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PIN結(jié)構(gòu)GaN基α粒子探測器的設(shè)計(jì)

2014-10-10 03:58:48朱志甫王仁波彭新村鄒繼軍
關(guān)鍵詞:空穴探測器損失

黃 河, 朱志甫, 王仁波, 魏 雄, 彭新村, 鄒繼軍

(1.東華理工大學(xué)核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心,江西 南昌 330013;2.東華理工大學(xué)江西省新能源工藝與裝備工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 330013)

以GaN為代表的化合物半導(dǎo)體材料被譽(yù)為是繼第一代Si,Ge半導(dǎo)體材料、第二代GaAs化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料的代表,屬于Ⅲ—Ⅴ族直接帶隙化合物半導(dǎo)體,具有禁帶寬度大(3.39 eV)、抗輻射能力強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、高飽和載流子漂移速度、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率,對可見光不敏感等優(yōu)點(diǎn),是制作耐高溫、高壓和高功率光電器件的理想材料(Knoll,2010)。在發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、紫外探測器和 HEMT(High Electron Mobility Transistor,高電子遷移率晶體管)晶體管等領(lǐng)域已經(jīng)取得了最為廣泛的應(yīng)用(Strite et al.,1992;Ryu et al.,2005;Mishra et al.,2002;Limb et al.,2006)。由于GaN材料具有上述優(yōu)點(diǎn),可以應(yīng)用在高溫和嚴(yán)酷輻照環(huán)境下。最近幾年,特別是GaN材料具有的禁帶寬度大和抗輻照特性,在中子測井、地下勘探、空間檢測等核輻射探測技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,并開展了大量的研究工作。Polyakov等(2009)報(bào)道了采用MOCVD技術(shù)制備肖特基結(jié)構(gòu)的GaN基α粒子探測器,在5 V反向偏壓下器件的漏電流為10 nA,與商業(yè)化的Si探測器相比,電荷收集效率為100%,但是探測效率非常低。就目前而言,雖然對GaN基α粒子核輻射探測器的研究獲得了一定的結(jié)果,但是GaN材料的一些關(guān)鍵問題還未解決。特別是GaN基α粒子探測器的有源區(qū)厚度還不能滿足α粒子在GaN材料中的射程,嚴(yán)重影響到探測器的探測效率和能量分辨率。為此,本文通過理論計(jì)算和模擬仿真分析α粒子在GaN材料中的射程,優(yōu)化設(shè)計(jì)PIN結(jié)構(gòu)的GaN基α粒子探測器的有源層厚度,實(shí)現(xiàn)α粒子在GaN材料中能量損失比最大,提高探測效率和能量分辨率,為器件外延生長制備及測試提供理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)。

1 GaN基α粒子探測器的PIN結(jié)構(gòu)理論計(jì)算

1.1 結(jié)構(gòu)

241Am屬于α粒子,帶2個(gè)單位正電荷,能量為5.486 MeV,屬于重帶電粒子,質(zhì)量比較大,電離能較強(qiáng),實(shí)質(zhì)是42He原子核(湯彬等,2011),穿透能力較強(qiáng),需要采用厚的有源區(qū)。由于自然界中沒有天然的GaN單晶材料,需要依靠材料生長的方法實(shí)現(xiàn)GaN單晶材料(GaN屬于III-V族化合物),而通過外延生長方法生長的GaN的厚度有限,以至于α粒子穿透外延生長的GaN材料時(shí)沉積在GaN材料中的能量少,產(chǎn)生的電子-空穴對少,造成探測效率低。而PIN結(jié)構(gòu)中的I層通過生長時(shí)間來調(diào)節(jié)其厚度,即增大PIN結(jié)構(gòu)探測器的有源區(qū)面積。PIN結(jié)構(gòu)GaN基α粒子探測器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 PIN結(jié)構(gòu)GaN基α粒子探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of GaN-based pin-structure alpha particle detector

從圖 1 可以看出,由 p-GaN,u-GaN,n-GaN 構(gòu)成PIN結(jié)構(gòu)。探測器的有源區(qū)是I層即u-GaN,α粒子入射通過P型電極。緩沖層Buffer u-GaN的作用是使生長的GaN材料與藍(lán)寶石襯底晶格匹配。GaN基探測器的兩電極是在p-GaN材料上沉積Ni/Au合金構(gòu)成 P結(jié)電極,在n-GaN材料上沉積 Ti/Al/Ti/Au合金構(gòu)成n結(jié)電極,實(shí)現(xiàn)歐姆接觸電極。根據(jù)GaN歐姆接觸制備的要求,p結(jié)歐姆接觸電極Ni/Au合金厚度分別為20 nm和40 nm,n結(jié)歐姆接觸電極Ti/Al/Ti/Au合金厚度分別為15 nm,20 nm,20 nm,30 nm。α粒子照射到GaN基探測器上時(shí),在PIN的I層產(chǎn)生電子-空穴對。所以,I層的厚度決定探測器的探測效率和能量分辨率。I層厚度受兩方面因素影響:一是厚的I層可以在空間電荷區(qū)I層沉積更多的α粒子能量,以至于產(chǎn)生更多的電子空穴對,使探測器的輸出信號幅度增大;二是厚的I層會增加電子-空穴到達(dá)電極的電荷收集時(shí)間,強(qiáng)電場將電子-空穴掃向電極兩端之前已經(jīng)被復(fù)合掉,影響探測器的探測效率。為此,要精確計(jì)算并模擬仿真I層的厚度。

