Μελέτη παραμέτρων μεταφοράς και λειτουργίας ανιχνευτών ημιαγωγών III-V

Abstract

Semiconductor radiation detectors are an important example of technological advances that have arisen from the research of semiconductor physics in the last 50 years. Aside from the plethora of research and technological applications, their use extends now even in commercial applications available to the general public. This research field most important contribution is related to new techniques in imaging - diagnostic medicine.The PhD thesis aims to meaningful exploration of the basic parameters governing the operation of radiation detectors, with particular emphasis on semiconductor detectors of EPT III-V groups and aims to study the transfer parameters and their impact on operating characteristics of these devices.We modeled the function of a typical planar radiation detector manufactured by (SI) GaAs, i.e a compound semiconductor widely used in the field of radiation detector devices (a typical semiconductor of groups III-V). The study and evaluation of transport parameters of a planar semiconductor radiation detector comprises two components: a) combinational simulations using models developed by the author with available Monte Carlo statistical models developed by universities and research institutes and b) experimental evaluation of detectors (manufactured by the Institute of Electronic Structure & Laser FORTH, Crete) functional characteristics.The Developed algorithms calculate: a) during dark state, the spatial distribution of potential, electric field, intrinsic electric field, concentration, velocity and Quasi Fermi levels of electrons and holes, space charge density and the extend of the active region of the detector b) during the ionizing radiation excited state, the characteristics of the current pulse response a detector operated in current or pulse mode.Simulation results obtained under various excitations (ionizing radiation) feed to a methodology developed that produces multi-parametric curves suitable for incorporation into dia-parametric techniques that trend to be necessary in order to improve the performance of semiconductor detector devices.Using simulation procedure, we estimated the influence of a (SI) GaAs detector’s contacts thickness to the device response and experimentally confirmed that contacts thickness differentiate the detector’s output pulse due to the contribution of Secondary Electron Emission from irradiated contact to the semiconductor.Finally we studied the parasitic charging phenomenon of insulating thin layers contained in semiconductor radiation detectors and in RF MEMS switches, while irradiated by ionizing radiation. Simulation results indicate that parasitic charge accumulated in the insulating film is attributed to a dynamic equilibrium procedure affecting the Secondary Electrons Emission from the irradiated contact to the insulator and the reverse process, and its value depends on the type and density of the insulator and the type - energy of ionizing radiation.

Οι ημιαγώγιμοι ανιχνευτές ακτινοβολίας αποτελούν ένα σημαντικό δείγμα των τεχνολογικών επιτευγμάτων που έχουν ανακύψει από την έρευνα της φυσικής των ημιαγωγών τα τελευταία 50 χρόνια. Πέρα από την πληθώρα ερευνητικών και τεχνολογικών εφαρμογών, η χρήση τους εκτείνεται πλέον ακόμα και σε εμπορικές εφαρμογές που είναι διαθέσιμες στο ευρύ κοινό. Σημαντική είναι η συνεισφορά του συγκεκριμένου ερευνητικού πεδίου στην ανάπτυξη νέων τεχνικών στον τομέα της απεικονιστικής – διαγνωστικής ιατρικής. Η διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στην ουσιαστική διερεύνηση των βασικών παραμέτρων που διέπουν τη λειτουργία των ανιχνευτών ακτινοβολίας, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στους ανιχνευτές ημιαγωγού των ομάδων III–V του Π. Π. Στόχος της είναι να μελετηθούν οι παράμετροι μεταφοράς και η επίπτωσή τους στα λειτουργικά χαρακτηριστικά των υπό αξιολόγηση διατάξεων. Για το λόγο αυτό μοντελοποιήθηκε η λειτουργία ενός τυπικού επίπεδου ανιχνευτή που έχει κατασκευαστεί από (SI) GaAs, δηλαδή από ημιαγωγό ένωση που χρησιμοποιείται ευρύτατα στον τομέα της ανάπτυξης ανιχνευτικών διατάξεων και αποτελεί τυπικό δείγμα σύνθετου ημιαγωγού των ομάδων III–V. Η μελέτη και αξιολόγηση των παραμέτρων μεταφοράς των επίπεδων ημιαγώγιμων ανιχνευτών ακτινοβολίας περιλαμβάνει δύο άξονες: α) συνδυαστικές προσομοιώσεις με τη χρήση μοντέλων που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της διατριβής και μοντέλων στατιστικής Monte Carlo που έχουν αναπτυχθεί από πανεπιστημιακά και ερευνητικά ιδρύματα τα οποία είναι διαθέσιμα και β) πειραματική αξιολόγηση των λειτουργικών χαρακτηριστικών ανιχνευτών που αναπτύχθηκαν από το Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του Ιδρύματος Τεχνολογίας Έρευνας Κρήτης.Αναπτύχθηκε αλγόριθμος που υπολογίζει: α) σε κατάσταση σκότους, τις χωρικές κατανομές δυναμικού, ηλεκτρικού πεδίου, συγκέντρωσης, ταχύτητας και στάθμης Quasi Fermi ηλεκτρονίων και οπών, πυκνότητας φορτίου χώρου και ενδογενούς ηλεκτρικού πεδίου καθώς και το εύρος της περιοχής απογύμνωσης και της ενεργού περιοχής του ανιχνευτή, β) σε κατάσταση διέγερσης από ιονίζουσες ακτινοβολίες, τα χαρακτηριστικά του παλμού ρεύματος που αποκρίνει στην έξοδό του ο υπό μελέτη ανιχνευτής όταν έχει τεθεί σε ολοκληρωτική ή σε λειτουργία παλμού.Με τη χρήση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης υπό διάφορες διεγέρσεις (ιονίζουσες ακτινοβολίες) αναπτύχθηκε μεθοδολογία παραγωγής πολυ-παραμετρικών καμπύλων, κατάλληλων για ενσωμάτωση σε δια-παραμετρικές τεχνικές βελτίωσης της απόδοσης ημιαγώγιμων ανιχνευτικών διατάξεων.Με τη χρήση προσομοίωσης μελετήθηκε η επίδραση του πάχους των επαφών στην απόκριση ανιχνευτών από (SI) GaAs και επιβεβαιώθηκε πειραματικά ότι επαφές διαφορετικού πάχους διαφοροποιούν την απόκριση του ανιχνευτή λόγω της συνεισφοράς του φαινομένου της εκπομπής δευτερογενών ηλεκτρονίων από την ακτινοβολούμενη επαφή προς τον ημιαγωγό.Τέλος μελετήθηκε το φαινόμενο φόρτισης λεπτών στρωμάτων μονωτών που εντοπίζονται σε δομές ημιαγώγιμων ανιχνευτών ακτινοβολίας αλλά και σε διακόπτες RF MEMS όταν αυτοί ακτινοβολούνται με ιονίζουσες ακτινοβολίες. Η προσομοίωση κατέδειξε ότι το παρασιτικό φορτίο που συσσωρεύεται στο μονωτή οφείλεται σε μια δυναμική ισορροπία ανάμεσα στην έγχυση δευτερογενών ηλεκτρονίων από την ακτινοβολούμενη επαφή προς το μονωτή και την αντίστροφη διαδικασία και εξαρτάται από την πυκνότητα και το είδος του μονωτή καθώς και την ενέργεια της ιονίζουσας ακτινοβολίας.