Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-P-1.30 XÁC ĐỊNH CÁC TÍNH CHẤT CỦA ĐẦU DÒ GALLIUM ARSENIDE BẰNG VIỆC SỬ DỤNG PENELOPE Trần Thị Thu Vân1 , Nguyễn Trường Thanh Hải2 , Lý Anh Tú3 Khoa khoa học bản, CĐ Kinh tế - Kỹ thuật Phú Lâm Khoa Y, Đại học Nguyễn Tất Thành Khoa Khoa học ứng dụng, Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM Email: tranvan126@gmail.com TÓM TẮT Gallium Arsenide (GaAs) hợp chất bán dẫn nhóm III-V với số đặc tính tốt phù hợp cho đầu dò hoạt động nhiệt độ phòng Hiện có nhiều loại đầu dò bán dẫn Si(Li), Ge(Li), HPGe…nhưng với đầu dò bán dẫn GaAs mang ưu điểm trội loại đầu dò khác giá thành thấp hoạt động tốt nhiệt độ phòng mà nhiều loại đầu dò bán dẫn khác khó làm Bài báo mô tả thuộc tính chất bán dẫn GaAs, phương pháp chế tạo đầu dò GaAs Đồng thời, trình bày kết mô tín hiệu đầu dò GaAs thu nhận photon mức lượng khác phụ thuộc hiệu suất đầu dò vào yếu tố như: lượng, vị trí nguồn xạ, độ dày lớp GaAs, vật liệu tiếp xúc Từ so sánh đầu dò Si GaAs để thấy rõ ưu điểm đầu dò GaAs Từ khóa: Đầu dò Gallium Arsenide , mô PENELOPE MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Giới thiệu GaAs vật liệu với vận tốc electron lớn phù hợp với ngành điện tử tốc độ cao, đầu dò GaAs nghiên cứu nhiều nhóm nghiên cứu khác năm thập kỷ từ năm 1960 Hiện bán dẫn GaAs chiếm vài phần trăm tổng thể thị trường chất bán dẫn Mặc dù thị phần không lớn, tầm quan trọng GaAs nằm ứng dụng cho phép Chẳng hạn GaAs ứng dụng thiết bị điện tử thiết bị quang tử với thiết bị điện tử ứng dụng transistor lưỡng cực, transistor diode hiệu ứng trường, với thiết bị quang tử ứng dụng làm diode phát xạ ánh sáng (LEDs), laser diode (LDs), tách sóng quang ống dẫn sóng PENELOPE-chương trình máy tính sử dụng ngôn ngữ FORTRAN 77 thực mô Monte Carlo vận chuyển electron, photon positron vật liệu với khoảng lượng rộng, từ vài trăm eV đến khoảng GeV [1] Nội dung chủ yếu báo áp dụng chương trình mô PENELOPE để xác định tính chất đầu dò GaAs Các tính chất vật lý gallum arsenide Gallium arsenide (GaAs) hợp chất gali arsenic Nó chất bán dẫn III-V GaAs thường sử dụng vật liệu kỹ thuật epitaxy chất bán dẫn III-V khác bao gồm: InGaAs GaInNAs.[2] Tinh thể GaAs có dạng mạng zincblende (sphalerit) với đơn vị kích thước a=5.653 A Số nguyên tử trung bình GaAs 32 (Ga 31, As 33) khối lượng riêng 5.3174  0.0026 g/cm3 Trong tinh thể chất bán dẫn GaAs nguyên tử Ga bao quanh bốn nguyên tử As, cách nhau, có độ dài liên kết nhau, góc liên kết (109,50) [3] Hình 1: Cấu trúc tinh thể vùng lượng GaAs [4] ISBN: 978-604-82-1375-6 256 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Độ rộng vùng cấm nhiệt độ phòng (300K) GaAs không pha tạp 1,42 eV Si 1,14 eV GaAs bán dẫn thẳng (direct) tức trình chuyển tiếp lượng yêu cầu thay đổi lượng, động lượng electron không thay đổi di chuyển từ lượng cao vùng hóa trị đến lượng thấp vùng dẫn Do GaAs thường thấy ứng dụng quang tử Trong Si bán dẫn không thẳng (indirect) chuyển tiếp lượng đòi hỏi phải có hỗ trợ phonon (Hình 