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Performances of epitaxial GaAs dete ctors E. Bréelle, H. Samic, G. C. Sun, J. C. Bourgoin Laboratoire des Milieux Désordonnés et Hétérogènes Université Pierre et Marie Curie (Paris 6)

Performances of epitaxial GaAs detectors E. Bréelle, H. Samic, G. C. Sun, J. C. Bourgoin Laboratoire des Milieux Désordonnés et Hétérogènes Université

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Performances of epitaxial GaAs detectors

E. Bréelle, H. Samic, G. C. Sun, J. C. Bourgoin

Laboratoire des Milieux Désordonnés et HétérogènesUniversité Pierre et Marie Curie (Paris 6)

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Introduction Material for X-ray imaging

  Bulk Epitaxial  Semi-insulating Thick enough Large defect concentration, Low defect concentration, →Non-uniform electronic properties Residual doping (1013-1014 cm-

3) →Short life time →Small depleted depth 

Imaging at room temperature Bulk CdTe Epitaxial GaAs (InP,

GaP…..) Limited area Large area Bad homogeneity Homogenous No technology Existing technology → Limitation in space charge region

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Aim of the work

Growth techniques Thicknes (µm)

Energy resolution References

MBE 1 ?  

VPE 8 4.4% fwhm for 60 keV gamma Hesse et al. (1972)

LPE 20030-120

4.5% fwhm for 60 keV gamma 5% fwhm for 60 keV gamma

Alexiev et al. (1992)Gibbons et al. (1972)

CVPD (!) 40-325 0.9% fwhm for 60 keV gamma Owens et al. (2002)

LPVPE 40 0.2% fwhm for 5 MeV alpha Bates et al. (1999)

Chemical Reaction up to 500 ?  

Epitaxial GaAs detector

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What has been achieved by Chemical Reaction

method: A. Growth of thick epitaxial GaAs layers: 100-500 µm thick layers Homogenous electronic properties Electronic properties similar to that of standard epilayers

 

B. Pixel technology: Polishing Ion implantation + annealing Photolithography Chemical etching Si3N4 deposition

Metallic alloy deposition 

ohmic contact (Au, Ge, Ni)

p+ ion implantation

GaAs epilayer

n+ substrate (Cz GaAs)

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0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

1: 0.2 nA/mm2

H2O, 60 kV

Telebix, 60 kV Telebrix, 120 kV

Ln

ph

oto

vo

ltag

e(m

V)

Thickness (cm)

Oscilloscope (1M)

p+/i/n+

Bias (10 V)

C. Photo current induced by X-ray

What has been achieved by Chemical Reaction

method:

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Results1. Proton detection GaAs detector : 2 mm2, 4.3 x 1014 cm-3, bias of 100 V (depleted depth

18.4 µm)Retrodiffusion of 1.2 MeV (a) and 1.3 MeV (b) protons

0 200 400 600 800 10000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Channel number

Ene

rgy

(MeV

)

(b)

(a)

Co

un

ts

Channel number

0 200 400 600 800 10000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

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Results 2. Electron detectionSi detector: 25 mm2, depleted depth 100 µm at 50 VGaAs detector: 2 mm2, depleted depth about 13 µm at 50 V.

0 50 100 150 2000

5000

10000

15000

20000

25000

Si GaAs

Co

un

ts

Channel number

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Results  3. Alpha detection (241Am)-5.49 MeV  Bias of 80 V

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Results  4. Gamma detection (241Am)- 59 keVCooled at –50C, at bias of 70V:  

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 Conclusion

1. Good energy resolution2. Width of the space charge region, small

! Decrease of the residual doping Work in photocurrent3. Optimise the technology of the detector.