[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究调查了在中子和质子辐照后，200 µm厚的由半绝缘GaAs衬底制成的肖特基二极管的辐射损伤。通过α能谱、MIP响应以及I-V/CV测量，发现探测器性能（尤其是漏电流和信号响应）强烈依赖于初始衬底电阻率，24 GeV/c质子的抗辐射硬度因子为7±0.9，在2×10¹⁴ p/cm²辐照后，200 V偏置下的MIP响应达到5250 e⁻。

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.

研究动机与目标

• 评估GaAs肖特基二极管在中子和质子辐照下的抗辐射能力。
• 确定初始衬底电阻率对辐照后探测器性能的影响。
• 量化辐射诱导缺陷及其对漏电流和信号响应的影响。
• 通过硬度因子比较中子与质子造成的损伤程度。
• 确定在高剂量辐照后仍能保持高信号响应的最优电阻率范围。

提出的方法

• 在电阻率范围为0.4至8.9×10⁷ Ω·cm的半绝缘、未掺杂GaAs衬底上制备了200 µm厚的肖特基二极管。
• 通过α能谱测量信号响应和能量分辨率的退化。
• 在反向偏置下测量最小电离粒子（MIP）响应，以评估电荷收集效率。
• 通过I-V和C-V测量分析漏电流和载流子浓度的变化。
• 采用缺陷电离比模型解释电子平均自由漂移长度与电阻率之间的依赖关系。
• 比较24 GeV/c质子和中子造成的辐射损伤，以推导硬度因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 半绝缘GaAs衬底的初始电阻率如何影响辐射引起的漏电流和信号响应？
• RQ2 电子平均自由漂移长度与衬底电阻率之间的关系在辐照前后如何？
• RQ3 在GaAs探测器中，质子辐照与中子辐照相比，损伤严重程度有何差异？
• RQ4 在高剂量质子辐照后，GaAs探测器可实现的最大MIP信号响应是多少？
• RQ5 缺陷电离比模型能否解释观测到的电阻率依赖性辐射损伤？

主要发现

• GaAs探测器的漏电流密度和MIP信号响应在辐照前后均强烈依赖于初始衬底电阻率。
• 电子平均自由漂移长度随衬底电阻率的增加而减小，这可通过辐照引入的缺陷电离比差异来解释。
• 相对于中子，24 GeV/c质子的抗辐射硬度因子为7±0.9，表明单位通量下质子造成的损伤更小。
• 性能最佳的探测器在2×10¹⁴ p/cm²辐照后，于200 V反向偏置下仍保持5250 e⁻的MIP信号响应。
• 初始电阻率较高的探测器在信号响应方面表现出更大的退化，表明初始质量与抗辐射能力之间存在权衡。
• 本研究证实，GaAs中的辐射损伤强烈受缺陷能级分布的影响，而该分布随衬底电阻率而变化。