Material characterization and fabrication of compound semiconductor X-ray detectors

Thumbnail Image

Files

isbn9789526073446.pdf (4.33 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-04-07
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2017

Department

Mikro- ja nanotekniikan laitos
Department of Micro and Nanosciences

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

79 + app. 63

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 51/2017

Abstract

In this thesis, dislocations and other crystal defects of compound semiconductor materials were characterized by synchrotron radiation X-ray topography (SR-XRT) and X-ray diffraction (XRD).Crystal defects in GaAs structures grown by hydride vapor phase epitaxy were characterized. GaAs diode components were processed of epitaxial p-i-n structures. The response of the diode components was measured with fluorescent X-ray photons. Results of SR-XRT measurements were compared to the electrical characteristics of GaAs detector diodes. Medipix2 read-out circuit compatible GaAs sensor was processed of epitaxial GaAs wafer. The sensor was bump bonded to the Medipix2 read-out circuit. The response of the manufactured radiation detector was measured with fluorescent photons. GaAs/Ge detector diodes were processed of epitaxial GaAs/Ge structures. Electrical characterization was performed for the GaAs/Ge structures. Crystal defects of GaAs layers grown on high purity germanium substrate were characterized. It was found that the crystal defect density was low in best samples, however, it was observed that arsenic diffusion in germanium substrate dominates the electrical characteristics of the structure and thus the structure can't be used for radiation detector purposes. Crystal defects of TlBr crystals were measured with SR-XRT. Radiation detector components were processed of the TlBr crystals and current-voltage characteristics were measured. The information about crystal defects, which was acquired in this study, can be used to better understand electrical characteristics and performance of various compound semiconductor detector structures.

Tässä työssä tutkittiin röntgenilmaisinsovelluksiin sopivien yhdistepuolijohdemateriaalien rakennevirheitä ja sähköisiä ominaisuuksia. Rakennevirheitä tutkittiin käyttämällä synkrotronitopografiaa ja röntgendiffraktiota. Sähköisiä ominaisuuksia tutkittiin mittaamalla virta-jännitekäyriä valmistetuista tasasuuntaavista puolijohdekomponenteista. Synkrotronitopografia osoittautui erittäin hyväksi menetelmäksi mitata rakennevirheitä tutkituista materiaaleista niiden suhteellisen vähäisen virhetiheyden vuoksi. Työssä valmistettiin myös säteilynilmaisimia ja tutkittiin niiden vastetta röntgensäteilyyn. Hydridikaasufaasiepitaksialla valmistetuista GaAs p-i-n kerrosrakenteista tutkittiin kidevirheitä käyttämällä synkrotronitopografiaa. GaAs-kerrosrakenteista valmistettiin tasasuuntaavia puolijohdekomponentteja, joita voidaan käyttää säteilynilmaisimina. Valmistetuista puolijohdekomponenteista mitattiin virtajännitekäyrästö ja havaittiin selvä yhteys kidevirhetiheyden ja pimeävirran välillä. Epitaktisesti kasvatetusta GaAs-kerrosrakenteesta valmistettiin Medipix2-lukupiirin kanssa yhteensopiva säteilynilmaisinkomponentti. Komponetti liitettiin Medipix2-lukupiiriin ja valmistetulla lukupiiri-ilmaisinyhdistelmän ominaisuuksia säteilynilmaisimena tutkittiin. Germaniumin päälle kasvatettujen GaAs-kerroksien kidevirheitä tutkittiin synkrotronitopografialla. Tällaisissa rakenteissa havaittiin parhaimmillaan pieni kidevirhetiheys mutta havaittiin, että rakenteen sähköisiä ominaisuuksia dominoi arseenin diffuusio germaniumiin. Tämän vuoksi rakenne todettiin soveltumattomaksi säteilynilmaisimeksi. Thalliumbromidikiteitä tutkittiin synkrotronitopografialla ja röntgendiffraktiolla. TlBr-kiteistä valmistettiin säteilynilmaisimiksi sopivia komponentteja ja niiden sähköisiä ominaisuuksia tutkittiin. Tässä työssä löydettiin uutta tietoa säteilynilmaisimiin sopivien yhdistepuolijohteiden virherakenteista ja niiden yhteydestä säteilynilmaisinkomponenttien sähköisiin ominaisuuksiin. Työn tuloksien avulla voidaan ymmärtää paremmin kidevirheiden vaikutusta säteilynilmaisinkomponettien toimintaan.

