Fabrication and characterization of single GaN microwire radiation sensors: assessment of the detection capabilities and radiation resistance

Resumo:

Microfios de nitreto de gálio são estruturas muito interessantes devido às suas características intrínsecas e, durante a última década, diversos dispositivos optoelectrónicos baseados em microfios de GaN foram demonstados. Sendo um semicondutor com uma elevada resistência à radiação ionizante e estável à altas temperaturas, os microfios de GaN também apresentam um potencial para serem aplicados como sensores de radiação em ambientes extremos. Os microfios têm uma altura até 30 µm e um diâmetro de 2 µm, e devido a geometria e dimensão reduzida, a sua estrutura cristalina é praticamente livre de deslocações.

Adicionalmente, na sua configuração casca-núcleo apresenta uma junçao p-n na direcção radial, o que promove a detecção de carga. Neste trabalho, sensores de radiação baseados num único microfio foram fabricados usando diversas técnicas de microfabricação e caracterizados por diferentes técnicas experimentais. Quando irradiados com protões com uma energia de 2 MeV, a corrente eléctrica aumenta até quatro ordens de grandeza relativamente à corrente escura com tempos de resposta inferiores à 20 ms. Para além disto, experiências de carga induzida por feixes de iões (IBIC) permitiram estudar a eficiência de colecção de carga (CCE).

Os resultados indicaram valores máximos na ordem dos 30%. Durante a irradiação, verificou-se que até uma fluência de 1x1014 protões/cm2 a modificação das propriedades eléctricas dos sensores é negligenciável. Para fluências mais elevadas a corrente começa a diminuir, com uma queda mais abrupta entre 5x1014 protões/cm2 e 1x1015 protões/cm2 .

No entanto, mesmo após irradiar os dispositivos com uma fluência de 5x1015 protões/cm2 , os sensores continuam a mostrar uma resposta à radiação incidente. Tendo em conta as vantagens inerentes dos microfios, nomeadamente no que toca à possibilidade de detectar radiação ionizante e boa estabilidade, verifica-se o seu potencial na aplicação em diversos campos onde se requer sensores com uma sólida resistência à radiação ionizante.