РЕНТГЕНОВСКИЙ И ГАММА-ЛУЧЕВОЙ ФОТОДИОД Российский патент 2023 года по МПК G01T1/24 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится в целом к фотодиодам для обнаружения фотонов и, в частности, к фотодиоду, который обладает улучшенными характеристиками.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Фотодиоды обычно используются в качестве детекторов рентгеновского излучения, гамма-излучения (γ-излучения) и других типов излучения. Большинство фотодиодов для областей применения, связанных с рентгеновским излучением и гамма-излучением, изготавливаются из кремния. В последнее время значительные усилия были затрачены в попытках разработки альтернативных материалов, которые, в отличие от кремния, были бы способны работать при высокой температуре и в окружающих средах с высокими уровнями излучения и которые были бы более эффективными (т.е. обнаруживали бы более высокую процентную долю падающего излучения). Были исследованы многие материалы, включая GaAs, AlGaAs, AlInP, SiC, CdTe и CdZnTe как одни из самых многообещающих. Тем не менее, было обнаружено, что все эти материалы подвержены значительным проблемам и ограничениям и обладают как преимуществами, так и недостатками. Например, хотя SiC является наиболее «современным» материалом для этих фотодиодов, способным работать при сравнительно высоких температурах и средах с высоким уровнем излучения, он является не более эффективным, чем кремний.

Желательно использовать фотодиоды, например, в спектрометрах со счетом фотонов рентгеновского излучения и гамма-излучения. Такие спектрометры требуются во многих областях применения в науке и промышленности. Например, в настоящее время существует большой коммерческий спрос на разработку детекторов для предотвращения контрабанды ядерных материалов (например, ядерного оружия, «грязных бомб» и т.п.). Однако требования к таким спектрометрам со счетом фотонов обуславливают крайне высокие требования к материалам, используемым в фотодиодах.

Было бы желательно создать усовершенствованные фотодиоды.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем изобретении предложен фотодиод для использования при обнаружении рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, содержащий фосфид индия галлия InGaP, размещенный и выполненный с возможностью поглощения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, падающего на фотодиод, и генерирования носителей заряда в ответ на это.

Авторами изобретения было обнаружено, что использование InGaP (известного также как GaInP) в качестве активного материала в фотодиоде обеспечивает возможность использования фотодиода для обнаружения рентгеновского излучения и гамма-излучения. Это весьма неожиданно, поскольку InGaP представляет собой тернарное соединение фосфида индия InP и фосфида галлия GaP, в отношении обоих из которых известно, что они являются довольно неподходящими в качестве активных материалов для рентгеновских и гамма-лучевых фотодиодов. Например, в отношении GaP ранее было обнаружено, что он не является спектроскопическим при энергиях рентгеновского излучения, а в отношении InP ранее было обнаружено, что он является спектроскопическим при энергиях рентгеновского излучения лишь при низких температурах (≤-60°С). Поскольку InGaP представляет собой тернарное соединение InP и GaP, было принято считать, что характеристики InGaP будут еще хуже, чем у каждого из его бинарных эквивалентов.

Использование InGaP-фотодиодов особенно полезно в рентгеновской спектроскопии и в рентгеновской спектроскопии со счетом фотонов. Было обнаружено, что InGaP-детекторы работают значительно лучше, чем соответствующие бинарные соединения GaP и InP, а также было обнаружено, что они обладают достаточно высоким энергетическим разрешением для обеспечения возможности рентгеновской спектроскопии со счетом ионов при комнатной температуре, что невозможно в устройствах на основе GaP и InP.

Кроме того, InGaP имеет низкий ток утечки, благодаря чему фотодиоды согласно вариантам осуществления, описанным в данном документе, имеют возможность работы при комнатной температуре и выше (т.е. ≥20°С) без использования систем охлаждения. Таким образом обеспечивается возможность создания системы обнаружения рентгеновского излучения и гамма-излучения, имеющей сравнительно малые массу, объем и потребляемую мощность. Следовательно, указанная система может быть сравнительно недорогой, компактной и нетребовательной к температуре и, благодаря этому, особенно полезной в таких областях применения, как, например, космонавтика или наземные области применения вне лабораторной среды (например, подводная разведка). Также предполагаются приборы, содержащие охлаждающие системы, с тем, чтобы была обеспечена возможность работы светодиода в средах с очень высокой температурой. Благодаря использованию InGaP, требуемый уровень охлаждения может быть нулевым или сравнительно низким, например, по сравнению с детектором на основе кремния.

Использование InGaP в фотодетекторе вместо других обычных полупроводниковых материалов, содержащих алюминий (таких как (AlInP), обеспечивает преимущество, состоящее в возможности исключения алюминия из детектора. Это является полезным, поскольку алюминий, как и кремний, часто представляет собой интересующий материал при планетарной и геологической рентгеновской флуоресцентной спектроскопии (X-ray fluorescence spectroscopy, XRF), и поэтому желательно исключить его из детектора с целью снижения сложности спектрального анализа благодаря удалению соответствующих линий из собственного флуоресцентного спектра детектора.

Благодаря сравнительно высоким коэффициентам линейного ослабления рентгеновского излучения в InGaP (например, In_0.5Ga_0.5P) по сравнению с некоторыми другими материалами с широкой запрещенной зоной (например, GaAs, AlGaAs и AlInP), обеспечивается возможность изготовления сравнительно тонких InGaP-детекторов и возможность достижения улучшенных высокотемпературных характеристик вследствие не только широкой запрещенной зоны, но также и уменьшенного объема полупроводникового материала.

InGaP-фотодиоды также обеспечивают альтернативу GaAs, CdTe and CdZnTe при обнаружении жесткого рентгеновского излучения и гамма-излучения.

Кроме того, InGaP может представлять собой структуру, совместимую с имеющимися в продаже положками, такими как GaAs-подложки, и может быть подвергнут обработке с использованием технологий, имеющихся в широкой продаже.

В результате поглощения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения InGaP-материалом происходит фотогенерирование электронно-дырочных пар.

Фотодиод может содержать корпус или экран, расположенный и выполненный с возможностью предотвращения попадания фотонов, отличных от фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, на InGaP, и/или расположенный и выполненный с возможностью предотвращения попадания радиоактивных бета- и/или альфа-частиц на InGaP.

Корпус или экран может быть выполнен с возможностью по существу предотвращения прохождения через него фотонов, имеющих частоту ниже, чем у фотонов рентгеновского излучения или гамма-излучения. Например, корпус или экран может быть расположен и выполнен с возможностью предотвращения попадания синего света на InGaP.

Корпус или экран могут быть изготовлены из металла, в частности из металлической фольги. Например, фольга может представлять собой алюминиевую или бериллиевую фольгу. Тем не менее, предполагается, что могут использоваться и другие металлы или материалы.

Фотодиод может содержать PIN-переход или p-n-переход, образованный указанным InGaP.

PIN-переход (например, р⁺-i-n⁺-переход) может быть образован не легированным слоем InGaP, расположенным непосредственно между р-легированным слоем InGaP и n-легированным слоем InGaP.

Включение внутреннего i-слоя в PIN-переход может использоваться для обеспечения сравнительно большой зоны обеднения и, следовательно, сравнительно большого объема для поглощения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения и генерирования носителей заряда.

Тем не менее, предполагается также, что InGaP может быть выполнен в виде p-n-перехода. P-n-переход может быть образован р-легированным слоем InGaP, контактирующим с n-легированным слоем InGaP.

