II-P-1.30 XÁC ĐỊNH CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐẦU DÒ GALLIUM ARSENIDE BẰNG VIỆC SỬ DỤNG PENELOPE Trần Thị Thu Vân 1 , Nguyễn Trường Thanh Hải 2 , Lý Anh Tú 3 1Khoa khoa học cơ bản, CĐ Kinh tế
Trang 1II-P-1.30
XÁC ĐỊNH CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐẦU DÒ GALLIUM ARSENIDE BẰNG VIỆC SỬ DỤNG
PENELOPE Trần Thị Thu Vân 1 , Nguyễn Trường Thanh Hải 2 , Lý Anh Tú 3
1Khoa khoa học cơ bản, CĐ Kinh tế - Kỹ thuật Phú Lâm
2Khoa Y, Đại học Nguyễn Tất Thành
3Khoa Khoa học ứng dụng, Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM
Email: tranvan126@gmail.com
TÓM TẮT
Gallium Arsenide (GaAs) là hợp chất bán dẫn nhóm III-V với một số đặc tính tốt phù hợp cho một đầu dò hoạt động ở nhiệt độ phòng Hiện nay có rất nhiều loại đầu dò bán dẫn như Si(Li), Ge(Li), HPGe…nhưng với đầu dò bán dẫn GaAs nó mang những ưu điểm nổi trội hơn các loại đầu dò khác là giá thành thấp và nhất là khi có thể hoạt động tốt ở nhiệt độ phòng mà nhiều loại đầu dò bán dẫn khác khó có thể làm được Bài báo này sẽ mô tả thuộc tính chất bán dẫn GaAs, phương pháp chế tạo đầu
dò GaAs Đồng thời, trình bày các kết quả mô phỏng tín hiệu đầu dò GaAs khi thu nhận photon ở các mức năng lượng khác nhau và sự phụ thuộc hiệu suất đầu dò vào các yếu tố như: năng lượng, vị trí của nguồn bức xạ, độ dày của lớp GaAs, vật liệu tiếp xúc Từ đó so sánh giữa đầu dò Si và GaAs để thấy rõ hơn ưu điểm của đầu dò GaAs
Từ khóa: Đầu dò Gallium Arsenide , mô phỏng bằng PENELOPE
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Giới thiệu
GaAs là một vật liệu với vận tốc electron lớn phù hợp với ngành điện tử tốc độ cao, đầu dò GaAs đã được nghiên cứu bởi rất nhiều các nhóm nghiên cứu khác nhau trong hơn năm thập kỷ từ những năm 1960
Hiện tại bán dẫn GaAs chiếm một vài phần trăm của tổng thể thị trường chất bán dẫn Mặc dù thị phần không lớn, nhưng tầm quan trọng của GaAs nằm trong các ứng dụng cho phép của nó Chẳng hạn như GaAs được ứng dụng trong thiết bị điện tử và thiết bị quang tử như với thiết bị điện tử thì ứng dụng trong transistor lưỡng cực, transistor và diode hiệu ứng trường, với thiết bị quang tử thì ứng dụng làm diode phát xạ ánh sáng (LEDs), laser diode (LDs), bộ tách sóng quang và ống dẫn sóng
PENELOPE-chương trình máy tính sử dụng ngôn ngữ FORTRAN 77 thực hiện mô phỏng Monte Carlo sự vận chuyển của electron, photon và positron trong một vật liệu bất kỳ với một khoảng năng lượng rộng, từ vài trăm eV đến khoảng 1 GeV [1] Nội dung chủ yếu của bài báo này là áp dụng chương trình mô phỏng PENELOPE để xác định các tính chất của đầu dò GaAs
Các tính chất vật lý của gallum arsenide
Gallium arsenide (GaAs) là hợp chất của gali và arsenic Nó là một chất bán dẫn III-V GaAs thường được
sử dụng như một vật liệu nền trong kỹ thuật epitaxy các chất bán dẫn III-V khác bao gồm: InGaAs và GaInNAs.[2]
