Fabrication and Characterization of Single GaN microwire radiation sensors: assessment of the detection capabilities and radiation resistance

Dirkjan Verheij

Key information

Authors:

Supervisors:

Katharina Lorenz (Katharina Lorenz); Susana Isabel Pinheiro Cardoso de Freitas (Susana Isabel Pinheiro Cardoso de Freitas); Jorge Manuel Dos Santos Ribeiro Fernandes (Jorge Manuel Dos Santos Ribeiro Fernandes)

Published in

July 21, 2023

Abstract

Microfios de nitreto de gálio são estruturas muito interessantes devido às suas características intrínsecas e, durante a última década, diversos dispositivos optoeletrónicos, baseados em microfios de GaN foram demonstrados. 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 pm e um diâmetro de 2 pm e, devido à geometria e dimensão reduzida, a sua estrutura cristalina é praticamente livre de defeitos. Adicionalmente, na sua configuração casca-núcleo, os microfios apresentam uma junção p-n na direção radial, o que promove a deteção 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 elétrica 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 coleção de carga (CCE). Os resultados indicaram de CCE valores máximos na ordem dos 30%. Durante a irradiação com protões de energia igual a 1 MeV e 2 MeV, verificou-se que até uma fluência de 1 x1014 protões/cm2 a modificação das propriedades elétricas dos sensores é negligenciável. Para fluências mais elevadas a corrente começa a diminuir, com uma queda mais abrupta para fluências entre 5x1014 protões/cm2 e 1x1015 protões/cm2. No entanto, mesmo após irradiar os dispositivos com uma fluência igual a 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 a possibilidade de detetar radiação ionizante e boa estabilidade em ambientes extremos, verifica-se o seu potencial na aplicação em diversos campos onde se requer sensores com uma sólida resistência à radiação ionizante. Gallium nitride microwires are very interesting structures due to their intrinsic characteristics and, over the last decade, several optoelectronic devices based on GaN microwires have been demonstrated. Being a semiconductor with a high resistance to ionizing radiation and stable at high temperatures, GaN microwires also have a potential to be applied as radiation sensors in extreme environments. The microwires have a height of up to 30 µm and a diameter of 2 µm, and due to their specific growth kinetics, their crystal structure is practically free of dislocations. Additionally, in their core-shell configuration they feature a p-n junction in the radial direction, where created charges are readily separated and contribute to the generated signal. In this work, radiation sensors based on single microwires were fabricated, microfabrication processes were developed and devices characterized by different experimental techniques. When irradiated with protons with an energy of 2 MeV, the electric current increases up to four orders of magnitude with respect to the dark current, while presenting response times below 20 ms. In addition, ion beam induced charge (IBIC) experiments allowed the charge collection efficiency (CCE) to be determined. The results indicated maximum values in the range of 30%. During irradiation with 1 MeV and 2 MeV protons, it was found that up to a fluence of 1x1014 protons/cm2 the modification of the electrical properties of the sensors is negligible. For higher fluences the current starts to decrease, with a more abrupt drop between 5x1014 protons/cm2 and 1x1015 protons/cm2 . However, even after irradiating the devices at a fluence of 5x1015 protons/cm2 , the sensors still show a response to the incident radiation. Considering the inherent advantages of microwires, namely in terms of the possibility to detect ionizing radiation and good stability, this thesis paves the way for potential applications in several fields where sensors with a solid resistance to ionizing radiation are required.