ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2007 года по МПК H01L31/115 G01T1/24 

Изобретение относится к твердотельным детекторам ионизирующих излучений.

Твердотельные детекторы ионизирующих излучений являются элементной базой диагностических систем атомных предприятий, геологоразведки, экологического мониторинга окружающей среды и медицинской техники.

Известны детекторы ионизирующих излучений, принцип действия которых основан на ионизации рабочего газа и пропорциональном преобразовании энергии кванта (частицы) в ток упомянутых ионов [1].

Основным достоинством таких детекторов является высокая стойкость к дозовым радиационным нагрузкам. К их недостаткам относится неудовлетворительное пространственное разрешение, что препятствует их использованию в системах позиционирования пучка и распознавания плоских изображений.

Известен также кремниевый твердотельный детектор барьерного типа [2]. Он позволяет существенно повысить пространственное разрешение детектора, что позволяет активно использовать такие детекторы для задач, связанных с позиционированием пучка, с медицинской диагностикой и для целей дефектоскопии.

Однако Si детекторам свойственен и ряд существенных недостатков. Так, в твердотельных кремниевых детекторах области преобразования энергии кванта (частицы) в неравновесные электронно-дырочные пары и последующего считывания носителей в виде тока во внешнюю цепь пространственно совмещены, что приводит к разрушению информативного заряда при его считывании во внешнюю цепь. Кроме того, к недостаткам кремниевых твердотельных детекторов относится также низкая стойкость к дозовым радиационным нагрузкам. Последний из недостатков можно преодолеть посредством использования детекторов на основе альтернативных твердотельных материалов, например резистивных либо барьерных детекторов на основе арсенида галлия [3].

В качестве прототипа настоящего изобретения предлагается резистивный или барьерный детектор на основе высокоомного арсенида галлия [3]. Детектор-прототип представляет собой арсенидгаллиевую подложку с контактом и граничащий с ней полуизолирующий (функционально-приемный) слой из арсенида галлия с омическим или барьерным контактом к нему. В детекторе-прототипе области преобразования энергии кванта (частицы) в неравновесные электронно-дырочные пары и последующего считывания носителей в виде тока во внешнюю цепь пространственно совмещены. В силу этого в такой конструкции [3], как и в конструкции аналога [2], считывание заряда во внешнюю цепь приводит к потере информационного сигнала, а регистрируемые пороговые величины ионизирующих излучений, энергетическое разрешение и энергетические шумы определяются не только фоновыми ("темновыми") токами, но и тепловыми и генерационно-рекомбинационными шумами, чрезвычайно значительными при считывании токов, протекающих в компенсированных глубокими энергетическими центрами высокоомных материалах.

Целью настоящего изобретения является разработка детектора с высокой пороговой чувствительностью, низким уровнем шума и высоким энергетическим разрешением. Достигается указанная цель посредством конструкции, позволяющей накапливать заряд и неразрушающим образом считывать его в процессе накопления.

Для этого в твердотельный арсенидгаллиевый детектор-прототип, содержащий подложку с контактом к ней и граничащий с ней полуизолирующий арсенидгаллиевый слой с омическим контактом, введены изолирующий слой Ga_1-xAl_xAs, имеющий общую границу с упомянутым полуизолирующим арсенидгаллиевым слоем, нелегированный арсенидгаллиевый слой, имеющий общую границу с изолирующим слоем Ga_1-xAl_xAs, легированный слой арсенида галлия n-типа проводимости, имеющий общую границу с нелегированным арсенидгаллиевым слоем, а упомянутый омический контакт и дополнительные омический и барьерный контакты расположены на легированном арсенидгаллиевом слое, так что образуют с ним полевой транзистор; кроме того, в легированном слое арсенида галлия n-типа проводимости, нелегированном GaAs и изолирующем слое арсенида галлия - арсенида алюминия, вплоть до полуизолирующего арсенидгаллиевого слоя, выполнена локальная область p-типа проводимости.

Достижение положительного эффекта (возможность сохранения и накопления информационного заряда и неразрушающего считывания информации о нем) обеспечивается тем, что область, в которой осуществляются преобразование энергии ионизирующего излучения в неравновесные электронно-дырочные пары, последующее удаление дырок и накопление неравновесного заряда электронов на ловушках полуизолирующего слоя, отделена посредством монокристаллического изолирующего слоя твердого раствора арсенида галлия - арсенида алюминия от области считывания информации о заряде, который считывают в виде тока, протекающего в канале упомянутого выше полевого транзистора.