Description

Supervising professor

Lipsanen, Harri, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland

Thesis advisor

Tuomi, Turkka, Prof., Aalto University, Department of Micro- and Nanosciences, Finland

Keywords

GaAs, Ge, dislocations, topography, X-ray diffraction, X-ray detector, dislokaatiot, topografia, röntgendiffraktio, röntgendetektori

Other note

Parts

  • [Publication 1]: P. Kostamo, A. Lankinen, T. O. Tuomi, A. Säynätjoki, H. Lipsanen, Y. Zhilyaev, L. Fedorov, and T. Orlova. Synchrotron X-ray topography and electrical characterization of epitaxial GaAs p–i–n structures. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 591, p. 192–195, 2008.DOI: 10.1016/j.nima.2008.03.054
  • [Publication 2]: P. Kostamo, S. Nenonen, S. Vähänen, L. Tlustos, C. Frojdh, M. Campbell, Y. Zhilyaev, H. Lipsanen. GaAs Medipix2 Hybrid Pixel Detector. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 591, p. 174–177, 2008.
    DOI: 10.1016/j.nima.2008.03.050 View at publisher
  • [Publication 3]: L. Tlustos, M. Campbell, C. Fröjdh, P. Kostamo, and S. Nenonen. Characterisation of an epitaxial GaAs/Medipix2 detector using fluorescence photons. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 591, p. 42–45, 2008.
    DOI: 10.1016/j.nima.2008.03.020 View at publisher
  • [Publication 4]: A. Lankinen, L. Knuuttila, P. Kostamo, T. O. Tuomi, H. Lipsanen, P. J. McNally, and L. O’Reilly. Synchrotron topography and X-ray diffraction study of GaInP layers grown on GaAs/Ge. Journal of Crystal Growth, vol. 311, p. 4619–4627, 2008.
    DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2009.08.032 View at publisher
  • [Publication 5]: P. Kostamo, A. Säynätjoki, L. Knuuttila, H. Lipsanen, H. Andersson, K. Banzuzi, S. Nenonen, H. Sipilä, S. Vaijärvi, and D. Lumb. Ge/GaAs heterostructure matrix detector. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 563, p. 17–20, 2006.
    DOI: 10.1016/j.nima.2006.01.058 View at publisher
  • [Publication 6]: A. Lankinen, L. Knuuttila, T. Tuomi, P. Kostamo, A. Säynätjoki, J. Riikonen, H. Lipsanen, P.J. McNally and L. O’Reilly. Synchrotron X-ray topography study of defects in epitaxial GaAs on high-quality Ge. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 563, p. 62–65, 2006.
    DOI: 10.1016/j.nima.2006.01.066 View at publisher
  • [Publication 7]: V. Kozlov, H. Andersson, V. Gostilo, M. Kemell, P. Kostamo, M. S. Kouznetsov, M. Leskelä, H. Lipsanen, I.S. Lisitsky, M. Shorohov and H. Sipilä. Improvements and problems of Bridgman–Stockbarger method for fabrication of TlBr single crystal detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 607, p. 126–128, 2009.
    DOI: 10.1016/j.nima.2009.03.126 View at publisher
  • [Publication 8]: P. Kostamo, M. Shorohov, V. Gostilo, H. Sipilä, V. Kozlov, I. Lisitsky, M. Kuznetsov, A. Lankinen and A.N. Danilevsky. Characterization of TlBr for X-ray and γ-ray detector applications. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 607, p. 129–131, 2009.
    DOI: 10.1016/j.nima.2009.03.125 View at publisher
  • [Publication 9]: V. Kozlov, M. Heikkilä, P. Kostamo, H. Lipsanen, and M. Leskelä. TlBr purification and single crystal growth for the detector applications. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 633, p. 72–74, 2011.
    DOI: 10.1016/j.nima.2010.06.126 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7344-6

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC