КООРДИНАТНЫЙ ДЕТЕКТОР РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЧАСТИЦ Российский патент 2003 года по МПК H01L31/115 G01T1/24 

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам релятивистских частиц, применяемых в области ядерного приборостроения, и может быть, в частности, использовано при создании детекторов релятивистских частиц, нейтронного и рентгеновского излучений.

Известны координатно-чувствительные детекторы (КЧД) [1], [2], в которых один из электродов обратно смещенного p-n-перехода со стороны падения потока частиц выполняется в виде резистивного слоя с двумя контактами на его краях. Второй электрод - задний обеспечивает омический контакт к полупроводниковой пластине. Заряд, образованный частицей в p-n-переходе детектора, растекается по контактам, при этом время растекания заряда, то есть время появления сигнала с детектора о попадании частицы, определяется постоянной времени RC - линии с распределенными параметрами, в которой резистивный слой образует активное сопротивление (R), а p-n-переход - емкость (С).

Такой детектор не обеспечивает значительного быстродействия (~1 ns) при регистрации, например, α-частиц, поскольку постоянная времени RC для детекторов площадью 1 см² (которые имеют практический интерес) весьма велика (более 1 мкс), а низкая чувствительность обусловлена отсутствием усиления ионизационного тока в p-n-переходных структурах детектора.

Данный недостаток частично устраняется в координатном чувствительном детекторе, в котором в качестве детектирующих элементов используются биполярные транзисторы, эмиттеры которых образуют электроды матрицы, параллельные ортогональным координатам Х и Y [3]. Этот детектор по технической сущности является наиболее близким к заявляемому и выбирается в качестве прототипа.

Детектор-прототип также имеет ограниченные чувствительность и быстродействие (разрешение по определению времени попадания частиц), так как заряд электронно-дырочных пар, собираемый коллекторными p-n-переходами биполярных транзисторов, частично рекомбинирует в квазинейтральной области базы, частично проходит без усиления через паразитные емкости коллекторного p-n^-- и эмиттерного n⁺-p-переходов и соизмерим по величине с уровнем шумов биполярного транзистора.

В настоящем изобретении ставится задача повышения чувствительности и точности полупроводникового координатного детектора. Вторая задача, решаемая в изобретении, заключается в повышении быстродействия. В изобретении дополнительно решается задача повышения надежности при одновременном упрощении его конструкции. Указанные задачи решены в координатном детекторе релятивистских частиц, содержащем двумерную матрицу полупроводниковых детектирующих элементов - пикселов, выполненных в полупроводниковой пластине, шины, к которым присоединены упомянутые детектирующие элементы, параллельные координатным осям, упомянутые детектирующие элементы - пикселы выполнены в виде биполярных структур с тремя слоями с чередующимся типом проводимости, имеющих низколегированную промежуточную область, которая перекрывается областями пространственного заряда, примыкающих к ней p-n-переходов упомянутой биполярной структуры.

Указанные задачи решены также в координатном детекторе релятивистских частиц, содержащем двумерную матрицу полупроводниковых детектирующих элементов - пикселов, выполненных в полупроводниковой пластине, шины, к которым присоединены упомянутые детектирующие элементы, параллельные координатным осям; упомянутые детектирующие элементы - пикселы выполнены в виде двухзатворных полевых транзисторных структур, у которых один из затворов совмещен с подложкой.

Отличие первого варианта координатного детектора заключается в том, что упомянутые детектирующие элементы - пикселы выполнены в виде биполярных структур с тремя слоями с чередующимся типом проводимости, имеющих низколегированную промежуточную область, которая перекрывается областями пространственного заряда, примыкающих к ней p-n-переходов упомянутой биполярной структуры.

Отличие второго варианта координатного детектора заключается в том, что низколегированная промежуточная область биполярной структуры частично перекрывается областями пространственного заряда, примыкающих к ней p-n-переходов упомянутой биполярной структуры.

Отличие третьего варианта координатного детектора заключается в том, что в промежуточной области биполярной структуры расположена дополнительная сильнолегированная область с омическим контактом.

Отличие четвертого варианта координатного детектора заключается в том, что пикселы выполнены в виде двухэмиттерных структур.

Отличие пятого варианта координатного детектора заключается в том, что содержит дополнительно включенную биполярную структуру с тремя слоями с чередующимся типом проводимости, которая совмещена одной крайней областью с крайней областью упомянутой двухполюсной биполярной структуры, а средней областью с другой крайней областью упомянутой двухполюсной структуры.

Отличие шестого варианта координатного детектора заключается в том, что к одной из крайних областей упомянутой биполярной структуры подключен затвор дополнительного МОП-транзистора.