Tinh thể GaAs có dạng mạng zincblende (sphalerit) với đơn vị kích thước a=5.653 A Số nguyên tử trung bình là GaAs là 32 (Ga 31, As 33) và khối lượng riêng là 5.3174 2 0.0026 g/cm3 Trong tinh thể chất bán dẫn GaAs mỗi nguyên tử Ga bao quanh bởi bốn nguyên tử As, cách đều nhau, có độ dài liên kết bằng nhau, góc liên kết bằng nhau (109,50) [3]
Hình 1: Cấu trúc tinh thể và vùng năng lượng GaAs [4]
Trang 2Độ rộng vùng cấm ở nhiệt độ phòng (300K) đối với GaAs không pha tạp là 1,42 eV và đối với Si là 1,14
eV
GaAs là bán dẫn thẳng (direct) tức là quá trình chuyển tiếp năng lượng chỉ yêu cầu thay đổi năng lượng, còn động lượng của electron không thay đổi khi di chuyển từ năng lượng cao nhất của vùng hóa trị đến năng lượng thấp nhất trong vùng dẫn Do vậy GaAs thường thấy trong các ứng dụng quang tử Trong khi đó Si là một bán dẫn không thẳng (indirect) và sự chuyển tiếp năng lượng đòi hỏi phải có sự hỗ trợ của phonon (Hình 2)
Hình 2: Cấu trúc vùng năng lượng của Si và GaAs [4]
Nếu so sánh giữa vật liệu GaAs và vật liệu Si, thì mỗi vật liệu đều có ưu điểm và khuyết điểm riêng GaAs
có ưu điểm là tính linh động của electron cao, vận tốc electron bão hòa lớn hơn Si nên được dùng trong mạch tích hợp tốc độ nhanh và cho phép các bóng bán dẫn gallium arsenide hoạt động ở tần số vượt quá 250 GHz
GaAs có khả năng phát ra ánh sáng nên dùng trong LED, laser, trong mạch điện thoại…Không giống như Si, thiết bị GaAs tương đối ít nhạy cảm với nhiệt do vùng cấm rộng hơn Si Ngoài ra, các thiết bị GaAs có xu hướng
ít nhiễu hơn các thiết bị Si, đặc biệt là ở tần số cao GaAs là một vật liệu tuyệt vời cho các thiết bị điện tử không gian và cửa sổ quang học trong ứng dụng năng lượng cao
Bảng 1: So sánh thuộc tính vật lý của chất bán dẫn GaAs và Si
Crystal structure Zinc blende Diamond
Thermal conductivity (W/cm.K) 0.46 1.5 Band gap (eV) at 300 K 1.424 1.12 Intrinsic carrier cone (cm-3) 1.79 x 106 1.45 x 1010 Intrinsic resistivity (ohm.cm) 108 2.3 x 105 Breakdown field (V/cm) 4 x 105 3 x 105 Minority carrier lifetime (s) 10-8 2.5 x 10-3
Thực nghiệm
Đầu dò GaAs có thể được chế tạo theo nhiều cách khác nhau.Ví dụ cấu trúc của đầu dò được chế tạo từ tấm bán cách điện GaAs (SI GaAs) bằng phương pháp LEC: Các tấm bán cách điện được pha tạp có định hướng với đường kính 50,8 mm Bề mặt trước được đánh bóng, bề mặt sau được khắc khi mài Điện trở suất đo được là 7,58.107 Ω.cm Kích thước của đầu dò SI GaAs là 5x5 mm2 với độ dày là 350 μm Trước khi “kim loại hóa”, các
bề mặt của tấm GaAs được làm sạch bằng một dung môi, rửa sạch nước và được ion hóa, sau đó loại bỏ lớp oxy
Trang 3hóa bởi một dung dịch axit pha loãng Kim loại tiếp xúc trên bề mặt được chế tạo bằng một thiết bị bay hơi nhiệt trong điều kiện chân không Mặt trước và mặt sau cấu trúc là lớp Au/Ni dung làm tiếp xúc Schottky với độ dày của các lớp kim loại Au là 200 nm , và Ni là 30 nm và đường kính của một lớp tiếp xúc là 3 mm [5]
