УДК 612.381
ЖИГАЛЬСКИЙ Г.П., ИЛЬИЧЕВ Э.А.
ВЛИЯНИЕ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ НА ИЗБЫТОЧНЫЙ ШУМ
ДЕТЕКТОРОВ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ
АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
Московский Государственный институт
электронной техники (ТУ),
124498, Москва, Зеленоград, МИЭТ;e-mail: genpal@zelnet.ru
ФГУП НИИ Физических проблем им. Ф.В. Лукина, 124490, Москва,
Зеленоград, ФГУП НИИФП, проезд 4806, д.6; e-mail: polt@niifp.ru
Основной проблемой, с которой столкнулись разработчики де-
текторов ядерных частиц и -излучения на основе арсенида галлия,
является высокий уровень избыточного шума, обусловленного загряз-
нениями и дефектами в GaAs, и который ограничивает чувствитель-
ность детекторов.
В настоящем докладе представлены результаты эксперимен-
тальных исследований шума вида 1/f , где - показатель формы
спектра, а также глубоких уровней (ГУ) в активных слоях GaAs детек-
торных структур различных типов, предназначенных для обнаружения
и регистрации частиц высоких энергий и -излучения [1,2].
Исследования выполнены для двух групп тестовых детекторных
структур вертикальной конструкции, схематически показанных на
рис. 1. В первую группу входили структуры с барьером Шоттки Me-n-
GaAs-
n+-GаАs-Me (рис. 1а): V-Au - контакт Шоттки с диаметром D ≈ 5 мм;
n-GaAs - эпитаксиальный слой; n+-GaAs - подложка; AuGeNi - омиче-
ский контакт. Вторую группу составляли структуры с р-п переходом
(рис. 1б): p+-GaAs - эпитаксиальный слой p-типа проводимости; n-
GaAs - эпитаксиальный слой n-типа проводимости; n+-GaAs - подлож-
ка. Эпитаксиальные GaAs структуры выращены хлоридным методом
газофазной эпитаксии [3].

Рис. 1. Схематическое изображение исследуемых образцов:
a) Mе-n-GaAs-n+GaAs-Mе, б) Mе-p+GaAs-n-GaAs-n+GaAs-Mе.

Принцип работы описанных детекторных ячеек основан на из-
мерении в режиме обратного смещения тока неравновесных носителей
заряда, рожденных потоком элементарных частиц или -излучения.
Поэтому избыточный шум детекторных структур исследовали в режи-
ме обратного смещения. Спектральную плотность мощности шума
(СПМ) измеряли в диапазоне частот 20 Гц ÷ 60 кГц при подаче на
структуру обратных напряжений смещения до - 40 В через резистор
сопротивлением 10 МОм.
На рис. 2 приведены зависимости СПМ избыточного шума от
напряжения обратного смещения для исследованных детекторных
структур. Кривые 1, 2, 3 соответствуют различным типам образцов:
типы 1, 3 -структуры с барьером Шоттки (рис. 1а); тип 2 - с p-n пере-
ходом (рис. 1б). Активный слой структуры типа 3 легирован в процес-
се роста кремнием, тогда как приемные слои структуры типа 1 не под-
вергались легированию.
Исследование ГУ в объеме материала мишеней детектора вы-
полнено с использованием бесконтактного неразрушающего метода
релаксационной оптоэлектронной спектроскопии глубоких уровней
[4]. Определяли значения энергии ловушечных центров ГУ Et (эВ),
сечения захвата St (см2), произведение fNt (см-3) функции заполнения f
на концентрацию ловушек Nt. При этом в исследованных образцах об-
наружено присутствие ГУ донорного и акцепторного типов при доми-
нирующей роли в генерационно-рекомбинационных (г-р) процессах
уровней донорного типа. Получены следующие результаты для спек-
тров ловушек в активных слоях: для детекторов типа 1 и 2 энергия ло-
вушечных центров Et ≈ 0,23 эВ (донор), концентрации ловушек в чис-
том слое Nt ≈ 1013 см-3; для структур типа 3 Et ≈ 0,6 эВ, Nt ≈ 51013
см-3.
Для большинства детекторных структур выявлена корреляция
между уровнем избыточного шума в темновом режиме и концентраци-
ей ГУ, а также уровнем интегрального энергетического шума в рабо-
чем режиме.
На рис. 3 даны зависимости СПМ избыточного шума от частоты
для исследуемых типов образцов при напряжениях обратного смеще-
ния Uсм = -22 В для образца типа 1 и Uсм = -30 В для образцов типа 2
и 3. В диапазоне частот 20 Гц-10 кГц образц типа 3 с повышенной
концентрацией легирующей примеси и, как следствие, с наличием в
нем ГУ с энергией Et = 0,6 эВ имеет наибольший шум с показателем
формы спектра ≈ 1,9 - 2, что соответствует спектру г-р шума с час-
тотой среза ниже 20 Гц.
Согласно экспериментальным результатам можно выделить две
области работы детекторов барьерного типа в зависимости от прило-
женного напряжения: 1) U ≈ (20÷30) В - оптимальный режим и 2)