Отличие седьмого варианта координатного детектора заключается в том, что к стоку упомянутого дополнительного МОП-транзистора подключен исток второго дополнительного транзистора, сток и затвор которого соединены с шинами матрицы.

Отличие восьмого варианта координатного детектора заключается в том, что упомянутые детектирующие элементы - пикселы выполнены в виде двухзатворных полевых транзисторных структур, у которых один из затворов совмещен с подложкой.

Отличие девятого варианта координатного детектора заключается в том, что детектирующие элементы выполнены в виде полевых транзисторных структур с вертикальным каналом и истоком, совмещенным с подложкой.

Область базы р(n)-типа с толщиной w_b полностью перекрывается областями пространственного заряда эмиттерного (d_э) и коллекторного (D_к) p-n-переходов, т.е. W_б ≤d_э+d_к.

С целью повышения надежности и быстродействия работы детектора область базы р(n)-типа со стороной W_б только частично перекрывается областями пространственного заряда эмиттерного и коллекторного p-n переходов, т. е. W_б>d_э+d_к.

С целью повышения быстродействия пиксел выполняется транзисторами, для этого область базы содержит дополнительную сильнолегированную квазинейтральнуго р(n)-область, на которой формируется электрод базы.

С целью упрощения детектора и повышения точности определения координат детектирующие элементы - пикселы выполняются 2-эмиттерными.

С целью повышения чувствительности в качестве детектирующих элементов используются функционально-интегрированные структуры из биполярных двухполюсных транзисторных пикселов, у которых объединены области коллекторов, а также эмиттерный и базовый электроды. С целью повышения точности измерения детектора эмиттеры детектирующих элементов подключены к затворам функционально-интегрированных с ними p(n)-канальных полевых транзисторов.

При регистрации релятивистских частиц, приходящих одновременно, эмиттеры детектирующих элементов подключены к затворам функционально-интегрированных с ними n(р)-канальных МОП-транзисторов.

С целью увеличения чувствительности и улучшения соотношения сигнал/шум детектор выполняется слоистым из нескольких матриц пикселов, сигнал с которых суммируется.

Изобретение поясняется приведенными чертежами.

Фиг. 1 - эквивалентная электрическая схема детектирующего элемента матрицы - пиксела двухполюсного согласно изобретению.

Фиг.2 - вид сверху на топологию диодного пиксела согласно изобретению.

Фиг.3 - поперечный разрез конструкции диодного пиксела согласно изобретению.

Фиг.4 - эквивалентная электрическая схема двухполюсного пиксела согласно изобретению.

Фиг. 5 - вид сверху на структуру двухполюсного пиксела согласно изобретению.

Фиг.6 - поперечный разрез структуры двухполюсного пиксела согласно изобретению.

Фиг. 7 - эквивалентная электрическая схема триодного пиксела согласно изобретению.

Фиг.8 - вид сверху структуры триодного пиксела согласно изобретению.

Фиг. 9 - поперечный разрез структуры триодного пиксела согласно изобретению.

Фиг.10 - эквивалентная электрическая схема 2-эмитторного триодного пиксела согласно изобретению.

Фиг. 11 - вид сверху структуры 2-эмитторного триодного пиксела согласно изобретению.

Фиг. 12 - поперечный разрез структуры 2-эмитторного триодного пиксела согласно изобретению.

Фиг. 13 - эквивалентная электрическая схема функционально-интегрированного двухполюсного транзисторного пиксела согласно изобретению.

Фиг. 14 - вид сверху структуры функционально-интегрированного двухполюсного транзисторного пиксела согласно изобретению.

Фиг. 15 - поперечный разрез структуры функционально-интегрированного двухполюсного транзисторного пиксела согласно изобретению.

На фиг. 1, 2 и 3 изображен детектирующий элемент двухполюсного пиксела матрицы детектора. Его слаболегированная полупроводниковая подложка - n-типа (1), состоит из квазинейтральной части (2) и области пространственного заряда (3). На обратной стороне подложки (1) расположена n⁺ - сильнолегированная контактная область (4), имеющая омический контакт с металлическим электродом (5) шины питания U_cc. На внешней стороне подложки расположена слаболегированная область р- или n-типа (6), в которой расположена сильнолегированная область эммитера n⁺-типа (7) и области пространственного заряда коллектора - d_k (8) и эммитера (9), на поверхности области n⁺-эммитера расположен выходной электрод (10). Структура пиксела частично изолирована от подложки (1) диэлектриком (11).