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Mô phỏng tín hiệu và tính hiệu suất đầu dò gallum arsenide
Trong bài toán mô phỏng này, cấu trúc không gian của đầu dò bao gồm có 5 lớp vật liệu (hình 4) Vật liệu bán dẫn GaAs với bán kính 5mm, độ dày là 350μm, vật liệu tiếp xúc là Au/Ni với cùng bán kính là 3mm, lớp
Au có độ dày 200nm, lớp Ni có độ dày là 30nm Đầu dò nằm trong mặt phẳng Oxy, vuông góc tia Oz Ngoài ra,
ta còn được hỗ trợ bằng chương trình GVIEW 2D và GVIEW 3D giúp quan sát hình không gian và báo cáo các lỗi về cú pháp
Hình 3: Mặt cắt của đầu dò; đầu dò sau khi được định nghĩa và hiển thị bằng GVIEW 2D
Sau khi chạy chương trình PENDOSE với lớp GaAs có bề dày 350μm trong trường hợp ứng với mức năng lượng là 6 keV và vị trí đặt nguồn bức xạ là 0.1 cm, thu được kết quả như Hình 4
Hình 4: Tín hiệu ứng với mức năng lượng 6 keV
Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất của đầu dò gallium arsenide vào năng lượng photon
Chọn vị trí đặt nguồn bức xạ là 0.1 cm, độ dày lớp GaAs là 350μm Năng lượng thì thay đổi từ 2 keV đến
200 keV Đây là vùng năng lượng tia X mà trong y học thường sử dụng
Với mỗi mức năng lượng ta thay đổi trong file PENDOSES.IN Sau đó mở cửa sổ Command Prompt chạy file PENDOSES.IN Ứng với mỗi mức năng lượng sẽ cho một kết quả mô phỏng cụ thể trong PENDOSE Kết quả tính toán hiệu suất trong từng trường hợp được thể hiện trong PENDOSES.DAT Từ các kết quả tính toán ta
có thể vẽ mối quan hệ giữa năng lượng photon và hiệu suất hấp thụ của lớp GaAs (Hình 5)
Trang 4Hình 5: Sự phụ thuộc của hiệu suất theo năng lượng photon từ 2 keV đến 200 keV
Với độ dày lớp GaAs là 350μm ở vùng năng lượng từ 2 keV đến 35 keV hiệu suất hấp thụ tương đối cao khoảng 70-80% và khá ổn định Trong khi vùng năng lượng từ 40 keV đến 100 keV thì hiệu suất hấp thụ giảm mạnh đến 10% Vùng năng lượng từ 100 keV đến 200 keV thì hiệu suất thấp dưới 10% và giảm nhẹ Do đó ta thấy rằng đầu dò GaAs là một ứng viên trong việc ứng dụng vào y học để thu nhận tia X Ví dụ như ứng dụng làm đầu dò 3D cho hình ảnh y học Đối với một đầu dò hình học phẳng, các hạt mang điện phải đi qua toàn bộ
độ dày của đầu dò để có thể được thu nhận bởi điện cực Điều này có nghĩa là độ dày của đầu dò có giới hạn, dẫn đến giảm độ nhạy Và điều này được khắc phục nếu dùng đầu dò 3D, tức là các đầu dò sẽ được khoan vào bề dày của một cảm biến [6]
Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất của đầu dò GaAs vào khoảng cách giữa nguồn và đầu dò:
Trong trường hợp này, ta thay đổi vị trí giữa nguồn và đầu dò từ vài mm đến vài cm, cụ thể là 1 mm đến 6
cm với năng lượng photon là 50 keV Ứng với mỗi vị trí đặt nguồn ta thay đổi thông số trong pendoses10.in, chạy chương trình mô phỏng PENELOPE ta sẽ thu được kết quả tương ứng trong pendoses
Hình 6: Đường cong hiệu suất của đầu dò thay đổi theo khoảng cách giữa nguồn và đầu dò từ 1mm đến 60mm