2) Hình 2: Cấu trúc vùng lượng Si GaAs [4] Nếu so sánh vật liệu GaAs vật liệu Si, vật liệu có ưu điểm khuyết điểm riêng GaAs có ưu điểm tính linh động electron cao, vận tốc electron bão hòa lớn Si nên dùng mạch tích hợp tốc độ nhanh cho phép bóng bán dẫn gallium arsenide hoạt động tần số vượt 250 GHz GaAs có khả phát ánh sáng nên dùng LED, laser, mạch điện thoại…Không giống Si, thiết bị GaAs tương đối nhạy cảm với nhiệt vùng cấm rộng Si Ngoài ra, thiết bị GaAs có xu hướng nhiễu thiết bị Si, đặc biệt tần số cao GaAs vật liệu tuyệt vời cho thiết bị điện tử không gian cửa sổ quang học ứng dụng lượng cao Bảng 1: So sánh thuộc tính vật lý chất bán dẫn GaAs Si Properties GaAs Si Formula weight 144.63 28.09 Crystal structure Zinc blende Diamond Lattice constant 5.6532 5.43095 Melting point (0C) 1238 1415 Density (g/cm ) 5.32 2.328 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) x 105 x 105 Minority carrier lifetime (s) 10-8 2.5 x 10-3 Mobility (cm2/V.s) 8500 1500 Thực nghiệm Đầu dò GaAs chế tạo theo nhiều cách khác nhau.Ví dụ cấu trúc đầu dò chế tạo từ bán cách điện GaAs (SI GaAs) phương pháp LEC: Các bán cách điện pha tạp có định hướng với đường kính 50,8 mm Bề mặt trước đánh bóng, bề mặt sau khắc mài Điện trở suất đo 7,58.107 Ω.cm Kích thước đầu dò SI GaAs 5x5 mm2 với độ dày 350 μm Trước “kim loại hóa”, bề mặt GaAs làm dung môi, rửa nước ion hóa, sau loại bỏ lớp oxy ISBN: 978-604-82-1375-6 257 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM hóa dung dịch axit pha loãng Kim loại tiếp xúc bề mặt chế tạo thiết bị bay nhiệt điều kiện chân không Mặt trước mặt sau cấu trúc lớp Au/Ni dung làm tiếp xúc Schottky với độ dày lớp kim loại Au 200 nm , Ni 30 nm đường kính lớp tiếp xúc mm [5] KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Mô tín hiệu tính hiệu suất đầu dò gallum arsenide Trong toán mô này, cấu trúc không gian đầu dò bao gồm có lớp vật liệu (hình 4) Vật liệu bán dẫn GaAs với bán kính 5mm, độ dày 350μm, vật liệu tiếp xúc Au/Ni với bán kính 3mm, lớp Au có độ dày 200nm, lớp Ni có độ dày 30nm Đầu dò nằm mặt phẳng Oxy, vuông góc tia Oz Ngoài ra, ta hỗ trợ chương trình GVIEW 2D GVIEW 3D giúp quan sát hình không gian báo cáo lỗi cú pháp Hình 3: Mặt cắt đầu dò; đầu dò sau định nghĩa hiển thị GVIEW 2D Sau chạy chương trình PENDOSE với lớp GaAs có bề dày 350μm trường hợp ứng với mức lượng keV vị trí đặt nguồn xạ 0.1 cm, thu kết Hình Hình 4: Tín hiệu ứng với mức lượng keV Khảo sát phụ thuộc hiệu suất đầu dò gallium arsenide vào lượng photon Chọn vị trí đặt nguồn xạ 0.1 cm, độ dày lớp GaAs 350μm Năng lượng thay đổi từ keV đến 200 keV Đây vùng lượng tia X mà y học thường sử dụng Với mức lượng ta thay đổi file PENDOSES.IN Sau mở cửa sổ Command Prompt chạy file PENDOSES.IN Ứng với mức lượng cho kết mô cụ thể PENDOSE Kết tính toán hiệu suất trường hợp thể PENDOSES.DAT Từ kết tính toán ta vẽ mối quan hệ lượng photon hiệu suất hấp thụ lớp GaAs (Hình 5) ISBN: 978-604-82-1375-6 258 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình 