Dvigubo atsako AlGaN radiacijos detektoriai naujos kartos dalelių greitintuvams

Tuo būdu padidės subatominių dalelių susidūrimų dažnis ir surenkamų duomenų apimtis. Tikimasi, kad po 2026 metų HL-LHC galės užregistruoti iki 15 milijonų Higso bozonų per metus ir aptikti naujus fizikinius reiškinius. Tačiau jau dabar vyksta ateities  žiedinio greitintuvo (Future Circular Collider – FCC) koncepcijos formavimas, - bus statomas 100 km ilgio greitinimo žiedas, siekiant padidinti greitintuvo našumą ir dalelių susidūrimų energiją iki 100 TeV. Mokslininkai bei inžinieriai rengia ir naujos kartos detektorių koncepcijas, kurių reikės didelių energijų eksperimentinės fizikos problemoms spręsti. Pavyzdžiui, projektuojamas FCC-hh miuonų detektorius.

Šiuo metu LHC instaliuotos šešios pagrindinės detektorių sistemos. Dvi didžiausios yra ATLAS (A Toroidal LHC AparatuS) ir CMS (Compact Muon Solenoid - kompaktiškas miuonų solenoidas), kurių paskirtis atsakyti į vieną iš didžiausių standartinio modelio klausimų, – kokia yra elementariųjų dalelių masės prigimtis ir kodėl jų masės skiriasi. CMS detektorių sistema, kurios projekte dalyvauja ir Lietuvos mokslininkai, sudaryta iš keturių detektorių posistemių. Arčiausiai protonų pluoštelių susidūrimo taško instaliuoti dalelių pėdsakų silicio detektoriai, ir dalelėms praskriejimas fiksuojamas registruojant elektrinį signalą.

Šiuos detektorius supa hadronų kalorimetrai, kur fiksuojama dalelių energija scintiliatoriais registruojant optinį signalą. Dalelių charakteristikų įvertinimui sistemą supa solenoidas, kuris užtikrina vienodą magnetinį lauką. Virš solenoido sumontuoti miuonų detektoriai. Viena esminių problemų yra detektorių degradavimas dėl spinduliuočių poveikio, kurio įtaką tenka įskaityti apdorojant signalus ir reikmė daryti detektorių atnaujinimus. Radiaciniai defektai, veikiantys kaip rekombinacijos centrai, daro poveikį detektoriaus optoelektrinėms charakteristikoms, sumažina/transformuoja liuminescencijos intensyvumą, krūvininkų surinkimo efektyvumą, didina nuotėkio srovę, taip pakeisdami detektoriaus atsaką.

Todėl ateities detektorinėms sistemoms ieškoma naujų medžiagų jutikliams konstruoti, kurie būtų atsparūs įtėkiams (sukauptam integriniam dalelių srautui) iki 1×10¹⁷ dalelių/cm². Pageidautina jutiklių savybė būtų dvigubas atsakas (elektrinis ir optinis). Viena perspektyvių medžiagų dvigubo atsako jutiklių formavimui yra galio nitridas (GaN) ir jo lydiniai su aliuminiu (AlGaN).

GaN yra tiesiatarpė puslaidininkinė medžiaga, kuri plačiai naudojama gaminant biologinius, cheminius ir radiacijos jutiklius. Normaliomis sąlygomis (kambario temperatūroje) tai labai kieta medžiaga su viurcito tipo kristaline struktūra. Varijuojant Al kiekį (x=0,..1) Al_xGa_1-xN lydinyje galima keisti draustinių energijų tarpą nuo 3.4 eV (GaN) iki 6.2 eV (AlN), kai kristalo gardelės konstanta kinta nuo α_GaN=3.18 Å iki α_AlN=3.11 Å. Varijuojant draustinių energijų tarpą galima keisti elektrooptines medžiagos savybes. Tobulėjant AlGaN  auginimo technologijoms ir atsirandant AlGaN  medžiagų masinei gamybai, ši medžiaga tampa pigesne. Tuo būdu ateityje bus galima realizuoti masyvių detektorių darinių konstrukcijas.

Stabdomosios spinduliuotės, keleto MeV energijos dalelėms detektuoti tinka ir gana ploni kristaliniai sluoksniai. Auginant AlGaN kristalinius sluoksnius metaloorganinio cheminio nusodinimo iš garų fazės būdu (metalorganic chemical vapour deposition – MOCVD) atsiranda technologiniai defektai, tokie kaip sraigtinės dislokacijos. Šie išplitę defektai didina jutiklių nuotėkio srovę. Auginant MOCVD ant padėklų, tokių kaip safyras (Al₂O₃), silicio karbidas (SiC) ar silicis (Si), atsiranda gardelės nesutapimai (α_safyras= 4.785 Å, α_SiC= 3.073 Å, α_Si= 5.431 Å) ir įtempimai. Tai didina kristalo defektų  susidarymo galimybes.

Priklausomai nuo paskirties, padėklas gali būti izoliuojantis (pvz.: safyras) arba užtikrinantis lengvą suderinamumą su jau ištobulintą Si elektronika. Dislokacijų tankiui sumažinti dažnai auginami pereinamieji ploni sluoksniai (AlN/Al_0,8GaN/Al_0,5GaN) arba AlN/GaN/AlN/GaN supergardelių sruktūros. Taip mažinama tikimybė, kad dislokacijos išplis jutiklio funkciniame  sluoksnyje. Pereinamajam sluoksniui augant, formuojasi mažos „salelės“, kurios susijungia į vientisą kristalą. Bet sąaugose atsiranda dislokacijos, o jos yra taškinių defektų „traukos“ zonos. Siekiant sumažinti salelių kiekį paviršius padengiamas keletos nanometrų silicio nitrido (SiN) sluoksniu, ant kurio naujos salelės nebeauga.