На фиг. 4, 5 и 6 изображен пиксел, в котором область базы (6) содержит квазинейтральную область р-типа (12).

На фиг. 7, 8 и 9 изображен транзисторный пиксел, содержащий сильнолегированную область р⁺-типа (13) с расположенным на ней базовым электродом (14).

На фиг. 10, 11 и 12 изображен транзисторный 2-эммитерный пиксел, содержащий дополнительный n⁺-эммитер (15) и электрод к нему (16).

На фиг.13, 14 и 15 изображен детектирующий элемент, представляющий собой функционально-интегрированную структуру двухполюсных транзисторных пикселов, имеющих общую область пространственного заряда (3) в подложке (1).

Координатный детектор релятивистских частиц работает следующим образом.

При подключении напряжения питания (U_cc) к детектору и попадании релятивистской частицы в двухполюсный пиксел детектора в его полупроводниковом материале генерируются электронно-дырочные пары. Они в основном собираются в области пространственного заряда (d_k) слаболегированного коллекторного p-n-перехода структуры (см. фиг.3), величина которой много больше топологической ширины р^--базы, т. е. D_k>>W_b, и образуют первичный ионизационный ток I_ион.

Важным является обстоятельство, что при подаче достаточно высокого импульсного напряжения питания U_cc происходит смыкание областей пространственного заряда коллекторного и эммитерного p-n-переходов (П1 изобретения). Это приводит к полному удалению подвижных дырок из р-области базы (см. фиг.1-3) аналогично, как это происходит в приборах с зарядовой связью [4]. Таким образом, области базы структуры превращаются в потенциальную яму для дырок. При этом достигается высокий коэффициент усиления в схеме с общей базой α и общим эммитером

т. к. коэффициент переноса тока в базе α_т становится близким к единице вследствие равенства нулю ширины квазинейтральной части базы (W_b.k=0) [4], т.е.

γ ≈ 1/(1+ D_p•N_b•W_b/D_n•N_e•W_e) при W_b и W_e << L_n и L_p,
где L_p - диффузионная длина для дырок;
L_n - диффузионная длина для электронов;
γ - коэффициент эффективности эммитера;
N_e - концентрация донорной примеси в эммитере;
тогда β₀≈N_e/N_b-1;
N_b - концентрация акцепторной в базе;
W_b - технологическая толщина базы.

Отсюда выходной ток диодного пиксела - ток эммитера I_e равен
I_e = I_ион•N_e/N_b•W_b.

Однако тепловая генерация дырок в области базы и коллектора приводит к постепенному их накоплению в потенциальной яме области базы и коллектора при отсутствии электронно-дырочных пар, вызванных взаимодействием с релятивистской частицей, что требует периодической регенерации базы (≈10 мкс).

Менее эффективным по усилению, но более простым и стабильным по разбросу β₀ представляется режим работы диодного пиксела при наличии квазинейтральной части W_b.k. в области базы (см. П2 и фиг.4, 5, 6). В этом случае коэффициент усиления β₀≈α_т. При этом в диодных пикселах объем (ширина и толщина) и концентрация примеси N_b выполняются весьма малыми, так что выполняется соотношение: р=n>N_b.

Это приводит к высокому соотношению сигнал/шум и уменьшает влияние паразитных диффузионной и барьерной емкостей. Следует отметить, что диодные пикселы представляют собой функциональный элемент, в котором интегрируется биполярная инжекционная усилительная n-p-n-структура с потенциальной ямой в области базы.

Если поток радиационных частиц весьма интенсивен (α-частиц V>10⁷ α/с), целесообразно использовать транзисторную структуру (см. фиг.7, 8, 9), в которой базовый электрод подсоединяется к фиксированному потенциалу.

Детектирующие элементы - двухполюсные и транзисторные пикселы могут быть выполнены 2- или 3-эмиттерными (см. фиг.10, 11, 12), что позволяет использовать только одну пластину для определения двух координат и повысить точность их определения (см. фиг.10, 11, 12).

Чувствительность детектора может быть существенно повышена за счет функциональной интеграции последовательно включенных двухполюсного и транзисторного пикселов, имеющих общую область сбора носителей заряда в коллекторе (см. фиг.13, 14, 15). В этом случае общий коэффициент усиления по току равен произведению их коэффициентов усиления.