5: Sự phụ thuộc hiệu suất theo lượng photon từ keV đến 200 keV Với độ dày lớp GaAs 350μm vùng lượng từ keV đến 35 keV hiệu suất hấp thụ tương đối cao khoảng 70-80% ổn định Trong vùng lượng từ 40 keV đến 100 keV hiệu suất hấp thụ giảm mạnh đến 10% Vùng lượng từ 100 keV đến 200 keV hiệu suất thấp 10% giảm nhẹ Do ta thấy đầu dò GaAs ứng viên việc ứng dụng vào y học để thu nhận tia X Ví dụ ứng dụng làm đầu dò 3D cho hình ảnh y học Đối với đầu dò hình học phẳng, hạt mang điện phải qua toàn độ dày đầu dò để thu nhận điện cực Điều có nghĩa độ dày đầu dò có giới hạn, dẫn đến giảm độ nhạy Và điều khắc phục dùng đầu dò 3D, tức đầu dò khoan vào bề dày cảm biến [6] Khảo sát phụ thuộc hiệu suất đầu dò GaAs vào khoảng cách nguồn đầu dò: Trong trường hợp này, ta thay đổi vị trí nguồn đầu dò từ vài mm đến vài cm, cụ thể mm đến cm với lượng photon 50 keV Ứng với vị trí đặt nguồn ta thay đổi thông số pendoses10.in, chạy chương trình mô PENELOPE ta thu kết tương ứng pendoses Hình 6: Đường cong hiệu suất đầu dò thay đổi theo khoảng cách nguồn đầu dò từ 1mm đến 60mm Từ đồ thị hình 6, với độ dày lớp GaAs 350μm ta thấy khoảng cách nguồn đầu dò xa hiệu suất hấp thụ giảm Từ 1mm đến 10mm, hiệu suất hấp thụ giảm mạnh Khoảng từ mm đến mm hiệu suất tương đối cao (khoảng > 20%) Nhưng từ 6mm trở hiệu suất 10% Điều chứng tỏ với đầu dò GaAs hoạt động tốt đặt nguồn cách đầu dò vài mm Mặc dù lựa chọn khoảng cách đầu dò nguồn thoả hiệp tuỳ theo mục tiêu phép đo đặt khuynh hướng chung đặt nguồn gần đầu dò khoảng cách để tối ưu hoá số đếm thống kê giảm thời gian đo Trong số trường hợp dộ phóng xạ thấp, đặt nguồn trực tiếp đầu dò Trong thực tế, với phép đo phôtôn lượng thấp 10 keV, suy giảm phôtôn không khí lớn Về mặt nguyên tắc giá trị hiệu chỉnh trình quy chuẩn Tuy nhiên phép đo kéo dài, nhiệt độ áp suất môi trường thay đổi hệ số suy giảm khác Vì khoảng cách nguồn đầu dò bé tốt đặt môi trường chân không Bằng tính toán mô ta có hiệu suất đầu dò vùng lượng từ keV đến 200 keV nguồn cách đầu dò vị trí mm, mm, mm (Hình 7) ISBN: 978-604-82-1375-6 259 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình 7: So sánh hiệu suất theo lượng khoảng cách khác Khảo sát phụ thuộc hiệu suất đầu dò GaAs vào độ dày GaAs Với vị trí đặt nguồn mm, lượng photon 50 keV độ dày lớp bán dẫn GaAs thay đổi từ 80 m đến 1000 m Ta thay đổi thông số file test_new_14.geo Sau chạy file pendoses10.in Ứng với độ dày lớp bán dẫn GaAs xác định ta có kết cụ thể pendoses Hình 8: Đường cong hiệu suất cùa đầu dò thay đổi theo độ dày lớp GaAs Từ đồ thị hình ta thấy tăng độ dày lớp bán dẫn GaAs hiệu suất hấp thụ tăng theo Ở mức lượng 50keV, từ 700m hiệu suất tăng chậm Từ đó, nhà sản xuất xem xét lựa chọn độ dày lớp bán dẫn phù hợp cho tùy vùng lượng mà đầu dò muốn đo để có hiệu suất tốt mà tốn nhiều chi phí công sức chế tạo Ví dụ dựa vào đồ thị Hình ta thấy đầu dò có độ dày 650m hiệu suất xấp xỉ 70%, độ dày 1000m hiệu suất xấp xỉ 70% Như nhà sản xuất lựa chọn với độ dày 650m để chế tạo Hình 9: So sánh