ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ-ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01T1/24 H01L31/296 H01L31/108 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к элементу-детектору излучения на основе полупроводникового соединения для применения в области ядерной медицины, радиационной диагностики, атомной энергетики, астрономии, физики космических лучей и т.д.

Уровень техники

В общем полупроводниковый элемент-детектор излучения является устройством, в котором электрический заряд, возникающий в нем вследствие эффекта ионизации под действием падающего излучения, перемещается и собирается с целью получения сигнала в электрическом поле, прикладываемом между двумя электродами. Поэтому очень важно собрать электрический заряд с более высокой эффективностью, чтобы достичь более высокого разрешения по энергии относительно падающего излучения.

Чтобы получить такую более высокую эффективность сбора заряда, предпочтительно, чтобы расстояние «l» перемещения носителей заряда (электрона и дырки) являлось более протяженным или, другими словами, напряженность электрического поля была более высокой. Расстояние «l» перемещения носителей заряда определяют следующим образом:

l=μ·τ·E,

где μ означает подвижность электрического заряда; τ означает время жизни носителя и E означает напряженность электрического поля.

С другой стороны, все полупроводниковые элементы-детекторы излучения имеют такую тенденцию, которая заключается в том, что даже в случае отсутствия падающего излучения в соответствии с приложенным напряжением постоянно течет некоторый ток утечки, что является одной из причин, снижающих разрешение по энергии. В результате напряжение, которое может быть приложено к обоим электродам, ограничено.

Кристалл CdTe р-типа для элемента-детектора излучения имеет удельное электрическое сопротивление порядка ˜ 10⁹ Ом·см. Такой кристалл использовали для производства полупроводникового элемента-детектора излучения типа МПМ (металлический электрод - полупроводник - металлический электрод) таким образом, чтобы создать омические электроды на противоположных поверхностях кристалла. Однако такое устройство имеет тот недостаток, что оно обладает недостаточной способностью подавлять ток утечки в случае приложения достаточного напряжения смещения, чтобы получить хороший сбор заряда. И наоборот, если приложено пониженное напряжение смещения с тем, чтобы уменьшить ток утечки, сбор заряда также становится недостаточным. Поэтому в устройстве МПМ-типа нельзя достичь удовлетворительного разрешения по энергии.

Чтобы преодолеть описанный выше недостаток полупроводникового CdTe-элемента-детектора излучения МПМ-типа, который описан выше, был предложен полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки, в котором электрод из индия и т.д. располагают на одной поверхности кристалла CdTe р-типа, чтобы образовать контакт Шоттки между ними, а электрод из золота, платины и т.д. располагают на противоположной поверхности кристалла, чтобы создать омический контакт между ними.

Обнаружено, что полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки, который описан выше, обеспечивает хорошую разрешающую характеристику, так как ток утечки, если таковой имеется, может быть сведен к минимуму даже при наличии более высокого электрического поля за счет приложения некоторого обратного напряжения, тем самым обеспечивая хорошее разрешение по энергии.

Однако в полупроводниковом CdTe-элементе-детекторе излучения, содержащем металлический материал, например индий, в качестве электрода со стороны барьера Шоттки обнаружено такое явление, согласно которому эффективность сбора заряда в значительной степени уменьшается с течением времени после приложения напряжения смещения. Это явление названо «поляризационным эффектом». Считалось, что данное явление вызвано тем фактом, что вследствие неполного контакта Шоттки на положительной стороне и омического контакта на отрицательной стороне имеет место некоторое искажение в зонной структуре и, соответственно, дырка удерживается в заполненной зоне, образуя электронную ловушку до того, как дырка достигнет отрицательного полюса. То есть в полупроводниковом CdTe-элементе-детекторе излучения с барьером Шоттки, содержащем индий, используемый в качестве электрода, хорошее разрешение по энергии обеспечивается сразу после приложения напряжения, но оно уменьшается с течением времени и это представляет собой существенную проблему для реального применения.

Ввиду вышеизложенного целью настоящего изобретения является решение проблем, связанных с конфигурацией электродов предшествующего уровня техники, которые описаны выше, и предоставление улучшенного элемента-детектора излучения с барьером Шоттки, который вряд ли будет иметь «поляризационный эффект» вследствие использования улучшенной конфигурации электродов.

Сущность изобретения

Чтобы достичь указанной цели, настоящее изобретение предлагает полупроводниковый элемент-детектор излучения (радиации) с барьером Шоттки, включающий в себя кристалл полупроводникового соединения, содержащего в качестве главных компонентов кадмий и теллур; и средства приложения напряжения для приложения напряжения к кристаллу полупроводникового соединения, при этом указанные средства приложения напряжения содержат соединение индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z, сформированное на одной поверхности кристалла полупроводникового соединения.

