Способ определения энергетического эквивалента толщины мертвого слоя детектора Российский патент 2021 года по МПК G01T1/24 H01L21/66 

Изобретение относится к экспериментальной ядерной технике. Область использования - технология поверхностно-барьерных детекторов ядерных излучений, в частности определение энергетического эквивалента толщины мертвого слоя и оптимизация его толщины с учетом технологических режимов формирования барьера Шоттки.

Общеизвестен метод дефекта амплитуды [G. Forcinal, P. Siffert, A. Coche, J.W. Mayer, «Pulse height defects due to nuclear collisions measured with thin window silicon surface barrier detectors», IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 15, №. 1, pp. 475-481, 1968], используемый для определения толщины мертвого слоя в единицах энергии, который основан на измерении зависимости амплитуды импульса от энергии частицы и ее экстраполяции к нулю амплитуд.

Данный метод применим только при условии линейного отклика детектора.

Известен угловой метод [Е. Elad, С.N. Inskeep, R.A. Sareen, and P. Nestor, «Dead layers in charged-particle detectors», IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 20, pp. 534-544, 1973], основанный на изменении потерь энергии заряженной частицы в мертвом слое при увеличении угла падения относительно нормали к поверхности детектора, а также его различные вариации.

Угловой метод, предполагает, что рекомбинация носителей в треке не является функцией угла падения, однако в действительности возможно, что процесс сбора заряда будет более эффективным в случае, когда ионизационная колонка сформирована под большим углом к электрическому полю. Таким образом, ошибка в измерении толщины мертвого слоя будет наибольшей при больших углах падения и слабых электрических полях.

Известен метод фотоотклика [Р Siffert, G Forcinal, A Coche, «Effective window of silicon surface barrier counters», IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 14, №. 1, pp. 532-536, 1967], заключающийся в изменении фототока в детекторе в зависимости от длины волны падающего света.

Ограничением метода являются сложности измерения толщин металлических контактов.

Известен способ (SU 935845 А1, опубл. 15.06.1982) определения толщин мертвого слоя спектрометрического детектора ионов в энергетических единицах. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения толщин мертвого слоя спектрометрического детектора ионов путем измерения амплитуд сигналов при регистрации конкретного иона, производят последовательно облучение детектора атомарными и молекулярными ионами требуемого элемента с одинаковыми начальными энергиями, измеряют амплитуды сигналов от этих ионов и по результатам измерений судят о толщине мертвого слоя одного из множества необходимых элементов непосредственно в энергетических единицах.

Вышеописанные методы дают информацию о некоторой эффективной толщине мертвого слоя, которая включает в себя не только потери энергии частицы в неактивной области (например, в контактной металлизации), но и потери заряда в результате обратной диффузии носителей к поверхности и процессов рекомбинации, так, например, для тяжелых ионов потери за счет поверхностной рекомбинации могут значительно превышать потери в мертвом слое.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ определения энергетического эквивалента толщины мертвого слоя детектора с барьером Шоттки на основе SiC [F.H. Ruddy, J.G. Seidel, Haoqian Chen, A.R. Dulloo, Sei-Hyung Ryu, «High-resolution alpha-particle spectrometry using 4H silicon carbide semiconductor detectors», IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 53, №. 3, pp. 1713-1718, 2006]. Исследуемую систему металлизации барьера Шоттки Au/Pt/Ti напыляли на входное окно стандартного пассивированного ионно-имплантированного кремниевого детектора (Passivated Implanted Planar Silicon (PIPS) Detector), после чего сравнивали энергетическое разрешение (FWHM - full width at half maximum) кремниевого детектора до и после напыления.

Однако используемый подход дает представление только о потерях энергии частиц в напыленных слоях металлов, но не в самом барьере Шоттки - зачастую формирование барьера Шоттки требует проведение высокотемпературных термических обработок, в процессе которых может происходить значительная диффузия металлов в полупроводник либо взаимодействие металла с полупроводником с образованием различных соединений. По этой причине использование данного подхода в таком случае не представляется возможным: тестовый детектор должен изготавливаться из материала, к которому формируется барьер Шоттки, и иметь открытое входное окно.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности определения энергетического эквивалента толщины мертвого слоя поверхностно-барьерного детектора с учетом технологических особенностей формирования барьера Шоттки, а также возможности сопоставления режимов формирования контакта и вклада мертвого слоя в полное энергетическое разрешение детектора.

Технический результат достигается следующим образом.

Способ определения энергетического эквивалента толщины мертвого слоя поверхностно-барьерного детектора включает облучение коллимированным пучком тяжелых заряженных частиц двух одинаковых тестовых детекторов, представляющих собой p-i-n диоды с открытым входным окном и полностью обедненным р-слоем, изготовленных из полупроводникового материала, на котором создается поверхностно-барьерный детектор, при этом на входное окно одного из тестовых детекторов нанесена металлизация исследуемого барьера Шоттки, последующее измерение амплитудных спектров тестовых детекторов, энергетическую калибровку амплитудных спектров и обработку результатов измерений с вычислением энергетического разрешения FWHM для каждого из тестовых детекторов и вычисление энергетического эквивалента толщины мертвого слоя FWHM_бш, создаваемого металлизацией исследуемого барьера Шоттки, согласно формуле:

FWHM₂ - энергетическое разрешение тестового детектора с нанесенной на входное окно системой металлов исследуемого барьера Шоттки, кэВ; FWHM₁ - энергетическое разрешение тестового детектора, кэВ.

Кроме того, при измерениях амплитудных спектров тестовых детекторов рабочее смещение U на них выбирается, исходя из условия полностью обедненного р-слоя, что обеспечивается следующим соотношением толщины р-слоя и его уровня легирования:

q - заряд электрона, 1.6⋅10^-19 Кл;

N_A - уровень легирования р-слоя, см^-3;

ε_п - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;

ε₀ - электрическая постоянная, 8.85⋅10^-14 Ф/см;

х_р - толщина р-слоя, см;

d - толщина i-слоя, см;

N_D - уровень легирования n-слоя, см^-3;

ϕ_ь - контактная разность потенциалов, В.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана принципиальная конструкция первого тестового детектора, на фиг. 2 представлена принципиальная конструкция второго тестового детектор.

Первый тестовый детектор содержит подложку 1 n-типа проводимости, на рабочей поверхности которой выращен эпитаксиальный i-слой 2 со сформированным на нем слаболегированным слоем 3 р-типа проводимости, к которому сформированы контакты 4, содержащие р⁺-слой 5, омические контакты 6 к р⁺-слою и металлические площадки 7; омический контакт 8, сформирован к обратной стороне подложки 1 n-типа проводимости, структура закрыта пассивирующим покрытием 9.

Второй тестовый детектор имеет аналогичные с первым тестовым детектором конструктивные элементы, но дополнен металлизацией 10 исследуемого барьера Шоттки, нанесенной на слаболегированный слой 3 р-типа проводимости (входное окно).

Способ определения энергетического эквивалента толщины мертвого слоя детектора реализуется с помощью первого и второго тестовых детекторов следующим образом.

Производят облучение первого и второго одинаковых тестовых детекторов, на слаболегированный слой 3 р-типа проводимости (входное окно) одного из которых нанесена металлизация 10 исследуемого барьера Шоттки, коллимированным пучком тяжелых заряженных частиц. Далее проводят измерение амплитудных спектров первого и второго тестовых детекторов с использованием стандартного спектрометрического тракта, содержащего малошумящий предусилитель, усилитель и амплитудно-цифровой анализатор. Затем проводят энергетическую калибровку амплитудных спектров и их обработку для определения энергетического разрешения FWHM каждого из тестовых детекторов. Обработка результатов измерений и вычисление FWHM производится согласно ГОСТ 26222-86 Детекторы ионизирующих излучений полупроводниковые. Методы измерения параметров.

Вычисление эквивалента толщины мертвого слоя FWHM_бш, создаваемого металлизацией 10 исследуемого барьера Шоттки, проводится согласно вышеприведенной формуле (1).

Использование полностью обедненного р-слоя 5 позволяет сократить рекомбинационные потери в р-слое и вблизи поверхности и измерить вклад в энергетическое разрешение отдельно исследуемого барьера Шоттки. Использование открытого окна и изготовление тестовых детекторов на одном материале с исследуемым поверхностно-барьерным детектором позволяет оценивать вклады технологических обработок барьера Шоттки, например, с учетом процессов, происходящих при высокотемпературном отжиге.

Реализация способа может быть технологически осуществима для полупроводниковых материалов, для которых имеется развитая технология создания приборных структур. Далее представлен один из примеров реализации предлагаемого изобретения на арсениде галлия.

Тестовые детекторы изготавливается с помощью стандартных технологических операций микроэлектроники. P-i-n структура изготавливается на основе 40 мкм эпитаксиальных i-слоев 2 из GaAs с концентрацией носителей на уровне 3⋅10¹¹ см^-3, выращенных методом хлоридной эпитаксии на GaAs подложках 1 n-типа проводимости, легированных до концентрации 2⋅10¹⁸ см^-3. Сверху эпитаксиального i-слоя 2 хлоридной эпитаксией выращивается слаболегированный слой 3 р-типа проводимости толщиной 0,7 мкм и с концентрацией дырок 5⋅10¹⁷ см^-3, поверх которого МОС-гидридной эпитаксией выращивается тонкий р⁺-слой 5 толщиной 0,1 мкм с концентрацией 3⋅10¹⁹ см^-3 для создания контактов 4.

Основные технологические операции изготовления детектора.

1) Термическое напыление системы металлизации Ni/AuGe/Au омического контакта 8 к подложке 1 n-типа проводимости.

2) Нанесение системы металлизации Ti/Pd/Au омического контакта 6 к р⁺-слою 5 методом термического напыления.

3) Вжигание омических контактов 6 и 8 в течение 1.5 мин при температуре 450°С в атмосфере азота или вакууме при остаточном давлении не ниже 2⋅10^-6 мм рт.ст.