Từ đồ thị hình 6, với độ dày lớp GaAs là 350μm ta thấy rằng khoảng cách giữa nguồn và đầu dò càng xa thì hiệu suất hấp thụ càng giảm Từ 1mm đến 10mm, hiệu suất hấp thụ giảm mạnh Khoảng từ 1 mm đến 3 mm hiệu suất tương đối cao (khoảng > 20%) Nhưng từ 6mm trở đi thì hiệu suất dưới 10% Điều này chứng tỏ với đầu dò GaAs hoạt động tốt khi đặt nguồn cách đầu dò vài mm Mặc dù lựa chọn khoảng cách giữa đầu dò và nguồn là một sự thoả hiệp tuỳ theo mục tiêu của phép đo đặt ra nhưng khuynh hướng chung là đặt nguồn gần đầu
dò nhất ở khoảng cách có thể để tối ưu hoá số đếm thống kê và giảm thời gian đo Trong một số trường hợp dộ phóng xạ thấp, có thể đặt nguồn trực tiếp trên đầu dò Trong thực tế, với các phép đo phôtôn năng lượng thấp hơn 10 keV, sự suy giảm của phôtôn trong không khí là lớn Về mặt nguyên tắc thì các giá trị này sẽ được hiệu chỉnh trong quá trình quy chuẩn Tuy nhiên khi các phép đo kéo dài, nhiệt độ và áp suất môi trường có thể thay đổi do đó các hệ số suy giảm sẽ khác nhau Vì vậy nếu có thể thì khoảng cách giữa nguồn và đầu dò càng bé càng tốt hoặc đặt trong môi trường chân không Bằng tính toán mô phỏng ta có hiệu suất của đầu dò trong vùng năng lượng từ 2 keV đến 200 keV khi nguồn cách đầu dò ở các vị trí 1 mm, 2 mm, và 6 mm (Hình 7)
Trang 5Hình 7: So sánh hiệu suất theo năng lượng ở khoảng cách khác nhau
Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất của đầu dò GaAs vào độ dày của GaAs
Với vị trí đặt nguồn là 1 mm, năng lượng photon là 50 keV độ dày lớp bán dẫn GaAs thay đổi từ 80 m đến 1000 m Ta sẽ thay đổi thông số trong file test_new_14.geo Sau đó chạy file pendoses10.in Ứng với mỗi
độ dày lớp bán dẫn GaAs xác định ta sẽ có kết quả cụ thể trong pendoses
Hình 8: Đường cong hiệu suất cùa đầu dò thay đổi theo độ dày lớp GaAs
Từ đồ thị hình 8 ta thấy khi tăng độ dày của lớp bán dẫn GaAs thì hiệu suất hấp thụ cũng tăng theo Ở mức năng lượng 50keV, từ 700m thì hiệu suất tăng chậm Từ đó, các nhà sản xuất sẽ xem xét lựa chọn độ dày lớp bán dẫn phù hợp cho tùy vùng năng lượng mà đầu dò muốn đo để có hiệu suất tốt mà không phải tốn nhiều chi phí và công sức chế tạo Ví dụ dựa vào đồ thị Hình 8 ta thấy đầu dò có độ dày 650m thì hiệu suất cũng xấp xỉ 70%, trong khi độ dày 1000m thì hiệu suất cũng xấp xỉ 70% Như vậy nhà sản xuất sẽ lựa chọn với độ dày 650m để chế tạo
Hình 9: So sánh hiệu suất theo năng lượng với độ dày khác nhau
Trang 6Nhóm Sang Mook Kang [5] đã chế tạo đầu dò GaAs với độ dày lớp bán dẫn là 350m Để đánh giá sự lựa chọn đó có tốt hay không ,trong trường hợp này, ta sẽ khảo sát hiệu suất theo năng lượng khi lớp bán dẫn GaAs
có độ dày thay đổi với các giá trị 350 m, 650m và 1000m Ta thấy nếu chọn độ dày 650m sẽ tốt hơn
Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất của đầu dò GaAs vào vật liệu tiếp xúc
Trong trường hợp này, ta sẽ khảo sát hiệu suất đầu dò theo năng lượng khi thay đổi lớp tiếp xúc Au-Ni thành Al-Ni hoặc Au-Ge [7] với khoảng cách từ nguồn đến đầu dò là 1mm, độ dày lớp tiếp xúc vẫn giữ như tiếp xúc Au-Ni