I-слой PIN-перехода может иметь следующую толщину: ≥ 5 мкм, ≥ 10 мкм, ≥ 15 мкм, ≥ 20 мкм, ≥ 25 мкм, ≥ 30 мкм, ≥ 35 мкм, ≥ 40 мкм, ≥ 45 мкм или ≥ 50 мкм. Благодаря наличию такого сравнительно толстого i-слоя, обеспечивается возможность поглощения сравнительно высокой процентной доли падающего рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, так что генерируется сравнительно большое количество носителей заряда, и фотодиод является сравнительно эффективным при генерировании тока на основе рентгеновского излучения и/или гамма-излучения.

Р-слой и/или n-слой PIN-перехода могут иметь следующую толщину: ≤ 0,5 мкм, ≤ 0,4 мкм, ≤ 0,3 мкм, ≤ 0,2 мкм или ≤ 0,1 мкм. Благодаря наличию таких сравнительно тонких слоев, ограничивается поглощение рентгеновского излучения и/или гамма-излучения этими слоями. Например, если р-слой (или n-слой) расположен стой стороны перехода, которая обращена к источнику рентгеновского излучения или гамма-излучения, то благодаря использованию сравнительно тонкого р-слоя (или n-слоя) будет поглощаться сравнительно малая процентная доля фотонов, особенно фотонов с более низкой энергией, так что обеспечивается возможность прохождения более высокой процентной доли падающего рентгеновского излучения и/или гамма-излучения внутрь i-слоя PIN-перехода для поглощения в нем и генерирования носителей заряда (хотя в настоящем изобретении предполагается, что часть р-слоя также может активно вносить вклад в генерирование полезных носителей заряда). Если n-слой (или p-слой) расположен стой стороны перехода, которая обращена в противоположную сторону от источника рентгеновского излучения или гамма-излучения, то использование сравнительно тонкого n-слоя (или p-слоя) будет снижать поглощение фотонов и, следовательно, накопление парциального заряда из этого слоя. В результате обеспечивается возможность, например, улучшения спектральной характеристики прибора.

Фотодиод может содержать электроды с обеих сторон PIN-перехода или p-n-перехода для подачи напряжения на переход и/или для измерения фотогенерируемых носителей заряда, генерируемых в переходе, причем по меньшей мере один из электродов не покрывает участок той стороны перехода, на которой он расположен, так что обеспечивается возможность прохождения рентгеновского излучения или гамма-излучения внутрь перехода через указанную сторону без прохождения через указанный по меньшей мере один электрод.

Указанный по меньшей мере один переход может быть кольцевым, иметь отверстие, иметь выемку или быть встречно-штыревым с тем, чтобы не покрывать полностью указанную сторону и обеспечивать возможность прохождения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения внутрь перехода без прохождения через материал, образующий указанный электрод.

Фотодиод может содержать источник напряжения, выполненный и настроенный с возможностью подачи напряжения обратного смещения на указанный PIN-переход или p-n-переход, причем указанное напряжение составляет ≥ 2 В, ≥ 3 В, ≥ 4 В, ≥ 4,5 В или ≥ 5 В. Благодаря подаче такого напряжения обратного смещения, обеспечивается возможность создания сравнительно большой глубины обеднения, поскольку оно вытесняет свободные носители заряда из i-слоя. Таким образом обеспечивается также возможность достижения сравнительно низкого шума для некоторых источников шума и возможность достижения сравнительно высокого разрешения, например, при использовании фотодиода в рентгеновском и/или гамма-лучевом спектрометре. Тем не менее, также предполагается, что возможно отсутствие подачи обратного смещения.

InGaP может представлять собой кристаллическую структуру с структурным составом In_0.5Ga_0.5P. Такой состав InGaP обеспечивает возможность того, что данный материал будет совместимым по структуре с обычными подложками, такими как GaAs, и выращиваться на них. Указанные пропорции также обеспечивают возможность выращивания InGaP с высоким качеством кристаллов и/или со сравнительно большой толщиной. Это особенно полезно, поскольку, как описано выше, может быть желательным создание сравнительно толстого слоя InGaP с целью повышения вероятности того, что каждый из фотонов данного рентгеновского излучения или гамма-излучения будет поглощен в данном материале.

Тем не менее, предполагается, что InGaP-материал может представлять собой кристаллическую структуру со структурным составом In_xGa_1-xP, где x - значение, отличное от 0,5.

InGaP может быть выполнен на подложке, желательно полупроводниковой подложке, такой как GaAs.

Фотодиод может иметь мезадиодную структуру.

Фотодиод может содержать один или более слоев для образования электрического контакта с каждой стороны InGaP-материала. Например, указанные один или более слоев могут включать по меньшей мере один металлический слой и/или по меньшей мере один полупроводниковый слой. Примеры металлических слоев включают золото и титан. Примеры полупроводникового слоя включают InGe.

Между указанными одним или более слоями для образования электрических контактов и слоем InGaP может быть выполнен связующий слой для обеспечения возможности хорошей связи электрических контактов со слоем InGaP. Связующий слой может представлять собой полупроводник, такой как GaAs. Один или более связующих слоев могут представлять собой подложку, на которой выполнен InGaP.

InGaP-материал может быть обеспечен внутри по существу плоской структуры, и эта плоская структура может содержать контакты Шоттки, или возможна ионная имплантация в устройство для формирования областей электрического сопротивления.

Ионная имплантация может быть осуществлена таким образом, чтобы были образованы области электрического сопротивления, которые электрически изолируют участки полупроводниковой пластины. Например, если выполнено множество диодных структур, то возможна ионная имплантация для образования областей, которые предотвращают рассеяние напряжения, подаваемого на одну диодную структуру, по смежным диодам.

Фотодиод может представлять собой диод с лавинным пробоем или диод без лавинного пробоя.

Фотодиод желательно представляет собой монокристаллический InGaP-детектор, т.е. InGaP желательно присутствует в виде одинарной структуры InGaP. Тем не менее, также предполагается, что InGaP-материал может быть поликристаллическим, т.е. содержать множество кристаллов в материале, возможно, имеющих произвольные ориентации.

Фотодиод может содержать гетероструктуру, образованную из слоев или областей разных полупроводников и, следовательно, содержащую гетеропереходы. Как описано выше, InGaP-материал поглощает рентгеновское излучение и/или фотоны с генерированием носителей заряда, хотя также могут быть включены другие полупроводниковые слои для других функций. Например, слой еще одного полупроводника (например, AlInP) может быть включен для приема носителей заряда из InGaP-материала и генерирования вторичных носителей заряда, например для увеличения количества носителей заряда и образования фотодиода с лавинным пробоем. Тем не менее, также предполагается, что InGaP-фотодиод может содержать один или более гомопереходов с тем, чтобы был обеспечен лавинный эффект.

В настоящем изобретении также предложен рентгеновский или гамма-лучевой детектор, содержащий фотодиод, описанный в данном документе, и электронную схему для обработки электрического сигнала, генерируемого указанным фотодиодом, для определения того, обусловлен ли указанный электрический сигнал по меньшей мере частично генерированием указанных фотогенерируемых носителей заряда.

Фотодиод образует часть схемы в детекторе, и указанная электронная схема может быть настроена и откалибрована с возможностью обнаружения сигнала, обусловленного генерированием указанных носителей заряда. Например, в режиме измерения тока возможно определение того, что участок сигнала, превышающий темновой ток, обусловлен рентгеновским излучением или гамма-излучением, принимаемым детектором.

В настоящем изобретении также предложен спектрометр со счетом фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, содержащий детектор, описанный в данном документе, и процессор, настроенный и выполненный с возможностью определения энергий отдельных фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, обнаруживаемых детектором, на основе указанного электрического сигнала, и/или с возможностью определения количества фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, обнаруживаемых детектором, на основе указанного сигнала.