Naudojant MOCVD technologiją Vilniaus universitete dislokacijų tankis siekia 10⁹ cm^-2. Modifikuota MOCVD technologija yra  šoninis auginimas (Epitaxial Lateral Overgrowth – ELO). ELO technologija realizuojama ant kai kurių buferinio sluoksnio vietų užauginant silicio dioksidą (SiO₂). SiO₂ neleidžia formuotis kristalui, todėl kristalas auga tik nepadengtose vietose šone. ELO leidžia sumažinti dislokacijų tankį tose vietose, kur bus formuojamas prietaisas. Tačiau ELO technologija yra gana brangi. Pasitelkiant MOCVD arba ELO technologiją neįmanoma užauginti storų kristalų.

Skvarbiųjų 0.1 -50 GeV spinduliuočių, mažo skerspjūvio sąveikų signalams registruoti reikia gana didelio storio homogeniško kristalo medžiagos. Didelio storio (> 100 mm) kristalams užauginti pasitelkiamos  tokios technologijos kaip epitaksija iš hidrido fazės (hydride vapour phase epitaxy – HVPE) (dislokacijų tankiai D³10⁶ cm^-2) bei ammonoterminis (ammono-thermal – AT) auginimo būdas (D~100 cm^-2). Pastarojoje technologijoje kristalas auga iš vienos sėklos, o tai užtikrina dislokacijų tinklo neišsiplėtimą. 

Didinant Al kiekį AlGaN lydinyje didėja ir defektų koncentracija. Dėl defektų AlGaN kristalo elektrinis laidumas gali padidėti netgi didėjant draustinių energijų tarpui. HVPE bei AT  AlGaN kristaluose aptinkama daug taškinių defektų, tokių kaip galio vakansijos, azoto vakansijos, įterptiniai atomai ir vakansijų kompleksai su vandeniliu. Šie defektai daro įtaką kristalo liuminescencinėms charakteristikoms bei nulemia papildomų liuminescencijos juostų atsiradimą. AlGaN  medžiagose dėl mažos savitosios krūvininkų koncentracijos bei kristalo sandaros pasireiškia poliarizacijos efektai, kurie mažina jutiklių jautrumą. Siekiant surasti kompromisinius sprendimus formuojant AlGaN detektorius būtina eksperimentiškai ištirti technologinių ir radiacinių defektų įtaką elektrinėms ir liuminescencinėms šių medžiagų savybėms.

Tokie tyrimai pradėti vykdyti Vilniaus universiteto Fotonikos ir Nanotechnologijų institute. Čia taip pat suformuoti bandomieji AlGaN detektoriai. Al_xGa_1-xN detektoriai buvo suformuoti ant safyro ir Si padėklų varijuojant Al koncentraciją lydinyje. Pasitelkiant plazminio ėsdinimo procedūras buvo suformuotos laiptelių formos meza struktūros. Tokie detektoriai testuoti apšvitinant 1.6 MeV protonais ir 18 MeV elektronais.

Kai kurie didelių energijų dalelėmis indukuotų liuminescencijos ir elektrinių signalų evoliucijos tyrimų  rezultatai, gauti AlGaN jutikliuose apšvitos metu, buvo  pateikti Vilniaus universiteto mokslininkų straipsnyje „Evolution of scintillation and electrical characteristics of AlGaN double-response sensors during proton irradiation“, išspausdinatame Sensors žurnale. Kai kurie testai buvo vykdyti naudojant 1.6 MeV protonus, pasitelkiant Tandetron 4110A greitintuvą.

Tokio detektorių testavimo sąrangos schema yra pateikta paveiksle (Pav. 1). Apšvitos metu buvo sinchroniškai registruojama trumpo jungimo srovė ir protonais indukuotos liuminescencijos (scintiliacijos) spektrų kaita. Scintiliacinis signalas buvo surenkamas daugiaskaiduliniu šviesolaidžiu, įvestu į vakuuminę apšvitos kamerą. Elektrinis ir optinis signalai buvo perduodami iš apšvitos zonos į spektrofotometrą ir piko-ampermetrą. Buvo pademonstruotas dvigubo atsako AlGaN detektorių ir dozimetrų efektyvumas ir radiacinis atsparumas. Parodyta, kad AlGaN medžiagų jutikliai gali būti efektyvūs didelių įtėkių (>10¹⁵ cm^-2) srityje. Kombinuojant detektorius, suformuotus AlGaN medžiagose su įvairia Al koncentracija, galima sukurti efektyvią dvigubo atsako detektoriaus sistemą, kuri būtų perspektyvi medicinos diagnostikoje, radiacijos monitoringe ir didelių energijų fizikos eksperimentuose.

Šie tyrimai buvo dalinai finansuojami Europos socialinio fondo lėšomis pagal priemonę Nr. 09.3.3-LMT-K-712-0012 „Mokslininkų, kitų tyrėjų, studentų mokslinės kompetencijos ugdymas per praktinę mokslinę veiklą“.