Полупроводниковый детектор заряженных частиц на основе арсенида галлия

 

Использование: полупроводниковое и ядерное приборостроение. Сущность изобретения в полупроводниковом детекторе заряженных частиц на основе арсенида галлия, содержащем подложку из арсенида галлия, на противоположных сторонах которой выполнены слои из материалов n⁺ и p⁺ типов проводимости и металлические электроды, ориентация кристалла арсенида галлия выбрана (100), поверх слоя из материала n⁺ типа проводимости сформирован дополнительный слой из материала с относительным изменением параметров решетки da/a большим, чем у подложки, а слой из материала p⁺ проводимости выполнен из материала с относительным изменением параметров решетки меньшим, чем у подложки, причем толщины и состав дополнительного слоя и слоя из материала p⁺ типа проводимости выбраны таким образом, чтобы механические напряжения в подложке не превышали критического значения, выше которого образуются дислокации несоответствия. В качестве материала дополнительного слоя поверх слоя из материала n⁺ типа проводимости может быть использован материал с относительным изменением параметров решетки dа/а = +(1-5)10^-4. В качестве материала дополнительного слоя поверх слоя из материала n⁺ типа проводимости использован твердый раствор In_xGa_1-xAs с 0<x<1. В слое из материала p⁺ типа проводимости использован углерод в качестве акцепторной примеси с концентрацией N_A = 10¹⁹см^-3. В слое из материала n⁺ типа проводимости в качестве донорной смеси использован германий с концентрацией N_d = 10¹⁸см^-3. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области полупроводникового и ядерного приборостроения и, в частности к области изготовления детекторов заряженных частиц с прецизионным пространственным разрешением и может быть использовано в ядерной технике на мощных ускорителях для сверхточных измерений координат заряженных частиц в условиях повышенного радиационного излучения.

Известны полупроводниковые стриповые детекторы на основе кремния [1] для прецизионной пространственной регистрации заряженных частиц. Недостатками таких детекторов являются их невысокие эффективность регистрации и радиационная стойкость, при которой они выходят из строя уже при поглощенной дозе 5 Мрад.

Наиболее близким к изобретению является полупроводниковый детектор [2] заряженных частиц на основе арсенида галлия, содержащий подложку из арсенида галлия, на противоположных сторонах которой выполнены слои из материала n⁺ и p⁺ типов проводимости и металлические электроды.

Недостатками такого устройства также являются невысокие эффективность регистрации и радиационная стойкость.

Задачей изобретения является повышение эффективности регистрации заряженных частиц за счет увеличения числа собранных носителей заряда и улучшения отношения сигнал/шум.

Задача решается тем, что ориентация кристалла арсенида галлия выбрана <100>, поверх слоя из материала n⁺ типа проводимости сформирован дополнительный слой из материала с относительным изменением параметров решетки da/a большим, чем у подложки, а слой из материала p⁺ проводимости выполнен из материала с относительным изменением параметров решетки меньшим, чем у подложки, причем толщины и состав дополнительного слоя и слоя из материала p⁺ типа проводимости выбраны таким образом, чтобы механические напряжения в подложке не превышали критического значения, выше которого образуются дислокации несоответствия. При этом в качестве материала дополнительного слоя поверх слоя из материала n⁺ типа проводимости использован материал с относительным изменением параметров решетки dа/а +(1-5)10^-4, в качестве материала дополнительного слоя поверх слоя из материала n⁺ типа проводимости использован твердый раствор In_xGa_1-xAs с 0<x<1, а в качестве материала слоя из материала p⁺ типа проводимости использован углерод в виде акцепторной примеси с концентрацией N_A=10¹⁹ см^-3 и в качестве материала слоя из материала n⁺ типа проводимости использован германий в виде донорной примеси с концентрацией N_D 10¹⁸см^-3.

На чертеже представлена схема детектора заряженных частиц на основе арсенида галлия.