hiệu suất theo lượng với độ dày khác ISBN: 978-604-82-1375-6 260 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Nhóm Sang Mook Kang [5] chế tạo đầu dò GaAs với độ dày lớp bán dẫn 350m Để đánh giá lựa chọn có tốt hay không ,trong trường hợp này, ta khảo sát hiệu suất theo lượng lớp bán dẫn GaAs có độ dày thay đổi với giá trị 350 m, 650m 1000m Ta thấy chọn độ dày 650m tốt Khảo sát phụ thuộc hiệu suất đầu dò GaAs vào vật liệu tiếp xúc Trong trường hợp này, ta khảo sát hiệu suất đầu dò theo lượng thay đổi lớp tiếp xúc Au-Ni thành Al-Ni Au-Ge [7] với khoảng cách từ nguồn đến đầu dò 1mm, độ dày lớp tiếp xúc giữ tiếp xúc Au-Ni Hình 10: Đường cong hiệu suất đầu dò thay đổi lớp tiếp xúc Ba đường cong hiệu suất theo lượng đầu dò tạo vật liệu tiếp xúc trùng Như vậy, hiệu suất hấp thụ đầu dò thay đổi không đáng kể thay đổi vật liệu tiếp xúc Do đó, thực tế sản xuất, tùy theo điều kiện hoạt động môi trường nhiệt độ nhà sản xuất lựa chọn tiếp xúc cho phù hợp So sánh hiệu suất đầu dò si GaAs: Chúng ta so sánh hiệu suất đầu dò GaAs Si việc sử dụng PENELOPE mức lượng 20keV, 30keV, 40keV, 50keV thay đổi độ dày lớp vật liệu bán dẫn 150μm,250 μm, 350μm Hình 11: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ hiệu suất hấp thụ đầu dò GaAs Si Từ hình 11 ta thấy ứng dụng vùng lượng khoảng vài chục keV hiệu suất hấp thụ đầu dò GaAs cao nhiều hiệu suất hấp thụ đầu dò Si kích thước Hơn có độ rộng vùng cấm phù hợp nên đầu dò GaAs hoạt động tốt nhiệt độ bình thường không cần phải có phận làm lạnh nên giá thành thiết bị rẻ nhiều Đăc biệt đầu dò GaAs có độ bền phóng xạ cao[8] Nhờ tiến vượt bậc công nghệ sản xuất đầu dò SI GaAs nên tương lai chúng diện rộng rãi thiết bị y tế ứng dụng công nghiệp, công nghệ kỹ thuật hạt nhân.[9],[10] KẾT LUẬN Trong mô tín hiệu, tính toán hiệu suất đầu dò GaAs theo bề dày lớp bán dẫn GaAs, lượng photon, vị trí đặt nguồn xạ, vật liệu điện cực… toán phức tạp tương tác photon vật chất Bằng cách sử dụng chương trình mô PENELOPE theo phương pháp Monte Carlo giải vấn đề ISBN: 978-604-82-1375-6 261 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Các kết tính toán mô giúp ích nhiều trình chế tạo đầu dò dự báo khả sử dụng, chúng thường có tính chất tham khảo định, cần so sánh với kết phương pháp khác kết đo thực tiễn Bởi phương pháp mô thực tiễn có nhiều điều kiện khác biệt sai lệch (như khác biệt vị trí hệ thống xạ thu nhận, góc chiếu, kích thước hệ thống, nhiệt độ…) Cần xây dựng chương trình mô chuyên dụng để tính toán hiệu suất đầu dò xác Qua việc mô xác định tính chất đầu dò Gallium Arsenide chương trình PENELOPE cho thấy chương trình mô sử dụng nhiều lĩnh ngành kĩ thuật hạt nhân, kĩ thuật y sinh Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh khuôn 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, Loïck Verger, Development and characterization of a 3D GaAs X-ray detector for medical imaging, Nucl Instr and Meth., A727 126130, 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 ISBN: 978-604-82-1375-6 262