Предложенная конструкция прибора позволяет существенно повысить пороговую чувствительность, так как устраняет при считывании вклады тепловой и дробовой компонент шума, свойственные резистивным детекторам на основе высокоомного компенсированного материала, реализуя считывание информации о заряде по существенно менее шумящему каналу в эпитаксиальном слое.

Предлагаемая конструкция позволяет детектировать плоские изображения в потоках частиц либо ионизирующих излучений, реализует режимы накопления, считывания и уничтожения информационного заряда на ловушках полуизолирующего GaAs слоя.

В представленной на чертеже конструкции заявляемый детектор содержит:

1 - арсенидгаллиевую подложку с контактом к ней;

2 - полуизолирующий GaAs слой, имеющий общую границу с подложкой;

3 - изолирующий монокристаллический GaAlAs слой, имеющий общую границу с полуизолирующим слоем 2;

4 - нелегированный GaAs слой, имеющий общую границу с изолирующим слоем 3;

5 - легированный слой GaAs n-типа проводимости, имеющий общую границу с нелегированным слоем 4;

6, 7 - два омических контакта, расположенных на легированном слое 5;

8 - барьерный контакт, расположенный на легированном слое 5;

9 - барьерный контакт в виде области р-типа проводимости;

10 - высокоомная область, расположенная по периферии транзистора.

Слой 2 указанной конструкции функционально является приемопреобразующим слоем, т.е. областью, в которой и происходят процессы преобразования энергии квантов излучения либо высокоэнергетических частиц в электронно-дырочные пары. Изолирующий монокристаллический GaAlAs слой 3 [5, 6] предназначен для осуществления гальванической развязки слоя 2 с эпитаксиальными GaAs слоями 4 (нелегированный GaAs слой) и 5 (GaAs слой n-типа проводимости). Легированный GaAs слой 5 со сформированными омическими (6 и 7) и барьерным (8) контактами образует полевой GaAs транзистор, функционально выполняющий роль считывателя информации. Барьерный контакт 9 в виде области p-типа проводимости предназначен для уничтожения (стирания) информативного заряда, а также для эвакуации неравновесных дырок в процессе регистрации и накопления заряда электронов. Высокоомная область 10, выполненная в слоях 4 и 5 посредством имплантации бора (например, с энергиями 40...60 кэВ и дозой 30 микрокулон), выполняет роль планарной изоляции приемной области кристалла сенсора (площадь, включающая транзистор) от пассивной части кристалла.

Работа детектора осуществляется следующим образом. Высокоэнергетические частицы либо гамма кванты взаимодействуют с ионами решетки объема слоя 2 по одному из известных механизмов, преобразуя энергию ионизирующего излучения в неравновесные электроны и дырки [7], с последующей локализацией неравновесных электронов на ловушках слоя 2. При этом на p⁺/n переход подается напряжение обратного смещения (минус на p⁺ области относительно слоя 2), так что неравновесные дырки эвакуируются из слоя 2. Локализованный на ловушках слоя 2 избыточный заряд электронов, величина которого пропорциональна потоку ионизирующего излучения, создает ОПЗ в слое 5 канала полевого транзистора, уменьшая протекающий по каналу транзистора ток. При этом в силу гальванической развязки слоев 4 и 5 и приемного слоя 2 исключается возможность спонтанной подзарядки ловушек пограничной области за счет тока "горячих" носителей канала транзистора, что позволяет считывать информацию о локализованном заряде (а значит о потоке ионизирующего излучения), не искажая информационный заряд. Разрядка слоя (ловушек слоя 2) осуществляется подачей на p⁺ электрод импульса (нестационарного) обратного смещения (минус) p⁺/n перехода, превышающего пороговое значение.

Толщина приемного слоя 2 зависит от вида и энергии регистрируемого излучения. Так при детектировании α-частиц толщина его определяется радиационной длиной и для энергий ˜5 МэВ составит ˜30 мкм. При детектировании квантов рентгеновского диапазона (1...10 кэВ) толщина полуизолирующего GaAs слоя определяется сечением процесса взаимодействия квант - слой 2, что для детекторов на GaAs материалах составит уже ˜100...300 мкм.

Разделительный слой 3 из Ga_1-xAl_xAs имеет электрическую прочность ˜10⁶ В/см, так что с учетом величины ожидаемого потенциала от локализованных ловушек его толщина может находиться в пределах 0,15...0,30 мкм.