При спектроскопии со счетом фотонов, детектор может быть соединен с электронной схемой, обычно состоящей из зарядочувствительного предусилителя, формирующего усилителя, многоканального анализатора и компьютера. При поглощении фотонов рентгеновского излучения или гамма-излучения InGaP-материалом, в этом материале создается некоторый заряд (некоторое количество электронов и дырок). Величина создаваемого заряда пропорциональна энергии фотонов. Заряды поступают на контакты детектора, и во время их миграции, под действием их перемещения индуцируется заряд на контактах детектора. Один из контактов соединен с зарядочувствительным усилителем, и таким образом этот зарядочувствительный усилитель обнаруживает заряд на своем входе и преобразует его в импульс напряжения с большим временем спада, который пропорционален принимаемому им заряду. Формирующий усилитель принимает указанный импульс с большим временем спада (который имеет высокую скорость нарастания и низкую скорость спада) и изменяет форму этот импульса таким образом, чтобы облегчить его измерение в многоканальном анализаторе. Многоканальный анализатор принимает выходной сигнал формирующего усилителя, измеряет амплитуду импульса (которая пропорциональна энергии фотона) и строит гистограмму, состоящую из амплитуды этого импульса и других принятых импульсов, получая в результате спектр, который можно наблюдать на компьютере.

В настоящем изобретении также предложена система, содержащая источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, а также фотодиод, детектор или спектрометр, описанные в данном документе и предназначенные для обнаружения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения от указанного источника.

Источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, на который ссылается данный документ, может представлять собой первичный источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, такой как источник радиоактивного излучения. В качестве альтернативы, источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, на который ссылается данный документ, может представлять собой источник флуоресцентного рентгеновского излучения и/или гамма-излучения. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения охватывают рентгеновскую и/или гамма-лучевую спектроскопию фотонов непосредственно от первичного источника, а также рентгеновскую и/или гамма-лучевую флуоресцентную спектроскопию.

Система может представлять собой ядерную или радиоизотопную батарею, содержащую указанный источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения и указанный фотодиод для преобразования указанного рентгеновского излучения и/или гамма-излучения в электрический ток.

Фотодиод выполнен с возможностью работы в фотоэлектрическом режиме.

Ядерная или радиоизотопная батарея может представлять собой ядерную или радиоизотопную микробатарею.

Батарея может быть выполнена таким образом, чтобы большая часть или по существу весь генерируемый электрический ток (т.е. ток, отличный от темнового) поступал от фотодиода, преобразующего рентгеновское излучение и/или гамма-излучение от указанного источника в электрический ток, и не был обусловлен, например альфа- и бета-частицами.

Источник может представлять собой радиоактивный материал.

Источник и фотодиод могут быть помещены внутрь корпуса, причем указанный корпус при необходимости распложен и выполнен с возможностью по существу предотвращения выхода указанного рентгеновского излучения и/или гамма-излучения из источника.

Хотя источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения был описан как находящийся в одном корпусе с фотодиодом, в качестве альтернативы предполагается, что один или более таких источников могут не быть расположены в одном корпусе с фотодиодом. Например, фотодиод может принимать рентгеновское излучение и/или гамма-излучение из окружающей среды, в которой находится фотодиод. Предполагаются варианты осуществления, в которых источник представляет собой ядерные отходы, испускающие рентгеновское излучение и/или гамма-излучение, и фотодиод в батарее преобразует это излучение в электрическую величину.

Фотодиод может иметь любой из признаков, описанных в других местах данного документа. Тем не менее, на PIN-переход или на p-n-переход может подаваться нулевое или прямое смещение, а не обратное смещение.

В настоящем изобретении также предложен способ обнаружения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, включающий этапы, на которых:

подвергают описанный в данном документе детектор рентгеновского излучения и/или гамма-излучения воздействию источника рентгеновского излучения и/или гамма-излучения; и

на основе сигнала, генерируемого фотодиодом, определяют прием детектором рентгеновского излучения и/или гамма-излучения.

Указанным этапам способа могут предшествовать этапы, на которых выбирают указанный источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения и перемещают детектор в направлении указанного источника. Например, способ может намеренно использоваться для анализа конкретного источника, который был выбран.

Способ также может включать этап, на котором определяют наличие и/или местоположение указанного источника рентгеновского излучения и/или гамма-излучения с использованием детектора. Например, способ может использоваться для обнаружения ядерного или радиологического материала.

В настоящем изобретении также предложен способ счета фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, включающий этапы, на которых:

подвергают описанный в данном документе рентгеновский и/или гамма-лучевой спектрометр воздействию источника рентгеновского излучения и/или гамма-излучения; и

на основе электрического сигнала, генерируемого фотодиодом, определяют энергии отдельных фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, обнаруживаемых детектором, и/или определяют количество фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, которые были обнаружены детектором.

Различные устройства и способы, описанные в данном документе, могут использоваться в широком спектре различных областей применения, включая научные исследования, медицину, оборону, безопасность, обработку пищевых продуктов, космонавтику и т.п.

Фотодиод, описанный в данном документе, может использоваться в указанном детекторе для рентгеновской спектроскопии/спектрометрии (например, рентгеновской флуоресцентной спектроскопии/спектрометрии).

Хотя фотодиод, детектор, спектрометр, система и способы описаны как используемые для обнаружения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения и/или используемые вместе с источником такого рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, предполагается, что эти приборы или способы обеспечивают возможность обнаружения других типов фотонов или обнаружения частиц, таких как электроны, ионы, альфа-частицы или бета-частицы.

Соответственно, в настоящем изобретении также предложен прибор для обнаружения фотонов или частиц, содержащий:

диод, содержащий InGaP, расположенный и выполненный с возможностью поглощения указанных фотонов или частиц и/или взаимодействия с ними и генерирования носителей заряда в ответ на это; и

электронную схему для обработки электрического сигнала, генерируемого диодом, для определения того, обусловлен ли указанный электрический сигнал по меньшей мере частично генерированием указанных носителей заряда.

Диод может иметь признаки фотодиода, описанные в данном документе, за исключением того, что диод может взаимодействовать с частицами или фотонами для генерирования носителей заряда.

Прибор может содержать интерфейс пользователя, такой как дисплей или динамик, и контроллер для управления интерфейсом для информирования пользователя об обнаружении указанных фотонов или частиц.

В настоящем изобретении также предложен спектрометр со счетом фотонов или частиц, содержащий прибор, описанный в данном документе, и процессор, настроенный и выполненный с возможностью определения энергий отдельных фотонов или частиц, обнаруживаемых указанным прибором, на основе указанного электрического сигнала, и/или с возможностью определения количества фотонов или частиц, обнаруживаемых указанным прибором, на основе указанного сигнала.

Спектрометр может выдавать данные об указанных энергиях или количествах на указанный интерфейс пользователя.

В настоящем изобретении также предложена система, содержащая источник фотонов или частиц и прибор или спектрометр, описанный в данном документе, для обнаружения фотонов или частиц от указанного источника.

В настоящем изобретении также предложен способ обнаружения фотонов или частиц, включающий этапы, на которых:

подвергают прибор, описанный в данном документе, воздействию источника указанных фотонов или частиц; и

на основе сигнала, генерируемого диодом, определяют, что фотоны или частицы приняты прибором.

Способ может включать этап, на котором передают выходные данные на электронный интерфейс пользователя, такой как дисплей или динамик, для информирования пользователя об обнаружении указанных фотонов или частиц.

