полупроводниковый детектор заряженных частиц на основе арсенида галлия

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.

Описание изобретения к патенту

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.