При изготовлении детектора, на полу изолирующей подложке 1 стандартного коммерческого арсенида галлия марки АГЧПК-6 в виде диска диаметром 40 мм, толщиной 150 мкм и ориентацией кристалла арсенида галлия <100> с разных сторон выращивают методом эпитаксии слои 2 и 3 из материалов n⁺ и p⁺ типов толщиной 1-2 мкм. В качестве материала р⁺ типа проводимости использован углерод в виде акцепторной примеси с концентрацией N_А 10¹⁹см^-3, а в качестве материала n⁺ типа проводимости использован германий в виде донорной примеси с концентрацией N_D 10¹⁸см^-3. Высокая концентрация углерода в слое из материала p⁺ типа проводимости приводит к несоответствию параметров решеток слоя и подложки (da/a -(1-2)10^-4), что вызывает на границе с p⁺ слоем возникновение сжимающих механических напряжений из-за разницы ковалентных радиусов углерода и мышьяка в решетке GaAs. Поверх слоя из материала n⁺ типа выращивают дополнительный слой 4 толщиной 0,5 мкм из твердого раствора In_xGa_1-xAs с х 0,07 и относительным изменением параметров решетки da/a +(1-5)10^-4 большим, чем у подложки. При этом на границе n⁺ слоя и подложки возникают растягивающие механические напряжения. Толщины эпитаксиальных слоев, уровень легирования углеродом и германием, а также состав твердого раствора InGaAs выбирают такими, чтобы механические напряжения на границах слоев и подложки не превышали критической величины, выше которой образуются дислокации несоответствия. Дислокации несоответствия не должны появляться в основном слое арсенида галлия, кристаллическая структура которого деформируется под действием донорных и акцепторных примесей. При этом кубическая форма кристалла GaAs трансформируется в трапецеидальную с запрещением прямых переходов между зонами. Тем самым время жизни носителей заряда становится больше времени дрейфа через i-зону, что приводит к увеличению числа собранных носителей заряда и улучшению отношения сигнал/шум. Поверх приготовленных таким образом слоев формируют металлические электроды 5 и 6.

Таким образом, использование изобретения позволяет обеспечить повышение эффективности регистрации заряженных частиц при высокой радиационной стойкости за счет увеличения числа собранных носителей заряда и улучшения отношения сигнал/шум.

Источники информации.

1. Абрамов А. И. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М. Атомиздат, 1977, с. 206-207.

2. S.P. Beamont et al. Gallium Arsenide Microstrip Detector for Charged Particles. Preprint CERN-PRE/92-51, 1992, p. 4.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый детектор заряженных частиц на основе арсенида галлия, содержащий подложку из арсенида галлия, на противоположных сторонах которой выполнены слои из материалов n⁺- и p⁺-типов проводимости и металлические электроды, отличающийся тем, что ориентация кристалла арсенида галлия выбрана < 100 >, поверх слоя из материала n⁺-типа проводимости сформирован дополнительный слой из материала с относительным изменением параметров решетки da/a большим, чем у подложки, а слой из материала p⁺-типа проводимости выполнен из материала с относительным изменением параметров решетки меньшим, чем у подложки, причем толщина и состав дополнительного слоя и слоя из материала p⁺-типа проводимости выбраны таким образом, чтобы механические напряжения в подложке не превышали критического значения, выше которого образуются дислокации несоответствия.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала дополнительного слоя поверх слоя из материала n⁺-типа проводимости использован материал с относительным изменением параметров решетки da/a +(1 5) 10^-4.

3. Детектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве материала дополнительного слоя поверх слоя из материала n⁺-типа проводимости использован твердый раствор In_xGa_1-xAs с 0 < х < 1.

4. Детектор по п.1, отличающийся тем, что в слое из материала p⁺-типа проводимости в качестве акцепторной примеси использован углерод с концентрацией Na 10¹⁹ см^-3.

РИСУНКИ

Рисунок 1