В настоящем изобретении также предложен способ счета фотонов или частиц, включающий этапы, на которых:

подвергают спектрометр, описанный в данном документе, воздействию источника фотонов или частиц; и

на основе электрического сигнала, генерируемого диодом, определяют энергии отдельных фотонов или частиц, обнаруживаемых прибором, и/или определяют количество фотонов или частиц, которые обнаружены прибором. Хотя была описана ядерная батарея, которая использует фотодиод для преобразования рентгеновского излучения и/или гамма-излучения непосредственно в электрическую величину (с помощью InGaP), предполагается, что батарея может сначала осуществлять преобразование рентгеновского излучения и/или гамма-излучения в фотоны или частицы других типов, и эти фотоны или частицы других типов могут воздействовать на InGaP-материал для генерирования носителей заряда.

Соответственно, в настоящем изобретении также предложена ядерная или радиоизотопная батарея, содержащая:

преобразователь для поглощения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения или взаимодействия с ними и генерирования в ответ на это фотонов или частиц других типов; и

диод, содержащий InGaP, расположенный с возможностью приема указанных фотонов или частиц и их преобразования в электрический ток.

Батарея может содержать источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, например, расположенный в одном корпусе с диодом, или, в качестве альтернативы, она может принимать рентгеновское излучение и/или гамма-излучение из локальной среды.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Различные варианты осуществления будут далее описаны лишь на примерах со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

на фиг. 1А-1В показано, каким образом токи, генерируемые двумя фотодиодами разного размера, меняются в зависимости от подаваемого обратного смещения;

на фиг. 2А-2В показано, каким образом емкости двух фотодиодов разного размера меняются в зависимости от подаваемого обратного смещения;

на фиг. 3А-3В показано, каким образом глубина обеднения двух фотодиодов разного размера меняется в зависимости от подаваемого обратного смещения;

на фиг. 4 показано, каким образом концентрация примеси в фотодиоде меняется в зависимости от глубины обеднения;

на фиг. 5А-5В показаны спектры рентгеновского излучения, полученные с помощью двух фотодиодов разного размера;

на фиг. 6А-6В показаны параллельный белый шум, последовательный белый шум и шум 1/f в зависимости от подаваемого обратного смещения для двух фотодиодов с разными размерами;

фиг. 7 показан эквивалентный шумовой заряд в зависимости от подаваемого обратного смещения для двух фотодиодов с разными размерами; и

на фиг. 8А-8В показано, каким образом эффективность обнаружения в PIN-структурах, имеющих слои разной толщины, меняется в зависимости от энергии фотонов, падающих на эти структуры.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее лишь на примере будет описан иллюстративный вариант осуществления InGaP-фотодиода для содействия пониманию настоящего изобретения. Следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается включением всех из описанных слоев или конкретным составом различных слоев в данном примере.

Со ссылками на приведенную ниже таблицу 1, показан пример фотодиода, содержащий девять слоев. In_0.5Ga_0.5P-пластина (слои 4-6 в таблице 1) была выращена методом газофазной эпитаксии из паров металлоорганических соединений (MOVPE) на n⁺-легированной GaAs-подложке (слой 7 в таблице 1) таким образом, что образована p⁺-i-n⁺-структура. Слои In_0.5Ga_0.5P-пластины были последовательно выращены на GaAs-подложке таким образом, что образован легированный кремнием n⁺-слой Ino_0.5Ga_0.5P, имеющий концентрацию примеси 2×10¹⁸ см^-3 и толщину 0,1 мкм (слой 6 в таблице 1), затем образован внутренний слой In_0.5Ga_0.5P, не содержащий примеси и имеющий толщину 5 мкм (слой 5 в таблице 1), и затем образован легированный цинком р⁺-слой In_0.5Ga_0.5P, имеющий концентрацию примеси 2×10¹⁸ см^-3 и толщину 0,2 мкм (слой 4 в таблице 1). На верхней поверхности легированного р⁺-слоя In_0.5Ga_0.5P (слой 4 в таблице 1) сформирован сильнолегированный цинком р⁺-слой GaAs, имеющий концентрацию примеси 1×10¹⁹ см^-3 и толщину 0,01 мкм (слой 3 в таблице 1) для содействия омическому контакту.

Затем были применены технологии жидкостного химического травления указанных слоев для изготовления круглых фотодиодов с меза-структурой, имеющих диаметр 200 мкм и 400 мкм. Для травления указанных круглых фотодиодов с меза-структурой использовались раствор 1:1:1 K₂Cr₂O₇:HBr:СН₃СООН и затем в течение 10 сек. раствор 1:8:80 H₂SO₄:Н₂О₂:H₂O. In_0.5Са_0.5Р-устройства были депассивированы.

Верхний омический контакт был выполнен на сильнолегированном слое GaAs (слой 3 в таблице 1) путем нанесения слоя золота, имеющего толщину 0,2 мкм (слой 2 в таблице 1) и затем слоя титана, имеющего толщину 0,02 мкм (слой 1 в таблице 1). Верхний омический контакт имел кольцевую форму с тем, чтобы была обеспечена возможность прохождения фотонов через отверстие в омическом контакте. Кольцевой омический контакт покрывал 33% и 45% верхнего торца в фотодиоде диаметром 400 мкм и 200 мкм соответственно. Задний омический контакт был выполнен на задней поверхности GaAs-подложки (слой 7 в таблице 1) путем нанесения слоя InGe, имеющего толщину 0,02 мкм (слой 8 в таблице 1), и затем слоя золота, имеющего толщину 0,2 мкм (слой 9 в таблице 1).

Было определено, что для областей фотодиода, не покрытых верхним кольцевым омическим контактом, значения квантовой эффективности по рентгеновскому составили 53% и 44% при энергиях 5,9 кэВ и 6,49 кэВ соответственно, что было вычислено с использованием закона Бугера-Ламберта-Бера и в предположении полного накопления заряда в р- и i-слоях. Для областей, покрытых кольцевым верхним контактом, эти значения снизились до 44% и 38% соответственно. Коэффициенты линейного ослабления, использовавшиеся при вычислении квантовой эффективности, составляли 0,132 мкм^-1 и 0,102 мкм^-1 при 5,9 кэВ and 6,49 кэВ соответственно. Эти значения выше, чем у других полупроводников, таких как Si, GaAs и Al_0.52In_0.48Р.

Были исследованы электрические характеристики InGaP-фотодиодов диаметром 200 мкм и 400 мкм.

Токи, генерируемые InGaP-фотодйодами, были исследованы в зависимости от обратного смещения, подаваемого на фотодиоды в условиях затемнения (т.е. при отсутствии источника рентгеновского излучения и гамма-излучения) и при облучении с помощью ⁵⁵Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения (Mn Kα=5,9 кэВ, Mn Kβ=6,49 кэВ). Источник рентгеновского излучения был размещен на 6 мм выше верхней поверхности каждого фотодиода с меза-структурой. Фотодиоды были исследованы при комнатной температуре в атмосфере сухого азота (относительная влажность < 5%). Во время эксперимента использовался пикоамперметр/источник напряжения Keithley 6487. Ошибка, связанная с показаниями прибора по току, составила 0,3% от их значений плюс 400 фА, в то время как ошибка, связанная с подаваемыми смещениями, составила 0,1% от их значений плюс 1 мВ.

