[論文レビュー] Radiation damage to neutron and proton irradiated GaAs particle detectors

S. Joost, M. Kienzle+9 more|ArXiv.org|Apr 4, 1997

Semiconductor materials and interfaces参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、中性子および陽子線照射後の200 µm 厚の半绝缘的GaAs基板を用いたショットキー・ダイオードにおける放射線損傷を調査した。アルファ分光法、MIP応答、I-V/CV測定を用いて、検出器性能（特にリーク電流と信号応答）が初期基板の抵抗率に強く依存することを明らかにした。24 GeV/c の陽子線に対しては、硬度要因が 7±0.9 であり、2×10¹⁴ p/cm² の線量照射後、200 V でのMIP応答は 5250 e⁻ を達成した。

ABSTRACT

The radiation damage in 200 um thick Schottky diodes made on semi-insulating (SI) undoped GaAs Liquid Encapsulated Czochralski (LEC) bulk material with resistivities between 0.4 and 8.9*10E7 Ohm*cm were studied using alpha-spectroscopy, signal response to minimum ionising particles (MIP), I-V and CV-measurements. The results have been analysed to investigate the influence of the substrate resistivity on the detector performance after neutron and proton irradiation. The leakage current density, signal response to alpha-particles and MIPs show a strong dependence on the resistivity before and after irradiation. An observed decrease of the electron mean free drift length before and after irradiation with increasing substrate resistivity can be explained by a model involving the different ionisation ratios of defects, which are introduced by the irradiation. Comparison of the radiation damage due to neutrons and protons gives a hardness factor of 7+-0.9 for 24 GeV/c protons. The best detectors show a response to MIPs of 5250 e- at 200 V reverse bias after a irradiation level of 2*10E14 p/cm^2.

研究の動機と目的

• 中性子および陽子線照射下におけるGaAsショットキー・ダイオードの放射線耐性を評価すること。
• 初期基板抵抗率が照射後の検出器性能に与える影響を特定すること。
• 放射線誘発欠陥の定量的評価と、リーク電流および信号応答への影響を測定すること。
• 硬度要因を用いて中性子と陽子による損傷の相対的影響を比較すること。
• 高線量照射後でも高い信号応答を維持できる最適な抵抗率範囲を同定すること。

提案手法

• 抵抗率 0.4 から 8.9×10⁷ Ω·cm の半絶縁的・不 Dopant のGaAs基板上に 200 µm 厚のショットキー・ダイオードを作製した。
• 信号応答およびエネルギー分解能の劣化を測定するためにアルファ分光法を実施した。
• 逆バイアス下での最小イオン化粒子（MIP）応答を測定し、電荷収集効率を評価した。
• リーク電流およびキャリア濃度の変化を分析するために I-V および C-V 測定を実施した。
• 電子の平均自由移動長さが抵抗率にどのように依存するかを説明するために、欠陥イオン化比モデルを用いた。
• 24 GeV/c の陽子線と中性子線による放射線損傷を比較し、硬度要因を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半絶縁的GaAs基板の初期抵抗率は、放射線誘発リーク電流および信号応答にどのように影響するか？
• RQ2 照射前後における電子の平均自由移動長さと基板抵抗率の関係は何か？
• RQ3 GaAs検出器における陽子線照射と中性子線照射の損傷の深刻さを比較すると、どのように異なるか？
• RQ4 高線量の陽子線照射後、GaAs検出器で達成可能な最大のMIP信号応答は何か？
• RQ5 欠陥イオン化比モデルは、GaAsにおける観察された抵抗率依存の放射線損傷を説明できるか？

主な発見

• GaAs検出器のリーク電流密度およびMIP信号応答は、照射前後ともに初期基板抵抗率に強く依存する。
• 電子の平均自由移動長さは、基板抵抗率の増加に伴い減少するが、これは照射によって導入された欠陥のイオン化比の違いによって説明できる。
• 24 GeV/c の陽子線に対する中性子線に対する硬度要因は 7±0.9 であり、陽子線は単位線量あたりの損傷が小さいことを示している。
• 最も優れた性能を示した検出器は、2×10¹⁴ p/cm² の線量照射後、200 V の逆バイアスで MIP 応答が 5250 e⁻ を維持した。
• 初期抵抗率が高い検出器は、信号応答の劣化が顕著に顕著であり、初期品質と放射線耐性のトレードオフがあることが示唆された。
• 本研究では、GaAsにおける放射線損傷が欠陥エネルギー準位分布に強く依存しており、これは基板抵抗率に依存することを確認した。