К сожалению, регистрация одновременно приходящих частиц детекторами, реализованными на основе изобретений, представленных ранее, невозможна. Однако решением данной задачи является функциональная интеграция двухполюсного или транзисторного пикселов с МОП-транзистором, затворная емкость которого выполняет функции элемента памяти конденсаторного типа. В этом случае усиленные пикселами ионизационные токи, создаваемые одновременно с прохождением релятивистских частиц, заряжают соответствующие затворные МОП-конденсаторы, которые хранят заряд в течение времени, достаточного для их последовательного считывания. Например, это можно осуществить с помощью дополнительно введенного МОП-транзистора для 2-координатного способа. Следует отметить, что МОП-транзисторы могут быть полностью диэлектрически изолированными от полупроводниковой подложки.

Чувствительность детектора при регистрации нейтронного излучения может быть увеличена путем нанесения на поверхность детектора водородосодержащих (органических) и люминесцентных соединений. Взаимодействие с водородосодержащими соединениями нейтронного излучения издает регистрируемые детектором протоны отдачи, а взаимодействие рентгеновского излучения с люминесцентными материалами создает в пикселах детектора потоки световых квантов, генерирующих ионизационные токи.

Пример практической реализации.

Прохождение релятивистской частицы через полупроводниковую структуру пиксела детектора вызывает генерацию (~10⁴) электронно-дырочных пар на длине пробега в кремнии L_Si=100 мкм [5]. Задаваясь напряжением обратного смещения коллекторного перехода U_cc=100 В и величиной области пространственного заряда в коллекторе с d_к=100 мкм, можно получить из выражения

где ε₀ и ε_Si - диэлектрические постоянные вакуума и кремния;
ϕ_K - контактная разность потенциалов;
q - заряд электрона;
значение N_В= 10¹³ см^-3, соответствующее удельному сопротивлению кремния ρ_Si~ 300 Ом•см, который широко применяется в настоящее время в промышленности.

Амплитуда дрейфовой составляющей ионизационного тока может быть определена из выражения

где n_ОПЗ ≈ n_г = 10⁴ - число электронов, генерируемых в области d_к;
t_пр - время пролета электронов через область d_к; учитывая, что скорость дрейфа
ν_др = E•μ_e = B/см<<E_кр,
где
ν_нас=0,6•10⁷ см/с - скорость насыщения электронов;

Амплитуда диффузионной составляющей ионизационного тока I_диф весьма мала и ей можно пренебречь.

где L_n, D_n - диффузионная длина и коэффициент диффузии для электронов;
n_КНО - число электронов, генерируемых в квазинейтральной области кремния на длине L_KHO;
Учитывая, что величина собственного генерационного тока I_ген в области пространственного заряда равна

где n_i - концентрация электронов в кремнии с собственной проводимостью;
τ₀ - время жизни электронов;
W_к = объем области пространственного заряда толщиной d_к.

Величиной теплового тока можно пренебречь, т.к.

Задаваясь характерными размерами площадей эмиттерного и коллекторного p-n-переходов, легко реализуемыми практически, А_р-n=3 мкм • 3 мкм, имеем величину барьерной емкости эмиттерного перехода


и его диффузионной емкости

где U_бэ - напряжение на переходе база-эмиттер, близко к нулю;
Т - абсолютная температура;
k - постоянная Больцмана.

Таким образом, перепад напряжения ΔU_др на барьерной емкости от I_др

Учитывая, что коэффициент усиления тока базы в схеме с общим коллектором β₀≥100 для транзисторных структур с глубиной эмиттерного (x_э=0,5 мкм) и коллекторного (x_к=1,0 мкм) переходов имеем ток эмиттера для пиксела
I_э = (β₀+1)•I_др≈0,1•10^-6 A.
Учитывая соотношения для среднеквадратичного шумового тока коллектора

где I_ш = I_ген;
Δf - ширина полосы частот, в которой измеряется шум;
имеем а соотношение сигнал/шум не хуже

Таким образом, из теоретических расчетов следует, что данный детектор обеспечивает надежное детектирование релятивистских частиц.

Подтверждением перспективности данного детектора служат экспериментальные результаты, которые были получены на макетных образцах детектора при детектировании α-частиц, которые опубликованы в [6].

Важно отметить, что быстродействие детектора обусловлено высоким уровнем тока (мощности) выходного сигнала и возможностью его локального усиления в пределах пиксела при использовании функционально-интегрированных элементов, описанных в П5. В этом случае время выборки информации с детектора площадью 100•100 мкм² не превышает 20 нс.

Область базы р(n)-типа с толщиной W_b полностью перекрывается областями пространственного заряда эмиттерного (dэ) и коллекторного (d_к) p-n-переходов, т.е. W_б ≤d_э+d_к.

С целью повышения надежности и быстродействия работы детектора область базы р(n)-типа со стороной W_б только частично перекрывается областями пространственного заряда эмиттерного и коллекторного p-n-переходов, т. е. W_б>d_э+d_к.