На фиг. 1А показаны кривые изменения тока в зависимости от обратного смещения для фотодиода диаметром 200 мкм. Нижняя кривая, состоящая из пустых квадратиков, показывает ток в зависимости от обратного смещения при нахождении фотодиода в условиях затемнения, а верхняя кривая, состоящая из закрашенных квадратиков, показывает ток в зависимости от обратного смещения при облучении фотодиода с помощью источника рентгеновского излучения. На фиг. 1В показаны кривые изменения тока в зависимости от обратного смещения для фотодиода диаметром 400 мкм. Нижняя кривая, состоящая из пустых квадратиков, показывает ток в зависимости от обратного смещения при нахождении фотодиода в условиях затемнения, а верхняя кривая, состоящая из закрашенных квадратиков, показывает ток в зависимости от обратного смещения при облучении фотодиода с помощью источника рентгеновского излучения. Из фиг. 1А-1В можно видеть, что для фотодиодов обоих диаметров значения темнового тока составили менее чем 0,22 пА (что соответствует плотностям тока 6,7×10^-10 А/см² and 1,7×10^-10 А/см² для фотодиодов с диаметрами 200 мкм и 400 мкм соответственно). При обратном смещении 30 В наблюдались токи в состоянии облучения, равные 3,5 пА и 7 пА для фотодиодов диаметром 200 мкм и 400 мкм соответственно. Путем вычитания токов в состоянии облучения из темновых токов, можно определить, что фототоки при обратном смещении 30В составили 3,3 пА и 6,5 пА для устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм соответственно.

Также была исследована емкость фотодиодов в зависимости от обратного смещения от 0 В до 30 В с использованием прибора HP 4275А Multi Frequency LCR meter (многочастотный LCR-измеритель 4275А от компании Hewlett Packard). Тестовый сигнал был синусоидальным, со ср. квадр. амплитудой 50 мВ и частотой 1 МГц. Ошибка, связанная с каждым показанием прибора по емкости, составила приблизительно 0,12% плюс экспериментальная погрешность воспроизводимости (±0,07 пФ). Ошибка, связанная с подаваемыми смещениями, составила 0,1% от их значений плюс 1 мВ. Также измерялась емкость идентичного пустого корпуса, и она вычиталась из измеренной емкости каждого корпусированного фотодиода для определения емкостей самих устройств.

На фиг. 2А показана емкость в зависимости от подаваемого обратного смещения для фотодиода диаметром 200 мкм, а на фиг. 2В показана емкость в зависимости от подаваемого обратного смещения для фотодиода диаметром 400 мкм.

Затем была вычислена глубина (W) обеднения каждого фотодиода по формуле W=(ε₀ε_rA)/С, где ε₀ - диэлектрическая постоянная вакуума, ε_r - диэлектрическая постоянная In_0.5Ga_0.5P, А - площадь устройства и С - емкость.

На фиг. 3А показана глубина обеднения в зависимости от подаваемого обратного смещения для фотодиода диаметром 200 мкм, а на фиг. 2В показана глубина обеднения в зависимости от подаваемого обратного смещения для фотодиода диаметром 400 мкм. Из фиг. 3А-3В можно видеть, что при низких обратных смещениях глубина обеднения увеличивается с повышением обратного смещения. При превышении обратным смещением напряжения приблизительно 5 В, глубина обеднения остается по существу постоянной при повышении обратного смещения (вследствие того, что i-слой PIN-структуры полностью очищен от носителей заряда при этих смещениях). При напряжении обратного смещения 30 В, измеренная глубина обеднения составила 4,0 мкм ± 0,5 мкм и 4,6 мкм ± 0,2 мкм для устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм соответственно.

Концентрация (N) примеси ниже p⁺-i-перехода (т.е. перехода между слоями 4 и 5 в приведенной выше таблице 1) в зависимости от глубины (W) обеднения вычислялась по формуле:

где q - заряд электрона, ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость In_0.5Ga_0.5P, А - площадь устройства и С - емкость.

На фиг. 4 показана измеренная концентрация N(W) примеси для In_0.5Ga_0.5P-устройства диаметром 400 мкм.

Фотодиоды с меза-структурой (без лавинного пробоя), имеющие диаметр 200 мкм и 400 мкм, были соединены с электронной схемой малошумящего зарядочувствительного предусилителя с целью создания рентгеновского спектрометра. Например, данный прибор оказался способен обеспечивать энергетическое разрешение 900 эВ системы при 5,9 кэВ для фотодиода диаметром 200 мкм, работавшего при обратном смещении свыше 5 В.

С помощью устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм были собраны рентгеновские спектры от ⁵⁵Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения. Расстояние между верхней поверхностью InGaP-фотодиодов и источником рентгеновского излучения составляло 6 мм. С каждым InGaP-диодом был соединен малошумящий зарядочувствительный предусилитель, имеющий безрезисторную конструкцию с обратной связью (сходную с описанной у Bertuccio, P. Rehak, and D. Xi, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. (журнал «Ядерные приборы и способы в физических исследованиях»), А 326, 71 (1993)). Сигнал от предусилителя усиливался и формировался с помощью формирующего усилителя Ortec 572а, выход которого был подключен к многоканальному анализатору. Сбор спектров осуществлялся при обратных смещениях 0 В, 5 В, 10 В и 15 В на диодах. Для каждого спектра использовались время формирования 10 мкс и предельное время жизни 100 с.

На фиг. 5А и 5В показаны рентгеновские спектры, полученные при обратном смещении 5 В для устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм соответственно. В каждом спектре наблюдавшийся ⁵⁵Fe-фотопик представлял собой комбинацию линий Mn Kα and Mn Kβ при 5,9 кэВ и 6,49 кэВ соответственно. С помощью гауссовых распределений была осуществлена аппроксимация комбинированных пиков с учетом значений относительной интенсивности рентгеновского излучения ⁵⁵Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения при 5,9 кэВ и 6,49 кэВ в надлежащем соотношении [U. Shotzig, Applied Radiation and Isotopes (Прикладное применение радиации и изотопов) 53, 469 (2000), 53, 469 (2000)], а также с учетом разности значений относительной эффективности детектора при этих энергиях рентгеновского излучения.

Энергетическое разрешение InGaP-спектрометра, выраженное в количественной форме с помощью полной ширины на половине высоты (ПШПВ) при 5,9 кэВ, было исследовано в зависимости от обратного смещения детектора. При обратном смещении 0 В была получена наихудшая ПШПВ (ПШПВ, наблюдавшаяся при 5,9 кэВ, составила 1 кэВ и 1,4 кэВ для устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм соответственно). Это было обусловлено повышенным вкладом шума из-за неполного накопления заряда, который уменьшался при более высоких обратных смещениях. При обратных смещениях 5 В и выше, эффективность накопления заряда повышалась (шум из-за неполного накопления заряда снижался), ПШПВ при 5,9 кэВ улучшалась и оставалась постоянной при дальнейшем повышении обратного смещения в пределах исследуемого диапазона. При обратном смещении 5 В, ПШПВ, наблюдавшаяся при 5,9 кэВ, составила 0,9 кэВ и 1,2 кэВ для устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм соответственно.

С целью идентификации значений вклада разных шумов в расширение ПШПВ был осуществлен анализ шума. Спектральное разрешение рентгеновского спектрометра с фотодиодом без лавинного пробоя определяется формулой:

где ΔЕ - ПШПВ, ω - энергия создания электронно-дырочных пар, F - коэффициент Фано, Е - энергия поглощенного фотона рентгеновского излучения, R и А - электронный шум и шум из-за неполного накопления заряда соответственно [G. Lioliou, А.М. Barnett, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. (журнал «Ядерные приборы и способы в физических исследованиях»), А 801, 63 (2015)]. Базисное «Фано-ограниченное» энергетическое разрешение (т.е. при R=0 и А=0) для In_0.5Ga_0.5P было оценено как равное 137 эВ в предположении, что энергия создания электронно-дырочных пар в In_0.5Ga_0.5P равна 4,8 эВ (в 2,5 раза больше ширины запрещенной зоны) и коэффициент Фано равен 0,12. Данное значение вклада шума учитывает статистическую природу процесса ионизации в полупроводниковом рентгеновском детекторе. Поскольку измеренная ПШПВ была больше 137 эВ, потребовался учет значений вклада других источников шума. Электронный шум системы состоит из параллельного белого шума, последовательного белого шума, индуцированного шума тока затвора, шума 1/f и диэлектрического шума. Токи утечки детектора и входного полевого транзистора с p-n-переходом предусилителя являются причинами параллельного белого шума, в то время как емкости детектора и входного полевого транзистора с p-n-переходом предусилителя обуславливают последовательный белый шум и шум 1/f. Указанный последовательный белый шум был отрегулирован с учетом индуцированного шума тока затвора.