4) Формирование металлических площадок 7 с помощью гальванического осаждения золота.

3) Травление по всей площади металлизации омического контакта 6 к р⁺-слою 5 и утонение слаболегированного слоя 3 р-типа проводимости до 0,3 мкм методом ионно-химического травления, маской служат металлические площадки 7.

4) Формирование меза-структуры методом реактивного ионно-лучевого травления с использованием фоторезистивной маски.

5) Пассивация меза-структуры SiN_x и вскрытие окна в пассивирующем покрытии 9.

6) Осаждение металлизации 10 исследуемого барьера Шоттки с использованием взрывной фотолитографии и проведение операции термической обработки.

Примером измерительного комплекса может служить стенд для измерения параметров детекторов α-частиц, содержащий: темновую вакуумную камеру с системой откачки, малошумящий зарядочувствительный предусилитель БУИ-52, усилитель-формирователь ORTEC 572А, 8192-канальный амплитудно-цифровой преобразователь АЦП-8K-2М, генератор импульсов точной амплитуды, персональный компьютер, источник питания. Детектор загружается в вакуумную камеру, напротив располагается источник α-частиц ОСАИ П8-75, производится откачка камеры и измерение спектра. Обработка амплитудных спектров и вычисление FWHM производится с помощью стандартного программного обеспечения.

Изобретение позволяет:

- измерять энергетический эквивалент толщины мертвого слоя металлизации барьера Шоттки отдельно от эффектов рекомбинации;

- измерять энергетический эквивалент толщины мертвого слоя металлизации барьера Шоттки с учетом высокотемпературных операций;

- измерять энергетический эквивалент толщины мертвых слоев малого размера до 10 нм (единицы кэВ в энергетических единицах).

Изобретение относится к экспериментальной ядерной технике. Область использования - технология поверхностно-барьерных детекторов ядерных излучений, в частности определение энергетического эквивалента толщины мертвого слоя и оптимизация его толщины с учетом технологических режимов формирования барьера Шоттки. Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности определения энергетического эквивалента толщины мертвого слоя поверхностно-барьерного детектора с учетом технологических особенностей формирования барьера Шоттки, а также возможности сопоставления режимов формирования контакта и вклада мертвого слоя в полное энергетическое разрешение детектора. Способ определения энергетического эквивалента толщины мертвого слоя поверхностно-барьерного детектора включает облучение коллимированным пучком тяжелых заряженных частиц двух одинаковых тестовых детекторов, представляющих собой p-i-n диоды с открытым входным окном и полностью обедненным р-слоем, изготовленных из полупроводникового материала, на котором создается поверхностно-барьерный детектор, при этом на входное окно одного из тестовых детекторов нанесена металлизация исследуемого барьера Шоттки, последующее измерение амплитудных спектров тестовых детекторов, энергетическую калибровку амплитудных спектров и обработку результатов измерений с вычислением энергетического разрешения FWHM для каждого из тестовых детекторов и вычисление энергетического эквивалента толщины мертвого слоя FWHM_БШ, создаваемого металлизацией исследуемого барьера Шоттки, согласно формуле:

FWHM₂ - энергетическое разрешение тестового детектора с нанесенной на входное окно системой металлов исследуемого барьера Шоттки, кэВ;

FWHM₁ - энергетическое разрешение тестового детектора, кэВ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения энергетического эквивалента толщины мертвого слоя поверхностно-барьерного детектора, включающий облучение коллимированным пучком тяжелых заряженных частиц двух одинаковых тестовых детекторов, представляющих собой p-i-n диоды с открытым входным окном и полностью обедненным р-слоем, изготовленных из полупроводникового материала, на котором создается поверхностно-барьерный детектор, при этом на входное окно одного из тестовых детекторов нанесена металлизация исследуемого барьера Шоттки, последующее измерение амплитудных спектров тестовых детекторов, энергетическую калибровку амплитудных спектров, обработку результатов измерений с вычислением энергетического разрешения FWHM для каждого из тестовых детекторов и вычисление энергетического эквивалента толщины мертвого слоя FWHM_БШ, создаваемого металлизацией исследуемого барьера Шоттки, согласно формуле:

FWHM₂ - энергетическое разрешение тестового детектора с нанесенной на входное окно системой металлов исследуемого барьера Шоттки, кэВ;

FWHM₁ - энергетическое разрешение тестового детектора, кэВ.

2. Способ по п. 1, в котором при измерениях амплитудных спектров тестовых детекторов рабочее смещение U на них выбирается, исходя из условия, чтобы р-слой был полностью обеднен, что обеспечивается следующим соотношением толщины р-слоя и его уровня легирования:

q - заряд электрона, 1.6⋅10^-19 Кл;

N_A - уровень легирования р-слоя, см ³;

ε_п - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;

ε₀ - электрическая постоянная, 8.85⋅10^-14 Ф/см;

х_р - толщина р-слоя, см;

d - толщина i-слоя, см;

N_D - уровень легирования n-слоя, см ³;

ϕ_b - контактная разность потенциалов, В.