Hình 10: Đường cong hiệu suất của đầu dò khi thay đổi lớp tiếp xúc
Ba đường cong hiệu suất theo năng lượng của đầu dò khi tạo bởi 3 vật liệu tiếp xúc trùng nhau Như vậy, hiệu suất hấp thụ của đầu dò thay đổi không đáng kể khi thay đổi vật liệu tiếp xúc Do đó, trong thực tế sản xuất, tùy theo điều kiện hoạt động trong môi trường nhiệt độ nào thì nhà sản xuất lựa chọn tiếp xúc cho phù hợp
So sánh hiệu suất đầu dò si và GaAs:
Chúng ta sẽ so sánh hiệu suất của đầu dò GaAs và Si bằng việc sử dụng PENELOPE ở các mức năng lượng 20keV, 30keV, 40keV, 50keV khi thay đổi độ dày lớp vật liệu bán dẫn lần lượt là 150μm,250 μm, 350μm
Hình 11: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ hiệu suất hấp thụ của đầu dò GaAs và Si
Từ hình 11 ta thấy rằng đối với những ứng dụng trong vùng năng lượng khoảng vài chục keV thì hiệu suất hấp thụ của một đầu dò GaAs cao hơn nhiều hiệu suất hấp thụ của một đầu dò Si cùng kích thước Hơn nữa do
có độ rộng vùng cấm phù hợp nên đầu dò GaAs hoạt động tốt ở nhiệt độ bình thường do vậy không cần phải có
bộ phận làm lạnh nên giá thành thiết bị sẽ rẻ hơn rất nhiều Đăc biệt đầu dò GaAs có độ bền phóng xạ cao[8] Nhờ những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ sản xuất đầu dò SI GaAs nên trong tương lai chúng sẽ hiện diện rộng rãi trong các thiết bị y tế cũng như ứng dụng trong công nghiệp, công nghệ và kỹ thuật hạt nhân.[9],[10]
KẾT LUẬN
Trong mô phỏng tín hiệu, tính toán hiệu suất của đầu dò GaAs theo bề dày lớp bán dẫn GaAs, năng lượng photon, vị trí đặt nguồn bức xạ, vật liệu điện cực… là một bài toán phức tạp do sự tương tác của photon đối với vật chất Bằng cách sử dụng chương trình mô phỏng PENELOPE theo phương pháp Monte Carlo đã cơ bản giải quyết được vấn đề trên
Trang 7Các kết quả tính tốn mơ phỏng như trên giúp ích rất nhiều trong quá trình chế tạo đầu dị cũng như dự báo khả năng sử dụng, tuy vậy chúng thường chỉ cĩ tính chất tham khảo nhất định, cần so sánh với kết quả của các phương pháp khác và đối với kết quả đo thực tiễn Bởi vì trong các phương pháp mơ phỏng và trong thực tiễn cũng cĩ nhiều điều kiện khác biệt và sai lệch (như khác biệt về vị trí hệ thống bức xạ và thu nhận, gĩc chiếu, kích thước của hệ thống, nhiệt độ…) Cần xây dựng chương trình mơ phỏng chuyên dụng để tính tốn hiệu suất đầu dị chính xác hơn
Qua việc mơ phỏng xác định các tính chất của đầu dị Gallium Arsenide bằng chương trình PENELOPE cho thấy chương trình mơ phỏng này cĩ thể sử dụng trong nhiều lĩnh của ngành kĩ thuật hạt nhân, kĩ thuật y sinh Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh trong khuơn khổ đề
tài mã số T-KHUD-2014-24
DETERMINATION OF PROPERTIES OF GALLIUM ARSENIDE DETECTOR
BY USING PENELOPE ABSTRACT