На фиг. 6А и 6В показаны вычисленные параллельный белый шум, последовательный белый шум и шум 1/f в зависимости от обратного смещения детектора для устройства диаметром 200 мкм и устройства диаметром 400 мкм соответственно. Значения вклада параллельного белого шума показаны кружочками, значения вклада последовательного белого шума показаны треугольниками, и значения вклада шума 1/f показаны квадратиками. Можно видеть, что значения вклада параллельного белого шума были сходными для устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм при каждом обратном смещении. Это было обусловлено сходными темновыми токами в устройствах обоих размеров, как показано на фиг. 1А-1В.

В отличие от этого, последовательный белый шум и шум 1/f были выше в устройстве диаметром 400 мкм по сравнению с устройством диаметром 200 мкм. Это было обусловлено более высокой измеренной емкостью в устройстве большего диаметра, как показано на фиг. 2А-2В. Увеличенная ПШПВ, наблюдавшаяся в устройствах диаметром 400 мкм, может быть частично объяснена с учетом повышенных значений вклада последовательного белого шума и шума 1/f.

Значения вклада шума Фано, параллельного белого шума, последовательного белого шума и шума 1/f вычитались из измеренной ПШПВ при 5,9 кэВ с целью вычисления суммарного значения вклада диэлектрического шума и шума из-за неполного накопления заряда при 5,9 кэВ.

На фиг. 7 показан эквивалентный шумовой заряд диэлектрического шума и шума из-за неполного накопления заряда в зависимости от обратного смещения для спектрометрического устройства с диаметром 200 мкм (график показан крестиками) и с диаметром 400 мкм (график показан ромбиками). Суммарное значение вклада заряда диэлектрического шума и шума из-за неполного накопления заряда оказалась больше в устройствах диаметром 400 мкм, чем в устройствах диаметром 200 мкм при всех обратных смещениях. При обратном смещении 0 В суммарное значение вклада, выраженное через эквивалентный шумовой заряд, составило 123 е- (ср. квадр.) и 87 е- (ср. квадр.) для устройства диаметром 400 мкм и для устройства диаметром 200 мкм соответственно. При обратных смещениях свыше 5 В вычисленные эквивалентные шумовые заряды составили 105 е- (ср. квадр.) и 78 е- (ср. квадр.) для устройств диаметром 400 мкм и 200 мкм соответственно. Поскольку диэлектрический шум был независимым от смещения детектора, отличие суммарного эквивалентного шумового заряда, обусловленного диэлектрическим шумом и шумом из-за неполного накопления заряда, при 0 В от этого же заряда при ≥ 5 В может быть отнесено за счет шума из-за неполного накопления заряда при 0 В. Таким образом, можно сказать, что при 0 В величина шума из-за неполного накопления заряда составила 18 е- (ср. квадр.) и 9 е- (ср. квадр.) при использовании устройств диаметром 400 мкм и 200 мкм соответственно, и что шум из-за неполного накопления заряда был незначительным при обратных смещениях ≥ 5 В.

На фиг. 7 эквивалентный шумовой заряд при обратных смещениях ≥ 5 В обусловлен диэлектрическим вкладом. Диэлектрический эквивалентный шумовой заряд (ENC_D) вычисляется по формуле:

где q - электрический заряд, А₂ - константа (1,18), зависящая от типа формирования сигнала [Е. Gatti, P.F. Manfredi, М. Sampietro, and V. Speziali, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res., A 297, 467 (1990)], k - постоянная Больцмана, T - температура, D - коэффициент потерь и С - емкость [G. Lioliou, and А.М. Barnett, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 801, 63 (2015)]. С использованием приведенного выше уравнения для ENC_D и экспериментальных данных по фиг. 7 был определен эффективный коэффициент диэлектрических потерь, составивший до (4,2±0,4)×10^-3. Следует отметить, что он не соответствует напрямую коэффициенту потерь в In_0.5Ga_0.5Р, а характеризует эффективный коэффициент суммарных потерь для всех диэлектриков, вносящих вклад в данный шум, согласно анализу в данном документе.

Хотя в данном документе приведены примеры энергетического разрешения (ПШПВ), достижимы и более высокие значения разрешения, например, с использованием предусилителей, имеющих более низкий электронный шум.

Также было исследовано влияние на эффективность обнаружения, оказываемое толщиной внутреннего слоя в р⁺-i-n⁺-структуре In_0.5Ga_0.5P. Предполагалось, что на р⁺-стороне р⁺-i-n⁺-структуры размещен колпачок р⁺-стороны из GaAs и что фотоны падают на эту сторону устройства. Также предполагалось, что лишь внутренний слой p⁺-i-n⁺-структуры был активным.

На фиг. 8А показана эффективность обнаружения в р⁺-i-n⁺-структуре в зависимости от толщины внутреннего слоя, составляющей 5 мкм, 10 мкм, 30 мкм и 50 мкм. Толщина р⁺-слоя в каждой р⁺-i-n⁺-структуре составляла 0,2 мкм. Можно видеть, что при сравнительно низких энергиях фотонов эффективность обнаружения является по существу одинаковой для всех структур, даже несмотря на то, что они имеют внутренние слои разной толщины. Тем не менее, по мере повышения энергии фотонов, структуры, имеющие более тонкие внутренние слои, показывают более низкие значения эффективности обнаружения.

На фиг. 8В показаны значения эффективности обнаружения в р⁺-i-n⁺-структурах, соответствующих тем, которые показаны на фиг. 8А, за исключением того, что толщина i-слоя в р⁺-i-n⁺-структуре составляет 0,1 мкм (а не 0,2 мкм). Графики на фиг. 8В имеют такую же форму, что и графики на фиг. 8А, за исключением того, что на фиг. 8В значения эффективности обнаружения выше при более низких энергиях фотонов.

Из фиг. 8А-8В можно видеть, что при низких энергиях фотонов эффективность обнаружения определяется преимущественно толщиной р⁺-слоя в р⁺-i-n⁺-структуре. Иначе говоря, при низких энергиях фотонов, чем толще р⁺-слой в р⁺-i-n⁺-структуре, тем ниже эффективность обнаружения. Однако при более высоких энергиях фотонов эффективность обнаружения определяется преимущественно толщиной внутреннего слоя в р⁺-i-n⁺-структуре. Иначе говоря, при более высоких энергиях фотонов, чем толще внутренний слой, тем выше эффективность обнаружения.

Хотя это и не показано на фиг. 8А-8В, эффективность обнаружения при энергии фотонов 59,5 кэВ представляет особый интерес, поскольку она является энергией гамма-излучения от ²⁴¹Am. При столь высоких энергиях как р⁺-слой в боковом колпачке из GaAs, так и p⁺-слой в р⁺-i-n⁺-структуре являются более или менее прозрачными для фотонов, и, следовательно, эффективность обнаружения ограничивается толщиной внутреннего слоя в p⁺-i-n⁺-структуре. Например, для фотонов, имеющих энергию 59,5 кэВ, эффективность обнаружения при использовании внутреннего слоя толщиной 5 мкм будет составлять 0,005, в то время как эффективность обнаружения при использовании внутреннего слоя толщиной 50 мкм будет составлять 0,05.