С целью повышения быстродействия пиксел выполняется транзисторами, для этого область базы содержит дополнительную сильнолегированную квазинейтральную р(n)-область, на которой формируется электрод базы.

С целью упрощения детектора и повышения точности определения координат детектирующие элементы - пикселы выполняются 2-эмиттерными.

С целью повышения чувствительности в качестве детектирующих элементов используются функционально-интегрированные структуры из биполярных двухполюсных транзисторных пикселов, у которых объединены области коллекторов, а также эмиттерный и базовый электроды. С целью повышения точности измерения детектора эмиттеры детектирующих элементов подключены к затворам функционально-интегрированных с ними p(n)-канальных полевых транзисторов.

При регистрации релятивистских частиц, приходящих одновременно, эмиттеры детектирующих элементов подключены к затворам функционально-интегрированных с ними n(p)-канальных МОП-транзисторов.

С целью увеличения чувствительности и улучшения соотношения сигнал/шум детектор выполняется слоистым из нескольких матриц пикселов, сигнал с которых суммируется. Далее изобретение поясняется приведенными чертежами.

ЛИТЕРАТУРА
1. Klanner R. Silicon detectors //I bid, 1985. VA235 1 p. 209-215.

2. Горн Л.С., Хазанов Б.И. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1989 г., стр. 85-87.

3. Мелешко Е.А., Мурашов В.Н., Павлов Д.В., Тарабрин Ю.А., Яковлев Г.В. Координатно-чувствительный детектор. Патент на изобретение 2133524 от 20 июля 1999 г. Российская федерация.

4. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984 г., т.1, стр. 150-155, 429-430.

5. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е. Элементы сверхбольших интегральных схем. М.: Радио и связь, 1986 г., стр. 68-72.

6. A. L. Klimov, V.N. Murachev, D.V. Pavlov, V.A. Tarabrin, G.V. Yakovlev. Application of semiconductor detectors in nuclear phusical problems, Riga, Latvia, May 18-22, 1988 г. The prospect of Alfa-particles detection by bipolar matrix devices.

Изобретение относится к области атомного приборостроения и микроэлектроники и может быть использовано, в частности, при создании координатных чувствительных детекторов релятивистских частиц, рентгеновского и нейтронного излучения. Технический результат изобретения заключается в увеличении чувствительности, точности, быстродействия и надежности. Сущность: детектор содержит двумерную матрицу полупроводниковых детектирующих элементов - пикселов, которые выполнены в виде биполярных структур с тремя слоями с чередующимся типом проводимости и имеющих низколегированную промежуточную область, которая перекрывается областями пространственного заряда, примыкающих к ней р-n-переходов упомянутой биполярной структуры. Шины, к которым присоединены упомянутые детектирующие элементы, параллельны координатным осям. 6 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Координатный детектор релятивистских частиц, содержащий двумерную матрицу полупроводниковых детектирующих элементов-пикселов, выполненных в полупроводниковой пластине, шины, к которым присоединены упомянутые детектирующие элементы, параллельные координатным осям, отличающийся тем, что упомянутые детектирующие элементы-пикселы выполнены в виде биполярных структур с тремя слоями с чередующимся типом проводимости, имеющих низколегированную промежуточную область, которая перекрывается областями пространственного заряда, примыкающих к ней р-n переходов упомянутой биполярной структуры. 2. Координатный детектор релятивистских частиц по п. 1, отличающийся тем, что низколегированная промежуточная область биполярной структуры частично перекрывается областями пространственного заряда, примыкающих к ней р-n переходов упомянутой биполярной структуры. 3. Координатный детектор релятивистских частиц по п. 2, отличающийся тем, что в промежуточной области биполярной структуры расположена дополнительная сильнолегированная область с омическим контактом. 4. Координатный детектор релятивистских частиц по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что пикселы выполнены в виде двухэмиттерных структур. 5. Координатный детектор релятивистских частиц по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что содержит дополнительно включенную биполярную структуру с тремя слоями с чередующимся типом проводимости, которая совмещена одной крайней областью с крайней областью упомянутой двухполюсной биполярной структуры, а средней областью - с другой крайней областью упомянутой двухполюсной структуры. 6. Координатный детектор релятивистских частиц по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что к одной из крайних областей упомянутой биполярной структуры подключен затвор дополнительного МОП-транзистора. 7. Координатный детектор релятивистских частиц по п. 6, отличающийся тем, что к стоку упомянутого дополнительного МОП-транзистора подключен исток второго дополнительного транзистора, сток и затвор которого соединены с шинами матрицы.