Коэффициент заселенности (содержание) «z» теллура в соединении In_xCd_yTe_z подобран так, чтобы он был в пределах не менее 42,9%, но не более 50% по отношению к общему числу атомов. Кроме того, коэффициент заселенности (содержание) «y» кадмия подобран так, чтобы он был в пределах не менее 0%, но не более 10% по отношению к общему числу атомов.

Настоящее изобретение обеспечивает выгодный эффект, состоящий в том, что между полупроводниковым соединением CdTe и слоем соединения In_xCd_yTe_z образован запирающий переход Шоттки с тем, чтобы обеспечить хорошую разрешающую характеристику. Другими словами, при прикладывании напряжения в таком направлении, что более высокий потенциал создается со стороны_{InxCdyTez, можно достичь более высокой эффективности сбора заряда, при этом преимущественно подавляя любой ток утечки. В результате можно создать элемент-детектор излучения, имеющий хорошее разрешение по энергии.}

В этой связи, если коэффициент заселенности «z» теллура в соединении In_xCd_yTe_z подобран так, чтобы он был в пределах не менее 42,9%, но не более 50% по отношению к общему числу атомов, а коэффициент заселенности «y» кадмия подобран так, чтобы он был в пределах не менее 0%, но не более 10% по отношению к общему числу атомов, то эффективность сбора заряда может поддерживаться на более высоком уровне, который достигается сразу после прикладывания напряжения смещения, в течение более длительного периода времени даже при нормальной температуре, обеспечивая стабильную работу, при которой маловероятен «поляризационный эффект». В отличие от этого коэффициент заселенности «z» теллура в соединении In_xCd_yTe_z в пределах менее 42,9% или более 50% по отношению к общему числу атомов или коэффициент заселенности «y» кадмия в пределах более 10% по отношению к общему числу атомов не подходят из-за уменьшения эффективности сбора заряда, наблюдаемого вскоре после прикладывания напряжения смещения.

Таким образом, полупроводниковый элемент-детектор излучения согласно настоящему изобретению обеспечивает стабильную работу в течение периода в несколько часов при нормальной температуре по сравнению с элементом-детектором излучения с барьером Шоттки предшествующего уровня техники, в котором явление уменьшения эффективности сбора заряда с течением времени, также называемое «поляризационным эффектом», начинает проявляться сразу (т.е. от нескольких минут до нескольких десятков минут) после приложения напряжения смещения.

Краткое описание чертежей:

Настоящее изобретение будет теперь описано подробно со ссылкой на сопровождающие фигуры, на которых:

Фиг.1 представляет собой изображение конфигурации электродов элемента-детектора излучения согласно настоящему изобретению;

Фиг.2 представляет собой изображение, иллюстрирующее коэффициент заселенности каждого компонента в соединении In_xCd_yTe_z в каждом из вариантов осуществления изобретения и примеров для сравнения;

Фиг.3 представляет собой изображение, схематично иллюстрирующее процесс измерения спектра с использованием элемента-детектора излучения согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг.4 является графиком, иллюстрирующим изменение отклика на монохроматическое излучение с течением времени, который был получен в элементе-детекторе излучения согласно настоящему изобретению;

Фиг.5 представляет собой изображение, иллюстрирующее конфигурацию электродов и способ изготовления электродов для обычного элемента-детектора излучения, приведенного в целях сравнения; и

Фиг.6 является графиком, иллюстрирующим изменение отклика на монохроматическое излучение с течением времени, который был получен в обычном элементе-детекторе излучения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Варианты осуществления данного изобретения теперь будут описаны со ссылкой на сопровождающие фигуры.

Пластину полупроводникового кристалла CdTe снабжают тонкой пленкой In_xCd_yTe_z на одной из ее сторон с помощью любого способа изготовления пленок, такого как напыление, и омическим электродом из платины на ее противоположной поверхности. Следовательно, между кристаллом CdTe и_{тонкой пленкой InxCdyTez образуется переход Шоттки. На поверхность слоя InxCdyTez, например, можно нанести дополнительную тонкую металлическую пленку из алюминия для использования в качестве контакта. Отмечается, что способ изготовления тонкой пленки InxCdyTez не ограничен напылением.}

Полупроводниковый кристалл не ограничен полупроводниковым кристаллом CdTe, который описан выше, и он может быть заменен кристаллом другого полупроводникового соединения, содержащего кадмий и теллур в качестве главных компонентов, в котором коэффициент заселенности кадмия подобран в пределах не менее 30%, но не более 50% по отношению к общему числу атомов. Одним из примеров такого соединения является теллурид цинка-кадмия (Cd_1-xZn_хTe).

После изготовления электрода пластину разрезают на чипы, имеющие подходящий размер, способом скрайбирования.