Gallium Arsenide (GaAs) is a III-V compound semiconductor with some good properties suitable for a detector operating at room temperature Although nowadays there are many semiconductor detector as Si(Li), Ge(Li), HPGe…,GaAs detector has more advantages than other detectors are especially low cost and can operate at room temperature, at which many other types of semiconductor detectors can difficultly operate This paper will describe the properties of semiconductor GaAs and fabrication method of GaAs detector At the same time, this paper also presents the simulation results GaAs detector signal when receiving photons at different energy levels and the detector efficiency depends on factors such as energy, the position of the radiation source, the thickness of the GaAs layer, contact materials Then, comparison between Si and GaAs detectors to see more clearly the advantages of GaAs detectors
Keywords: Gallium Arsenide detector, simulation with PENELOPE
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Francesc Salvat, José M Fernández-Varea, Josep Sempau, PENELOPE, a code system for Monte Carlo simulation of electron and photon transport, Facultat de Fisica, Universitat de Barcelona, 2003
[2] R.K Willardson, Albert C Beer, Semiconductors for Room Temperature Nuclear Detector Applications,Vol.43, UK: Academic Press, 1995
[3] Gerhard Lutz, Semiconductor radiation detector, Berlin: Springer, 1999
[4] Valery Chmill, Radiation Tests of Semiconductor Detectors, Stockholm KTH, 2006
[5] Sang Mook KANG, Jang Ho HA, Se-Hwan PARK, Han Soo KIM, Nam Ho LEE, and Yong Kyun
KIM, Radiation Response of a Semi-insulating GaAs Semiconductor Detector for Charged Particle at Variable Operating Temperature, Nucl Sci and Techno., Vol 1, p.282-284, 2011
[6] Eric Gros d’Aillon, Marie-Laure Avenel, Daniel Farcage, Lọck Verger, Development and characterization of a 3D GaAs X-ray detector for medical imaging, Nucl Instr and Meth., A727
126-130, 2013
[7] R V Ghita, C Logofatu, C Negrila, A S Manea, M Cernea, M F Lazarescu, Studies of Ohmic contact and Schottky barriers on Au-Ge/GaAs and Au-Ti/GaAs, Journal of Optoelectronics and
Advanced Materials, Vol 7, No.6, p 3033 – 3037, 2005
[8] T Ly Anh, A Perd'ochová, V Nečas, V Pavlicová, Radiation Resistance Study of Semi-Insulating GaAs-Based Radiation Detectors to Extremely High Gamma Doses Nuclear Physics B150 p 402 -
406, 2006
[9] F Dubecký, , , A Perd’ochová, P Ščepko, B Zat’ko, V Sekerka, V Nečas, M Sekáčová,M Hudec, P Boháček, J Huran, Digital X-ray portable scanner based on monolithic semi-insulating GaAs detectors: General description and first “quantum” images Nucl Instr and Meth., A546 p.118-124, 2005
[10] Bohumír Zaťko, , , František Dubecký, Jiří Přibil, Pavol Boháček, Ivan Frollo, Pavol Ščepko,Ján Mudroň, Pawel Gryboś, Vladimír Nečas,On the development of portable X-ray CT mini-system using semi-insulating GaAs radiation imaging detectors Nucl Instr and Meth., A607 p 67-70, 2009