U ≈ 65÷80 В - предпробойный режим, который сопровождается увели-
чением уровня избыточного шума (рис. 2).
Исследование радиационной стойкости детекторов проводили
при воздействии высокоэнергетичных электронов (Е = 4 МэВ, доза ≈
107 рад) и электромагнитного излучения из источника Со 60, (Е = 1,25
МэВ, доза ≈ 3107 рад).


Рис. 2 Зависимости СПМ шума на Рис. 3 Зависимости СПМ 1/f
частоте f = 20 Гц от напряжения шума от частоты при обратном
обратного смещения: кривые 1,3 - смещении для разных типов
для структур типа 1,3 (с барьером структур: для образца 1 показа-
Шоттки); кривая 2 - для структуры тель = 1,86; для 2 - = 2,04;
типа 3 (с p-n переходом).
для 3 - = 1,94.

Наиболее информативным параметром качества детекторов за-
ряженных частиц и -излучения на основе GaAs является уровень из-
быточного шума. Поэтому метод измерения избыточного шума может
быть рекомендован для неразрушающего контроля качества ИС, как на
этапе изготовления по тестовым структурам, так и готовых изделий.
Оценка уровня 1/f шума в Al/i-GaAs барьерных структурах перед
радиационной обработкой позволяет предсказать радиационную стой-
кость детекторов ядерных частиц и -излучения. Детекторы с высоким
уровнем исходного 1/f шума имеют низкую радиационную стойкость
в отношении дрейфа коэффициента преобразования. СПМ 1/f шума
детекторов заряженных частиц на основе Al/i-GaAs барьерных струк-
тур возрастает с увеличением дозы облучения из-за генераци в объеме
GaAs нестабильных структурных дефектов при прохождении элемен-
тарных частиц и -квантов высоких энергий [5].

1. G. P. Zhigal'skii, V.A. Bespalov, A.A. Gorbatsevich, Il'ichev E.A. at al. //
Proc. of the 17th Intern. Conference "Noise and Fluctuattion" (18-22 Au-
gust 2003, Prague, Czech Republic) Ed. J. Sikula. 2003. P. 269-272.

2. Г.П. Жигальский, В.А. Беспалов, А.А. Горбацевич, Э.А. Ильичев и
др.// Радиотехника и электроника. 2005. 50, 6. С. 729-735.
3. М. Шур. Современные приборы на основе арсенида галлия / Пер. с
англ. под ред. М.Е. Левинштейна и В.Е. Челнокова. М.: Мир. 1991.
632 с.
4. Э.А. Ильичев // ЖТФ. 1998, 68, 5. С. 141-144.
5. Г.П. Жигальский // УФН. 1997. 167, 6. C. 623-648.


Document Outline