1.2 α粒子在電極上能量損失比計(jì)算

α粒子與GaN材料相互作用的機(jī)理主要是靠α粒子所帶的2個(gè)單位的正電荷與GaN原子的外層電子由于庫侖力的存在發(fā)生非彈性碰撞而損失能量。照射在GaN材料上時(shí)的路徑近似一條直線,在其路徑的末端之前能量損失很大,在其路徑的末端之后的能量損失是由于發(fā)生彈性碰撞而損失能量,其路徑末端存在彎曲。由此,只考慮α粒子與GaN相互作用的路徑彎曲之前的直線部分,則α粒子在材料中的能量損失與材料的厚度之間的關(guān)系可近似看成線性關(guān)系。如果耗盡區(qū)足夠?qū)?,α粒子將全部耗盡在圖1中,無論α粒子是從p結(jié)入射還是從n結(jié)入射,α粒子會在兩個(gè)電極上損失能量,但是都不會在電極上面產(chǎn)生電子-空穴對,α粒子只有在結(jié)區(qū)的空間電荷區(qū)I層才會產(chǎn)生電子-空穴對。采用MOCVD技術(shù)制備GaN基α粒子探測器,緩沖層的厚度一般是2 μm,這樣可有效的減小晶格不匹配造成大量的缺陷,因此n-GaN層的厚度也比較厚,厚度一般為2 μm。由于p-GaN是通過摻雜Mg元素實(shí)現(xiàn)的,Mg元素在GaN中屬于受主雜質(zhì),MOCVD技術(shù)在高溫生長過程中使用大量氨氣使其分解,造成氫在GaN中與 Mg結(jié)合成 Mg-HX復(fù)合體,Mg受主雜質(zhì)的活性鈍化,嚴(yán)重影響p-GaN材料的質(zhì)量。所以,p-GaN的厚度不能太厚,太厚還會影響到α粒子在I層有源區(qū)的能量沉積,太薄會影響到p結(jié)歐姆接觸電極的質(zhì)量,厚度一般為0.4 μm。

當(dāng)α粒子從p型歐姆接觸電極入射時(shí),α粒子將會在Ni/Au合金上損失能量。根據(jù)Bragg公式及 L.S.S 理論(湯彬等,2011;Tsoulfanidis et al,2010),α粒子在介質(zhì)上的射程為:

其中,E為α粒子能量,Ax,ρx分別為介質(zhì)的原子量與密度。

由公式(1)計(jì)算可得,能量為 5.486 MeV的241Am源在Ni和Au的射程分別為:

Ni/Au合金厚度分別為20 nm和40 nm,則α粒子在Ni/Au電極上能量損失比通過對Ni/Au的厚度進(jìn)行積分可得:

2 I層厚度的計(jì)算

α粒子(能量介于2~10 MeV)穿過GaN材料時(shí),主要通過庫侖力與GaN中原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞而損失能量,并改變物質(zhì)原子的能量狀態(tài),引起電離和激發(fā)。電離損失是α粒子與GaN作用過程中,引起能量損失的主要方式,電離能量損失率與α粒子的速度和電荷有關(guān),也與GaN材料的原子序數(shù)、原子密度、平均電離能有關(guān)。α粒子的質(zhì)量比較大,在GaN材料中運(yùn)動時(shí)不斷損失能量,與GaN原子的軌道電子的相互作用不會導(dǎo)致其運(yùn)動方向有大的改變,待能量耗盡時(shí)就停留在GaN材料中,其沿原來入射方向所穿過的最大距離即射程近乎一條直線。α粒子在GaN材料中的能量損失率越大,電離產(chǎn)生電子-空穴對就越多,電荷收集的越多。GaN材料在300 K時(shí)的重要參數(shù)如表1所示。根據(jù)表1的參數(shù),利用SRIM模擬仿真α粒子在GaN中的能量損失和射程,模擬結(jié)果如圖2所示。

表1 GaN材料的一些重要參數(shù)(T=300 K)Table1 The parameters of GaN material

由此,根據(jù)圖2的Bragg曲線關(guān)系,將圖中的曲線數(shù)據(jù)對厚度進(jìn)行積分,可得241Am在p-GaN中的射程為

241Am在厚度為0.4 μm 的 p-GaN 中的能量損失比為

由式(4)、(5)、(7)可知,未產(chǎn)生電子-空穴對時(shí)241Am的α粒子的能量損失比為8.92%。要想使91.08% 的241Am的α粒子能量損失在I層u-GaN中產(chǎn)生電子-空穴對,那么I層的厚度為:

圖2 5.486MeV的241Am在GaN中的能量損失比(Bragg曲線)Fig.2 5.486 MeV241Am energy loss ratio in GaN(Bragg curve)

對于241Am的α源,為了具有高的探測效率和能量分辨率,PIN結(jié)構(gòu)中的I層的厚度至少要大于13.14 μm。

根據(jù)上述計(jì)算分析,優(yōu)化后的GaN基α粒子探測器的PIN結(jié)構(gòu)及各層厚度如圖3所示。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)GaN基α粒子探測器的PIN結(jié)構(gòu)Fig.3 Design of PIN GaN-based alpha particle optimize detector structure

3 結(jié)論

α粒子與GaN材料相互作用機(jī)理目前還未被人類完全探知,GaN材料界面的散射和反射也會對α粒子的能量損失有一定影響,本文在仿真時(shí)未以考慮,所以在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該加以考慮。利用SRIM模擬仿真241Am放射性源在GaN材料中的射程及能量損失比,得出α粒子在器件電極和p-GaN中能量損失比,計(jì)算出最佳PIN結(jié)構(gòu)中I層的厚度,優(yōu)化并設(shè)計(jì)GaN基α粒子探測器PIN結(jié)構(gòu)及各層厚度,為PIN結(jié)構(gòu)GaN基α粒子探測器的制備提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)。

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