Рентгеновская астрономия и рентгеновская флуоресцентная спектроскопия с высоким разрешением стали возможны, благодаря использованию рентгеновских спектрометров со счетом фотонов. Способность к определению энергии отдельных фотонов рентгеновского излучения и количества обнаруженных фотонов рентгеновского излучения при конкретной энергии может быть важна, например, в космонавтике. Эти параметры могут быть особенно полезны для изучения поверхностей планет и магнитосфер и в физике солнца, а также для наземных областей применения, таких как промышленный мониторинг и неразрушающие испытания. Как описано выше в данном документе, использование материалов с широкой запрещенной зоной в таких спектрометрах является перспективным, поскольку такие материалы могут иметь низкие термически генерируемые токи утечки и, следовательно, они способны работать при высоких температурах без охлаждающих систем, что позволяет создавать более компактные и легкие приборы с меньшим энергопотреблением.

Сообщалось о рентгеновских спектрометрах со счетом фотонов, характеризующихся высоким энергетическим разрешением и нетребовательностью к температуре и использующих детекторы на основе различных полупроводников с широкой запрещенной зоной, связанные с малошумящими электронными схемами предусилителей. Тем не менее, варианты осуществления настоящего изобретения обеспечили совершенствование таких приборов.

Согласно приведенной ниже таблице 2, эпитаксиальный р+-i-n+-слой In_0.5Ga_0.5P был выращен на сильнолегированной n+ GaAs-положке методом газофазной эпитаксии из паров металлоорганических соединений при низком давлении (150 Торр) с использованием триметилгаллия, триметилиндия, арсина и фосфина в качестве прекурсоров, и водорода в качестве газа-носителя. Дисилан и диметилцинк:триэтиламин использовались для n- и p-легирования соответственно. Эпитаксиальная поверхность подложки имела ориентацию (100) с углом среза подложки 10° в направлении <111>А. Непреднамеренно легированный i-слой (толщина 5 мкм) находился между верхним р+ слоем (толщина 0,2 мкм; концентрация примеси 2×10¹⁸ см^-3) и нижним n+ слоем (толщина 0,1 мкм; концентрация примеси 2×10¹⁸ см^-3). Необходимо отметить, что толщина р+ и n+ слоев была задана как можно меньше с тем, чтобы снизить поглощение в этих слоях. Толщина р+ слоя (0,2 мкм) и n+ слоя (0,1 мкм) была выбрана на основе опыта выращивания высококачественного In_0.5Ga_0.5P. В отличие от этого, толщина i-слоя была большой для повышения поглощения и, следовательно, повышения квантовой эффективности в этом слое. Необходимо подчеркнуть, что указанное In_0.5Ga₀.₅P-устройство представляет собой In_0.5Са_0.5P-фотодиод с самым тонким i-слоем из всех фотодиодов, о которых сообщалось к настоящему времени, хотя могут быть обеспечены и i-слои с толщиной больше, чем 5 мкм. На верхней поверхности In_0.5Ga_0.5P p+-i-n+ эпитаксиального слоя был выращен тонкий р+ GaAs слой (толщина 0,01 мкм; концентрация примеси 1×10¹⁹ см^-3) для содействия достижению хорошего верхнего омического контакта. GaAs n-типа, In_0.5Ga_0.5P n-типа и непреднамеренно легированный In_0.5Ga_0.5P были выращены при температуре 700°С, а последующие p-легированные слои были выращены при 660°С. При комнатной температуре энергия пика фотолюминесценции выращенного In_0.5Ga_0.5P составила 1,89 эВ. Эта энергия хорошо согласуется с шириной запрещенной зоны материала с подавленным спонтанным дальним порядком структуры в подрешетке группы III. Омический контакт на верхней поверхности р+ GaAs-слоя был выполнен из Ti (толщина 20 нм) и Au (толщина 200 нм). Задний омический контакт, нанесенный на заднюю поверхность n+ GaAs-подложки, был выполнен из InGe (толщина 20 нм) и Au (толщина 200 нм). In_0.5Са_0.5P-фотодиод не был пассивирован. Для изготовления In_0.5Са_0.5P-устройства с меза-структурой диаметром 200 мкм, использовавшегося при исследованиях, использовались технологии жидкостного химического травления (раствор 1:1:1 K₂Cr₂O₇:HBr:СН3СООН и затем финишная обработка в течение 10 сек. в растворе 1:8:80 H2SO4:H2O2:H2O). Слои указанного устройства, значения их относительной толщины и материалы сведены в приведенную ниже таблицу 2:

192 МБк ⁵⁵Fe-радиоизотопный источник рентгеновского излучения (Mn Kα=5,9 кэВ, Mn Kβ=6,49 кэВ) был размещен на удалении 5 мм от верхней поверхности In_0.5Ga_0.5P-фотодиода с меза-структурой диаметром 200 мкм с тем, чтобы исследовать характеристики детектора при облучении.

Значения рентгеновской квантовой эффективности (QE) In_0.5Ga_0.5P через оптическое окно устройства (область, не покрытую контактами) были вычислены с использованием закона Бугера-Ламберта-Бера и в предположении полного накопления заряда в р- и i-слоях.

На фиг. 10 показаны значения рентгеновской квантовой эффективности In_0.5Ga_0.5P в зависимости от энергии фотонов до 10 кэВ. Вычисленные для указанной структуры значения квантовой эффективности составили 53% при 5,9 кэВ и 44% при 6,49 кэВ. В приведенной ниже таблице 3 показаны коэффициенты ослабления при 5,9 кэВ и 6,49 кэВ для In_0.5Ga_0.5P, а также для других различных материалов. Коэффициенты ослабления для бинарных и тернарных соединений были оценены на основе надлежащим образом взвешенных коэффициентов ослабления их одинарных элементов.

In_0.5Са_0.5P-устройство было установлено внутри климатической камеры TAS Micro МТ для температурного контроля. Сначала температура была установлена на уровне 100°С и снижалась до 20°C с шагом 20°С. Перед проведением любых измерений при каждой температуре, устройство оставлялось в течение 30 минут для обеспечения стабилизации. Ток утечки In_0.5Ga_0.5P в зависимости от обратного смещения измерялся с использованием пикоамперметра/источника напряжения Keithley 6487. Ошибка, связанная с индивидуальными показаниями прибора по току составила 0,3% от их значений плюс 400 фА, в то время как ошибка, связанная с подаваемыми смещениями, составила 0,1% от их значений плюс 1 мВ. Емкость In_0.5Ga_0.5P в зависимости от обратного смещения измерялась с использованием прибора HP 4275А Multi Frequency LCR meter (многочастотный LCR-измеритель 4275А от компании Хьюлетт-Паккард). Ошибка, связанная с каждым показанием прибора по емкости, составила 0,12%, в то время как ошибка, связанная с подаваемыми смещениями, составила 0,1% от их значений плюс 1 мВ. Тестовый сигнал был синусоидальным, со ср. квадр. амплитудой 50 мВ и частотой 1 МГц. При измерении обоих из тока утечки и емкости обратное смещение повышалось от 0 В до 15 В (с шагом 1 В).