Функциональное назначение нелегированного слоя 4 - технологический буферный слой; он предназначен для снятия упругих напряжений границы раздела GaAlAs/GaAs, и его толщина может варьироваться в пределах 0,1...0,3 мкм. Мольная доля арсенида алюминия в твердом растворе этого слоя находится в диапазоне 0,15...0,35 [5, 6].

Толщина легированного GaAs слоя 5 варьируется совместно с изменениями концентрации легирующей примеси в диапазонах 0,2...0,6 мкм и 2.10¹⁷ см^-3...2.10¹⁶ см^-3 соответственно.

Размер локальной области, связанный с диффузным размывом изображения, в силу малости времени захвата (˜10^-11 с) и незначительности градиента концентрации неравновесных носителей (для энергий детектируемых α-частиц ˜5 МэВ он не превышает величины 10⁶ шт/мкм) не превышает 1...2 мкм, что делает детектор актуальным для регистрации плоских изображений в потоках ионизирующих излучений. С учетом пространственного разнесения элемента считывания и области хранения заряда разрешение изображения в плоскости пластины будет зависеть от толщины приемного слоя 2, а значит будет варьироваться в зависимости от типа регистрируемого излучения и его энергетических характеристик.

Источники информации

1. Прайс В. // Регистрация ядерного излучения. Изд. "Издательство иностранной литературы", Москва, 1960.

2. Беллини Дж., Фоа А., Джоржи М. // Успехи физических наук. 1984, т.142. С.476-503.

3. J.C.Bourgoin, N. de Angelis, K.Smith, R.Bates, C.Whitehill, A.Meikle. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 458 (2001) 344-347 - прототип.

4. D.S.McGregor, S.M.Vernor, H.K.Gersch, S.M.Markham, S.J.Wojtczuk, D.K.Wehe. // IEEE Transactions on nuclear science, v.47, n.4, p.1365-1370.

5. Ильичев Э.А., Маслобоев Ю.П., Полторацкий Э.А., Родионов А.В., Слепнев Ю.В. // Авт. Свид. №1119523, приоритет от 28.03.83 г., выдано 13.06.84 г.

6. Афанасьев А.А., Ильичев Э.А., Полторацкий Э.А., Слепнев Ю.В., Родионов А.В. // ФТП, 1985, т.20, в.9, с.1565-1571.

7. В.Б.Берестецкий, Е.М.Лившиц, Л.П.Питаевский. // Релятивистская квантовая теория, ч.1. Изд. "Наука", Москва, 1968.

Детектор ионизирующих излучений содержит арсенидгаллиевую подложку с контактом, граничащий с ней полуизолирующий арсенидгаллиевый слой и омический контакт. Кроме того, детектор содержит изолирующий слой Ga_1-xAl_xAs, имеющий общую границу с полуизолирующим арсенидгаллиевым слоем, нелегированный слой арсенида галлия, имеющий общую границу с изолирующим слоем Ga_1-xAl_xAs, легированный слой арсенида галлия n-типа проводимости, имеющий общую границу с нелегированным GaAs слоем с выполненными на нем дополнительными омическим и барьерным контактами. Все эти слои совместно с упомянутым выше омическим контактом образуют полевой транзистор, содержащий область p-типа проводимости, сформированную в легированном и нелегированном арсенидгаллиевых слоях и изолирующем GaAlAs слое, и высокоомную область, расположенную по периферии упомянутого транзистора. Детектор такой конструкции обладает высокой пороговой чувствительностью, низким уровнем шума и высоким энергетическим разрешением и обеспечивает возможность детектирования слабых ионизационных потоков. 1 ил.

Твердотельный детектор ионизирующих излучений, содержащий арсенидгаллиевую подложку с контактом, граничащий с ней полуизолирующий арсенидгаллиевый слой и омический контакт, отличающийся тем, что введены изолирующий слой Ga_1-xAl_xAs, имеющий общую границу с полуизолирующим арсенидгаллиевым слоем, нелегированный слой арсенида галлия, имеющий общую границу с изолирующим слоем Ga_1-xAl_xAs, легированный слой арсенида галлия n-типа проводимости, имеющий общую границу с нелегированным GaAs слоем, с выполненными на нем дополнительными омическим и барьерным контактами, которые совместно с упомянутым выше омическим контактом образуют полевой транзистор, область p-типа проводимости, сформированная в легированном и нелегированном арсенидгаллиевых слоях и изолирующем GaAlAs слое, и высокоомная область, расположенная по периферии упомянутого транзистора.