнения режимов включения показательно поведение разрешающей способности детектора, определяемой как ширина амплитудного спектра на уровне 0.Типичный ход сигнала, нормированного на внесенный от максимума (FWHM). Для гауссовой формы спектра -частицей заряд, от смещения в пропускном направFWHM = 2.35, где Ч дисперсия распределения. На лении приведен на рис. 2. Точка с нулевым значением рис. 3 представлен ход FWHM в функции напряжения CCE при U = 0 введена в согласии с принятой моделью.

смещения для двух режимов. Наглядно проявляется Обработка данных согласно выражению (6) с испольсущественное различие и большой разброс амплитуд зованием операции fittingТa позволила с приемлемой при запорном смещении опять-таки для U < 600 В.

точностью определить величины ( )e и ( )h. Значения указанных параметров для обоих режимов смещения оказались порядка 10-8 см2/В и сведены в таблицу.

5. Обсуждение результатов Отметим, что для запорного смещения аналогичная рис. 2 аппроксимация данных была менее точной. В осо- Приведенные на рис. 2 и 3 данные, на наш взгляд, бенности это относится к области U < 600 В, где значе- следует объяснять с позиций конфигурации электричения заряда уступали расчетным. Что касается больших ского поля. Основная предпосылка включения структуры величин при запорном включении (см. таблицу), детектора в пропускном направлении заключалась в то возможные причины в настоящее время рассматри- достижении однородного поля E(x) =const. В соответваются. ствии с ожиданием данные рис. 2 ложатся на кривую Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Перенос носителей заряда в структуре SiC-детектора после экстремальных доз радиации формулы (6), полученной в допущении E = const. Сов- В методическом плане отметим, что возможность падение наблюдается во всем диапазоне напряжений, определения субнаносекундных времен жизни связана с включая U < 200 В и введенную точку U = 0. измерением внесенного в детектор заряда, т. е. с интегральным характером методики [6].

Для режима запорного смещения выше отмечалось занижение от расчетных значений данных опыта при Работа частично поддержана грантом президента РФ U < 600 В. Последнее можно объяснить, согласно [1], № НШ-2223.2003.02, а также со стороны исследований характерной неоднородностью поля E(x) по глубине по программам коллаборации RD-50 (CERN).

детектора. Неоднородность возникает при термической ионизации центров в ООЗ и приводит к появлению Список литературы областей ДсильногоУ и ДслабогоУ поля. На первой падает приложенное к детектору напряжение U, в то время как [1] S.M. Ryvkin, L.L. Makovski, N.B. Strokan, V.P. Subashieva, напряжение на второй не превышает контактной разноA.K. Khusainov. IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-15, № 3, сти потенциалов. При повышении U область ДсильногоУ (1968).

поля расширяется и может охватить всю глубину ООЗ.

[2] V. Eremin, N. Strokan, E. Verbitskaya, Z. Lee. Nucl. Instrum.

По-видимому, подобная ситуация и наблюдается в образMeth., A372, 188 (1996).

це, причем пограничным значением служит U = 600 В.

[3] В.К. Еремин, С.Г. Даненгирш, Н.Б. Строкан, Н.И. Тиснек.

ФТП, 8, 556 (1974).

Зависимость ширины спектральной линии от сме[4] G.L. Miller, W.M. Gibson. Nucl. Electron., 1, 477 (1962).

щения (см. рис. 3) согласуется со сказанным выше.

[5] K. Hecht. Z. Phys., 77, 235 (1932).

Существенный разброс собираемого заряда (большие [6] Н.Б. Строкан, А.М. Иванов, А.А. Лебедев, M. Syvjrvi, величины FWHM) при U < 600 В дополняет картину, R. Yakimova. ФТП, 39 (12), 1443 (2005).

указывая на значительную неоднородность поля также [7] Н.Б. Строкан, А.М. Иванов, Н.С. Савкина, А.А. Лебедев, и по площади детектора.

В.В. Козловский, M. Syvjrvi, R. Yakimova. ФТП, 38, В количественном плане полученные средние (из та(2004).

блицы) значения 2 10-8 см2/В при подвижности [8] A. Castaldini, A. Cavallini, L. Rigutti, F. Nava, S. Ferrero, F. Giorgis. J. Appl. Phys., 98, 053 706 (2005).

102 см2/В с соответствуют временам жизни носите[9] N.B. Strokan, A.M. Ivanov, N.S. Savkina, A.A. Lebedev, лей 0.2нс.

V.V. Kozlovski, M. Syvjrvi, R. Yakimova. Mater. Sci. Forum, 483Ц485, 1025 (2005).

[10] V.V. Kozlovski, E.V. Bogdanova, V.V. Emtsev, K.V. Emtsev, 6. Заключение A.A. Lebedev, V.N. Lomasov. Mater. Sci. Forum, 483Ц485, 385 (2005).

В ходе облучения в SiC-детекторы были введены Редактор Л.В. Беляков первичные радиационные дефекты в значительной концентрации 4 1016 см-3 [7]. В результате произошла глубокая компенсация проводимости, и удельное сопротив- Transport of the charge carriers ление материала составило 5 1012 Ом см. Включение in structure of the SiC detector under облученной структуры в пропускном направлении обесextremal radiation fluence печило более однородное распределение электрического A.M. Ivanov, A.A. Lebedev, N.B. Strokan поля в объеме образца. Это позволило при обработке данных эксперимента использовать упрощенную модель Ioffe Physicotechnical Institute переноса носителей. В итоге были определены величиRussian Academy of Sciences, ны 2 10-10 c, что соответствует сечениям захвата 194021 St. Petersburg, Russia носителей 10-14 см2. Введение центров с сечениями такого порядка величины наблюдалось в 4H-SiC при

Abstract

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам