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 cơ bản, CĐ Kinh tế - Kỹ thuật Phú Lâm
2
Khoa Y, Đại học Nguyễn Tất Thành
3
Khoa Khoa học ứng dụng, Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM
Email:
1

TÓM TẮT
Gallium Arsenide (GaAs) là hợp chất bán dẫn nhóm III-V với một số đặc tính tốt phù hợp cho một
đầu dò hoạt động ở nhiệt độ phòng. Hiện nay có rất nhiều loại đầu dò bán dẫn như Si(Li), Ge(Li),
HPGe…nhưng với đầu dò bán dẫn GaAs nó mang những ưu điểm nổi trội hơn các loại đầu dò khác là
giá thành thấp và nhất là khi có thể hoạt động tốt ở nhiệt độ phòng mà nhiều loại đầu dò bán dẫn khác
khó có thể làm được. Bài báo này sẽ mô tả thuộc tính chất bán dẫn GaAs, phương pháp chế tạo đầu
dò GaAs. Đồng thời, trình bày các kết quả mô phỏng tín hiệu đầu dò GaAs khi thu nhận photon ở các
mức năng lượng khác nhau và sự phụ thuộc hiệu suất đầu dò vào các yếu tố như: năng lượng, vị trí
của nguồn bức xạ, độ dày của lớp GaAs, vật liệu tiếp xúc. Từ đó so sánh giữa đầu dò Si và GaAs để
thấy rõ hơn ưu điểm của đầu dò GaAs.
Từ khóa: Đầu dò Gallium Arsenide , mô phỏng bằng PENELOPE
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Giới thiệu
GaAs là một vật liệu với vận tốc electron lớn phù hợp với ngành điện tử tốc độ cao, đầu dò GaAs đã được
nghiên cứu bởi rất nhiều các nhóm nghiên cứu khác nhau trong hơn năm thập kỷ từ những năm 1960.
Hiện tại bán dẫn GaAs chiếm một vài phần trăm của tổng thể thị trường chất bán dẫn. Mặc dù thị phần
không lớn, nhưng tầm quan trọng của GaAs nằm trong các ứng dụng cho phép của nó. Chẳng hạn như GaAs


Hình 2: Cấu trúc vùng năng lượng của Si và GaAs [4]
Nếu so sánh giữa vật liệu GaAs và vật liệu Si, thì mỗi vật liệu đều có ưu điểm và khuyết điểm riêng. GaAs
có ưu điểm là tính linh động của electron cao, vận tốc electron bão hòa lớn hơn Si nên được dùng trong mạch
tích hợp tốc độ nhanh và cho phép các bóng bán dẫn gallium arsenide hoạt động ở tần số vượt quá 250 GHz.
GaAs có khả năng phát ra ánh sáng nên dùng trong LED, laser, trong mạch điện thoại…Không giống như Si,
thiết bị GaAs tương đối ít nhạy cảm với nhiệt do vùng cấm rộng hơn Si. Ngoài ra, các thiết bị GaAs có xu hướng
ít nhiễu hơn các thiết bị Si, đặc biệt là ở tần số cao. GaAs là một vật liệu tuyệt vời cho các thiết bị điện tử không
gian và cửa sổ quang học trong ứng dụng năng lượng cao .
Bảng 1: So sánh thuộc tính vật lý của chất bán dẫn GaAs và Si.
Properties

GaAs

Si

Formula weight

144.63

28.09

Crystal structure

Zinc blende

Diamond

Lattice constant


1.79 x 106

1.45 x 1010

Intrinsic resistivity (ohm.cm)

108

2.3 x 105

Breakdown field (V/cm)

4 x 105

3 x 105

Minority carrier lifetime (s)

10-8

2.5 x 10-3

Mobility (cm2/V.s)

8500

1500

3


200 keV. Đây là vùng năng lượng tia X mà trong y học thường sử dụng.
Với mỗi mức năng lượng ta thay đổi trong file PENDOSES.IN. Sau đó mở cửa sổ Command Prompt chạy
file PENDOSES.IN. Ứng với mỗi mức năng lượng sẽ cho một kết quả mô phỏng cụ thể trong PENDOSE. Kết
quả tính toán hiệu suất trong từng trường hợp được thể hiện trong PENDOSES.DAT. Từ các kết quả tính toán ta
có thể vẽ mối quan hệ giữa năng lượng photon và hiệu suất hấp thụ của 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 của hiệu suất theo năng lượng photon từ 2 keV đến 200 keV.
Với độ dày lớp GaAs là 350μm ở vùng năng lượng từ 2 keV đến 35 keV hiệu suất hấp thụ tương đối cao
khoảng 70-80% và khá ổn định. Trong khi vùng năng lượng từ 40 keV đến 100 keV thì hiệu suất hấp thụ giảm
mạnh đến 10%. Vùng năng lượng từ 100 keV đến 200 keV thì hiệu suất thấp dưới 10% và giảm nhẹ. Do đó ta
thấy rằng đầu dò GaAs là một ứng viên trong việc ứng dụng vào y học để thu nhận tia X. Ví dụ như ứng dụng
làm đầu dò 3D cho hình ảnh y học. Đối với một đầu dò hình học phẳng, các hạt mang điện phải đi qua toàn bộ
độ dày của đầu dò để có thể được thu nhận bởi điện cực. Điều này có nghĩa là độ dày của đầu dò có giới hạn, dẫn
đến giảm độ nhạy. Và điều này được khắc phục nếu dùng đầu dò 3D, tức là các đầu dò sẽ được khoan vào bề dày
của một cảm biến [6].
Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất của đầu dò GaAs vào khoảng cách giữa nguồn và đầu dò:
Trong trường hợp này, ta thay đổi vị trí giữa nguồn và đầu dò từ vài mm đến vài cm, cụ thể là 1 mm đến 6
cm với năng lượng photon là 50 keV. Ứng với mỗi vị trí đặt nguồn ta thay đổi thông số trong pendoses10.in,
chạy chương trình mô phỏng PENELOPE ta sẽ thu được kết quả tương ứng trong pendoses.

Hình 6: Đường cong hiệu suất của đầu dò thay đổi theo khoảng cách giữa nguồn và đầu dò từ 1mm đến 60mm.
Từ đồ thị hình 6, với độ dày lớp GaAs là 350μm ta thấy rằng khoảng cách giữa nguồn và đầu dò càng xa
thì hiệu suất hấp thụ càng giảm. Từ 1mm đến 10mm, hiệu suất hấp thụ giảm mạnh. Khoảng từ 1 mm đến 3 mm

650m để chế tạo.

Hình 9: So sánh hiệu suất theo năng lượng với độ dày khác nhau
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] đã chế tạo đầu dò GaAs với độ dày lớp bán dẫn là 350m. Để đánh giá sự lựa
chọn đó có tốt hay không ,trong trường hợp này, ta sẽ khảo sát hiệu suất theo năng lượng khi lớp bán dẫn GaAs
có độ dày thay đổi với các giá trị 350 m, 650m và 1000m. Ta thấy nếu chọn độ dày 650m sẽ tốt hơn.
Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu suất của đầu dò GaAs vào vật liệu tiếp xúc
Trong trường hợp này, ta sẽ khảo sát hiệu suất đầu dò theo năng lượng khi thay đổi lớp tiếp xúc Au-Ni
thành Al-Ni hoặc Au-Ge [7] với khoảng cách từ nguồn đến đầu dò là 1mm, độ dày lớp tiếp xúc vẫn giữ như tiếp
xúc Au-Ni.

Hình 10: Đường cong hiệu suất của đầu dò khi thay đổi lớp tiếp xúc.
Ba đường cong hiệu suất theo năng lượng của đầu dò khi tạo bởi 3 vật liệu tiếp xúc trùng nhau. Như vậy,
hiệu suất hấp thụ của đầu dò thay đổi không đáng kể khi thay đổi vật liệu tiếp xúc. Do đó, trong thực tế sản xuất,
tùy theo điều kiện hoạt động trong môi trường nhiệt độ nào thì nhà sản xuất lựa chọn tiếp xúc cho phù hợp
So sánh hiệu suất đầu dò si và GaAs:
Chúng ta sẽ so sánh hiệu suất của đầu dò GaAs và Si bằng việc sử dụng PENELOPE ở các mức năng
lượng 20keV, 30keV, 40keV, 50keV khi thay đổi độ dày lớp vật liệu bán dẫn lần lượt là 150μm,250 μm, 350μm.

Hình 11: Đồ thị biểu diễn tỉ lệ hiệu suất hấp thụ của đầu dò GaAs và Si
Từ hình 11 ta thấy rằng đối với những ứng dụng trong vùng năng lượng khoảng vài chục keV thì hiệu suất
hấp thụ của một đầu dò GaAs cao hơn nhiều hiệu suất hấp thụ của một đầu dò Si cùng kích thước. Hơn nữa do
có độ rộng vùng cấm phù hợp nên đầu dò GaAs hoạt động tốt ở nhiệt độ bình thường do vậy không cần phải có
bộ phận làm lạnh nên giá thành thiết bị sẽ rẻ hơn rất nhiều. Đăc biệt đầu dò GaAs có độ bền phóng xạ cao[8].

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