Вариант 1:

В дальнейшем будет описан способ изготовления полупроводникового элемента-детектора излучения с барьером Шоттки, включающего в себя кристалл полупроводникового соединения, содержащего в качестве главных компонентов кадмий и теллур, и средства приложения напряжения для приложения напряжения к кристаллу полупроводникового соединения, при этом указанные средства приложения содержат соединение индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z, сформированное на одной поверхности кристалла полупроводникового соединения. Кроме того, также будет описано измерение энергетического спектра излучения с использованием полупроводникового элемента-детектора излучения.

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe р-типа, имеющего удельное сопротивление 10⁹ Ом·см, путем напыления наносили слой соединения индия, кадмия и теллура_{InxCdyTez в качестве электрода для образования барьера Шоттки. Пластину полупроводникового кристалла на ее противоположной поверхности снабжали омическим электродом из платины методом химического восстановления (смотри фиг.1). Составслоя InxCdyTez анализировали методом дифракции рентгеновских лучей (XRD) и с помощью устройства энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX). В результате был определен состав - In49,5Cd0,5Te50 (см. фиг.2). Затем пластину с электродами разрезали на чипы, имеющие подходящий размер, чтобы получить полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки.}

Фиг.3 схематично иллюстрирует процесс измерения спектра с использованием такого элемента-детектора излучения. Как показано, платиновый электрод (отрицательный полюс) заземлен, а электрод In_xCd_yTe_z (положительный полюс) связан с источником питания высокого напряжения и с предусилителем.

Фиг.4 является графиком, иллюстрирующим изменение отклика на энергетический спектр излучения от источника гамма-излучения ⁵⁷Co с течением времени. В этой связи уменьшение эффективности элемента-детектора с течением времени оценивали посредством наблюдения любого изменения отклика в канале пика, соответствующего пику фотоэлектрического поглощения при 122 кэВ, в частности, среди энергий фотонов, испускаемых от источника гамма-излучения ⁵⁷Co. Как видно на графике, CdTe-элемент-детектор излучения с барьером Шоттки согласно настоящему изобретению показывал постоянный отклик за счет явления фотоэлектрического поглощения при 122 кэВ в течение периода времени более 180 минут после приложения напряжения смещения. Другими словами, элемент-детектор излучения с барьером Шоттки согласно настоящему изобретению обеспечивал стабильную работу в течение более длительного периода времени при комнатной температуре. Следует отметить, что «относительное значение в канале пика», отложенное по ординате на графике согласно фиг.4, получали исходя из того предположения, что значение, получаемое сразу же (или в точке ноль минут) после приложения напряжения смещения, равно 1.

Вариант 2:

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe р-типа, имеющего удельное сопротивление 10⁹ Ом·см, наносили слой соединения индия, кадмия и теллура_{InxCdyTez в качестве электрода для образования барьера Шоттки методом резистивного термовакуумного напыления. Пластину полупроводникового кристалла на ее противоположной поверхности снабжали омическим электродом из платины с помощью метода химического восстановления (смотри фиг.1). Составслоя InxCdyTez анализировали методом дифракции рентгеновских лучей (XRD) и с помощью устройства энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX). В результате определили состав - In57,1Cd0Te42,9 (In4Te3) (см. фиг.2). Затем CdTe-элемент-детектор излучения с барьером Шоттки использовали для создания спектрометра, как и в случае варианта 1, и исследовали отклик элемента-детектора на монохроматическое излучение. В результате элемент-детектор излучения согласно варианту 2 проявлял большую эффективность в отношении сбора заряда и стабильную работу в течение более длительного периода времени, чем в случае варианта 1.}

Вариант 3:

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe р-типа, имеющего удельное сопротивление 10⁹ Ом·см, наносили слой соединения индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z в качестве электрода для образования барьера Шоттки методом резистивного термовакуумного напыления. Пластину полупроводникового кристалла на ее противоположной поверхности снабжали омическим электродом из платины с помощью метода химического восстановления (смотри фиг.1). Состав_{слоя InxCdyTez анализировали методом дифракции рентгеновских лучей (XRD) и с помощью устройства энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX). В результате определили состав - In56,6Cd0,5Te42,9 (см. фиг.2). Затем CdTe-элемент-детектор излучения с барьером Шоттки использовали для проведения измерения спектра, как и в случае варианта 1, и исследовали отклик элемента-детектора на монохроматическое излучение. В результате элемент-детектор излучения согласно варианту 3 проявлял большую эффективность в отношении сбора заряда и стабильную работу в течение более длительного периода времени, чем в случае варианта 1.}

Пример 1 для сравнения:

