PIN結(jié)構(gòu)GaN基α粒子探測(cè)器的設(shè)計(jì)

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(chǎng)、高熱導(dǎo)率，對(duì)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(cè)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(cè)井、地下勘探、空間檢測(cè)等核輻射探測(cè)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(cè)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(cè)器相比，電荷收集效率為100%，但是探測(cè)效率非常低。就目前而言，雖然對(duì)GaN基α粒子核輻射探測(cè)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(cè)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(cè)器的探測(cè)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(cè)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(cè)效率和能量分辨率，為器件外延生長(zhǎng)制備及測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)方法生長(zhǎng)的GaN的厚度有限，以至于α粒子穿透外延生長(zhǎng)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(duì)少，造成探測(cè)效率低。而PIN結(jié)構(gòu)中的I層通過生長(zhǎng)時(shí)間來調(diào)節(jié)其厚度，即增大PIN結(jié)構(gòu)探測(cè)器的有源區(qū)面積。PIN結(jié)構(gòu)GaN基α粒子探測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)的GaN材料與藍(lán)寶石襯底晶格匹配。GaN基探測(cè)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(cè)器上時(shí)，在PIN的I層產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。所以，I層的厚度決定探測(cè)器的探測(cè)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(duì)，使探測(cè)器的輸出信號(hào)幅度增大;二是厚的I層會(huì)增加電子－空穴到達(dá)電極的電荷收集時(shí)間，強(qiáng)電場(chǎng)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(cè)器的探測(cè)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(kù)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(huì)在兩個(gè)電極上損失能量，但是都不會(huì)在電極上面產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，α粒子只有在結(jié)區(qū)的空間電荷區(qū)I層才會(huì)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。采用MOCVD技術(shù)制備GaN基α粒子探測(cè)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(zhǎng)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(huì)影響到α粒子在I層有源區(qū)的能量沉積，太薄會(huì)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(huì)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(duì)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(kù)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(dòng)時(shí)不斷損失能量，與GaN原子的軌道電子的相互作用不會(huì)導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)，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(duì)于241Am的α源，為了具有高的探測(cè)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(cè)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(cè)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(huì)對(duì)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(cè)器PIN結(jié)構(gòu)及各層厚度，為PIN結(jié)構(gòu)GaN基α粒子探測(cè)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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