АРСЕНИДГАЛЛИЕВЫЙ 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 радиационным нагрузкам. К их недостаткам относится неудовлетворительное пространственное разрешение, что препятствует их использованию в системах позиционирования пучка либо 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, медицинской диагностики 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 и низким уровнем шума. Достигается указанная цель посредством конструкции, позволяющей преобразовывать энергию частиц либо квантов ионизирующего излучения в неравновесные электронно-дырочные пары, накапливать и хранить заряд и неразрушающим образом считывать информацию о накопленном заряде в процессе накопления во внешнюю цепь.

Для этого, в твердотельный арсенидгаллиевый детектор ионизирующих излучений, содержащий подложку с контактом к ней, граничащий с ней полуизолирующий арсенидгаллиевый слой и барьерный контакт, введены изолирующий слой Ga_1-xAl_xAs, имеющий общую границу с полуизолирующим арсенидгаллиевым слоем, нелегированный арсенидгаллиевый слой, имеющий общую границу с изолирующим слоем Ga_1-xAl_хAs, а упомянутый барьерный контакт располагается на полупроводниковом слое нелегированного арсенида галлия, кроме того, в нелегированном GaAs слое и изолирующем слое арсенида галлия - арсенида алюминия, вплоть до полуизолирующего арсенидгаллиевого слоя выполнены локальная область р-типа проводимости и высокоомная область, окружающая барьерный контакт по периферии.

Достижение положительного эффекта (возможность сохранения и накопления информационного заряда и неразрушающего считывания информации о нем) обеспечивается тем, что накопление и хранение неравновесного заряда электронов, пропорциональное потоку и энергии детектируемых частиц (квантов), осуществляется на ловушках полуизолирующего GaAs слоя, считывание информации о заряде электронов на ловушках осуществляется посредством измерения потенциала на упомянутом барьерном контакте, а уничтожение (стирание) информативного заряда осуществляется посредством подачи на р+ электрод импульса напряжения (нестационарного напряжения) обратного смещения р+/n перехода.

Предложенная конструкция прибора позволяет накапливать и хранить информативный заряд, устраняет при считывании вклады тепловой и дробовой компоненты шума, свойственные резистивным детекторам в режиме токового считывания, что позволяет существенно повысить пороговую чувствительность и энергетическое разрешение сенсора.

Предлагаемая конструкция позволяет детектировать плоские изображения в потоках частиц либо ионизирующих излучений с высоким пространственным разрешением. Локальное считывание информации об информационном заряде в конструкции чертежа осуществляется посредством регистрации потенциала на электроде затвора.

Конструкция заявляемого детектора содержит:

1 - GaAs подложку n-типа проводимости с омическим контактом к ней;

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

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

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

5 - барьерный контакт, расположенный на слое 4;

6 - дополнительный барьерный контакт в виде области p-типа проводимости, выполненный в слоях 4 и 3.

В представленной на чертеже конструкции заявляемого детектора слой 2, функционально, является приемно-преобразовательным 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], а также нелегированный слой GaAs 4 предназначены для уменьшения токов утечки барьера металл/полупроводник, причем последний слой выполняет дополнительно функцию пассивации слоя 3. Барьерный контакт (5) используется для считывания информации о накапливаемом на ловушках слоя 2 заряде. Барьерный контакт 6, выполненный в виде области р-типа проводимости, предназначен для уничтожения (стирания) информативного заряда, а также для эвакуации из слоя 2 неравновесных дырок. В слое 4 посредством, например, имплантации бора выполнена высокоомная (например, с энергиями 40...60 кэВ и дозой 30 микрокулон) область 7, окружающая барьер 5 и выполняющая роль планарной изоляции приемной (активной) области сенсора.

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]. Из-за постоянного обратного смещения р⁺/n перехода (минус на р⁺ области относительно слоя 2) дырки эвакуируются из слоя 2, а неравновесные электроны захватываются и локализуются на имеющихся в избытке ловушках указанного полуизолирующего слоя 2. Локализованный на ловушках слоя 2 избыточный заряд, величина которого пропорциональна потоку ионизирующего излучения, заряжает конденсаторную ячейку электрод 5/подложка, создавая на электроде затвора 5 пропорциональный заряду потенциал. Разрядка упомянутого конденсатора (уничтожение электронов, локализованных на ловушках слоя 2) осуществляется подачей на р⁺ электрод 6 импульса (нестационарного) обратного смещения (минус), превышающего пороговое значение. Такая конструкция в силу малых размеров ячейки эффективна для случая матричной организации детектора.

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_хAs 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 пассивации изолирующего Ga_1-xAl_xAs слоя и снятия упругих напряжений, возникающих на границе раздела GaAlAs/GaAs, а 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 слоя 4 рассчитывается из учета контактной разности границы GaAlAs/GaAs и нынешнего уровня (˜10¹³...10¹⁵ см^-3) загрязнений GaAs слоев фоновыми примесями и составит 0,1...0,5 мкм.

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 A458 (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 подложку с контактом, граничащий с подложкой полуизолирующий арсенидгаллиевый слой и барьерный контакт. Также 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-хAl_xAs, область p-типа проводимости, выполненную в нелегированном арсенидгаллиевом и изолирующем GaAlAs слоях, вплоть до полуизолирующего арсенидгаллиевого слоя, и высокоомную область, окружающую барьерный контакт по периферии. Описанная выше конструкция детектора обеспечивает высокую пороговую чувствительность и низкий уровень шума, высокое энергетическое разрешение, позволяющее детектировать слабые ионизационные потоки. 1 ил.

Арсенидгаллиевый детектор ионизирующих излучений, содержащий подложку с контактом, граничащий с ней полуизолирующий арсенидгаллиевый слой и барьерный 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, область p-типа проводимости, выполненная в нелегированном арсениде галлия и изолирующем GaAlAs слоях, вплоть до полуизолирующего арсенидгаллиевого слоя, и высокоомная область, окружающая барьерный контакт по периферии.