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe наносили слой индия с помощью вакуумного напыления, а электрод из платины наносили методом химического восстановления на ее противоположную сторону (смотри фиг.5). Состав_{слоя индия анализировали методом дифракции рентгеновских лучей (XRD) и с помощью устройства энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX). В результате обнаружено, что слой содержит только индий (In100Cd0Te0)(см. фиг.2). К элементу-детектору излучения, полученному таким образом и проявляющему характеристики барьера Шоттки, можно прикладывать более высокое электрическое поле и обеспечивать более высокую эффективность сбора заряда, как и в случае описанных выше вариантов. Однако эффективность полупроводникового CdTe-элемента-детектора излучения быстро снижалась с течением времени, как показано на фиг.6. Более конкретно, отклик в канале пика фотоэлектрического поглощения фотонов с энергией 122 кэВ, испускаемых источником гамма-излучения ⁵⁷Co, начинал уменьшаться уже приблизительно через 20-30 минут после прикладывания напряжения смещения и затем снижался до значения, соответствующего приблизительно 90% от начального значения, через 50 минут после прикладывания напряжения смещения. Таким образом, полупроводниковый элемент-детектор излучения в примере 1 для сравнения не обеспечивает стабильной работы в течение определенного периода времени. Следует отметить, что «относительное значение в канале пика», отложенное по ординате на графике согласно фиг.6, получали исходя из того предположения, что значение, получаемое сразу же (или в точке ноль минут) после приложения напряжения смещения, равно 1.}

Пример 2 для сравнения:

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe напылением наносили слой соединения индия, кадмия и теллура, коэффициенты заселенности которых представлены формулой In_57,1Cd_0,5Te_42,4 (смотри фиг.2), а на противоположную ее поверхность наносили платиновый электрод. К элементу-детектору излучения, полученному таким образом и проявляющему характеристики барьера Шоттки, можно прикладывать более высокое электрическое поле и обеспечивать более высокую эффективность сбора заряда, как и в случае описанных выше вариантов. Однако эффективность полупроводникового CdTe-элемента-детектора излучения быстро снижалась с течением времени и не обеспечивалась стабильная работа в течение определенного периода времени, как и в случае примера 1 для сравнения.

Пример 3 для сравнения:

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe напылением наносили слой соединения индия, кадмия и теллура, коэффициенты заселенности которых представлены формулой In_42,9Cd₀Te_57,1 (или In₃Te₄)(смотри фиг.2), а на противоположную ее поверхность наносили платиновый электрод. К элементу-детектору излучения, полученному таким образом и проявляющему характеристики барьера Шоттки, можно прикладывать более высокое электрическое поле и обеспечивать более высокую эффективность сбора заряда, как и в случае описанных выше вариантов. Однако эффективность полупроводникового CdTe-элемента-детектора излучения быстро снижалась с течением времени и не обеспечивалась стабильная работа в течение определенного периода времени, как и в случае примера 1 для сравнения.

Пример 4 для сравнения:

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe напылением наносили слой соединения индия, кадмия и теллура, коэффициенты заселенности которых представлены формулой In_45,1Cd₁₂Te_42,9 (смотри фиг.2), а на противоположную ее поверхность наносили платиновый электрод. К элементу-детектору излучения, полученному таким образом и проявляющему характеристики барьера Шоттки, можно прикладывать более высокое электрическое поле и обеспечивать более высокую эффективность сбора заряда, как и в случае описанных выше вариантов. Однако эффективность полупроводникового CdTe-элемента-детектора излучения быстро снижалась с течением времени и не обеспечивалась стабильная работа в течение определенного периода времени, как и в случае примера 1 для сравнения.

Использование: в области ядерной медицины, радиационной диагностике, в атомной энергетике, астрономии, физике космических лучей и т.д. Технический результат изобретения: исключение «поляризационного эффекта» за счет использования улучшенной конфигурации электрода. Сущность: полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки включает кристалл полупроводникового соединения, содержащего в качестве главных компонентов кадмий и теллур, средства для приложения напряжения к кристаллу полупроводникового соединения. Указанные средства приложения напряжения содержат соединение индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z, сформированное на одной поверхности кристалла полупроводникового соединения. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки, включающий в себя кристалл полупроводникового соединения, содержащего в качестве главных компонентов кадмий и теллур, и средства приложения напряжения для приложения напряжения к кристаллу полупроводникового соединения, при этом указанные средства приложения напряжения содержат соединение индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z, сформированное на одной поверхности кристалла полупроводникового соединения.2. Полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки по п.1, в котором коэффициент заселенности «z» теллура в соединении индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z находится в пределах не менее 42,9%, но не более 50% по отношению к общему числу атомов.3. Полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки по п.1, в котором коэффициент заселенности «у» кадмия в соединении индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z находится в пределах не менее 0%, но не более 10% по отношению к общему числу атомов.