Рентгеновские спектры были получены с использованием ⁵⁵Fe-радиоизотопного рентгеновского источника для облучения In_0.5Са_0.5P-устройства диаметром 200 мкм при температурах от 100°С до 20°С. В экспериментальной установке использовался изготовленный на заказ зарядочувствительный предусилитель, имеющий безрезисторную конструкцию с обратной связью. Предусилитель работал при той же самой температуре, что и фотодиод. Сигнал от предусилителя формировался с помощью формирующего усилителя Ortec 572а и оцифровывался с помощью многоканального анализатора (Ortec Easy-MCA-8K). Спектры были собраны и проанализированы при значениях времени формирования 0,5 мкс, 1 мкс, 2 мкс, 3 мкс, 6 мкс и 10 мкс. В каждом случае на In_0.5Ga_0.5P-устройство подавалось обратное смещение 0 В, 5 В, 10 В и 15 В. Время жизни для каждого спектра составило 200 сек. Эксперименты проводились а атмосфере сухого азота (относительная влажность < 5%).

Измеренные токи утечки корпусированных устройств при 100°С и 80°С показаны на фиг. 11; токи утечки при температурах ниже 80°С не показаны, поскольку они были ниже уровня собственных шумов пикомаперметра. Измерения токов утечки в зависимости от обратного смещения для пустого корпуса показали, что корпус диода вносил значительный вклад в измеренный ток утечки. При 100°С и 80°С корпусированное устройство (определяемое как объединенные полупроводник и корпус) имело токи утечки 1,5 пА и 0,5 пА соответственно при обратном смещении 10 В. При условиях с теми же самыми температурами и обратными смещениями пустой корпус имел токи утечки 1,1 пА и 0,2 пА соответственно. При повышении обратного смещения до 15 В в каждом случае, токи утечки, измеренные для корпусированного устройства и пустого корпуса, становились неотличимыми при обеих температурах. С учетом ошибок, связанных с измерениями токов утечки, ток утечки из самого диода можно считать пренебрежимо малым по сравнению с током утечки из корпуса.

При разных температурах были измерены значения емкости корпусированного In_0.5Са_0.5P-детектора в зависимости от обратного смещения. Также измерялась емкость пустого корпуса того же типа при разных температурах, и эта емкость вычиталась из измеренной емкости корпусированного In_0.5Ga_0.5P-фотодиода. При каждой температуре осуществлялось многократное измерение значений емкости и определялось среднее и его относительное стандартное отклонение. В исследуемом температурном диапазоне было обнаружено, что емкость (С) самого In_0.5Ga_0.5P-детектора является температурно-инвариантной. 1/С² в зависимости от обратного смещения при 100°С и при 80°С показана на фиг. 12, и сходные результаты были получены при температурах ≤ 60°С. Зависимость между 1/С² и обратным смещением была обнаружена при обратных смещениях ниже 3 В; 1/С² была постоянной при обратных смещениях выше 3 В.

Рентгеновские спектры были получены с использованием ⁵⁵Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения. Хотя могут использоваться и температуры свыше 100°С, такие результаты не описаны в данном документе. При 100°С диод был стабильным в течение всего времени сбора спектров. Диод не испортился после использования при указанных температурах.

Улучшение энергетического разрешения (количественно выраженного с помощью ПШПВ при 5,9 кэВ) наблюдалось при повышении подаваемого обратного смещения с 0 В до 5 В. Этот результат можно объяснить с учетом снижения емкости детектора и, возможно, улучшения накопления заряда. Дальнейшее изменение ПШПВ не наблюдалось во время работы детектора при обратных смещениях > 5 В. Это последнее поведение можно объяснить с учетом того, что In_0.5Са_0.5P-фотодиод полностью обеднен при напряжении свыше 5 В.

Оптимальное время формирования (т.е. время, при котором обеспечивается наименьшая ПШПВ), изменяется в зависимости от температуры, как показано на фиг. 13. ПШПВ снижалась при более низких температурах вследствие более низких токов утечки в In_0.5Ga_0.5P-фотодиоде и кремниевом полевом транзисторе с p-n-переходом при таких температурах. На фиг. 13 показана наименьшая наблюдавшаяся ПШПВ пика 5,9 кэВ в зависимости от температуры при оптимальном времени формирования, когда на детектор подавалось обратное смещение 5 В.

Спектры с наилучшим энергетическим разрешением (наименьшей ПШПВ) при 100°С и 20°С и при подаче на фотодиод обратного смещения 5 В, показаны на фиг. 14А и 14В соответственно. Кроме того, в каждом спектре показаны восстановленные из свертки пики Mn Kα (пунктирная линия) и Mn Kβ (пунктирно-точечная линия). Наблюдавшиеся ⁵⁵Fe-фотопики представляли собой комбинацию характеристических линий Mn Kα (5,9 кэВ) и Mn Kβ (6,49 кэВ) ⁵⁵Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения. Для определения ПШПВ пиков 5,9 кэВ на фиг. 13 и 14, была осуществлена гауссова аппроксимация фотопиков: пики Mn Kα и Mn Kβ были восстановлены из обнаруженного комбинированного фотопика. Аппроксимация была осуществлена с учетом относительных интенсивностей радиоизотопного источника рентгеновского излучения при 5,9 кэВ и 6,49 кэВ в надлежащем соотношении, а также с учетом относительной эффективности детектора при этих энергиях рентгеновского излучения.

Энергетическое разрешение (ПШПВ) спектрометра на основе рентгеновского фотодиода без лавинного пробоя ухудшалось под действием шума Фано, шума из-за захвата заряда и электронного шума. Шум Фано обусловлен статистической природой процесса ионизации. При каждой исследованной температуре наблюдаемая ПШПВ была больше, чем ожидаемое Фано-ограниченное энергетическое разрешение, что указывает на наличие более мощных источников шума, чем статистический процесс образования заряда. В фотодиодном рентгеновском спектрометре электронный шум обусловлен пятью разными компонентами: параллельным белым шумом, последовательным белым шумом, шумом из-за индуцированного тока затвора, шумом 1/f и диэлектрическим шумом. Токи утечки детектора и кремниевого входного полевого транзистора с p-n-переходом предусилителя (который работал без охлаждения при каждой температуре) влияли на параллельный белый шум. Емкости детектора и входного полевого транзистора с p-n-переходом в предусилителе влияли на последовательный белый шум и на шум 1/f. Параллельный белый шум и последовательный белый шум соответственно прямо и обратно пропорциональны времени формирования, в то время как шум 1/f и диэлектрический шум не зависят от времени формирования.

Вычисленные параллельный белый шум, последовательный белый шум (отрегулированный с учетом шума из-за индуцированного тока затвора) и шум 1/f при значениях времени формирования 0,5 мкс, 1 мкс и 10 мкс и при подаче на фотодиод обратного смещения 5 В, показаны на фиг. 15А, 15В и 15С соответственно. На графиках показаны значения вклада параллельного белого шума (пустые кружочки), последовательного белого шума (закрашенные квадратики) и шума 1/f (пустые треугольники). Высокий параллельный белый шум, наблюдавшийся при повышенных температурах и увеличенных значениях времени формирования, был обусловлен не высоким током утечки в детекторе, а более высоким током неохлаждаемого кремниевого входного полевого транзистора с p-n-переходом предусилителя.

Как описано выше, (1) ПШПВ фотопика не уменьшалась при обратных смещениях > 5 В, (2) количество каналов центра тяжести фотопика не увеличивалось при повышении обратного смещения с превышением 5 В, и (3) спектры, показанные на фиг. 14, хорошо аппроксимировались гауссовыми распределениями без ступеней и других искажений за пределами ожидаемого низкоэнергетического размытия. Таким образом, можно предположить, что разность квадратов между ПШПВ при 5,9 кэВ и вычисленными значениями вклада (шума Фано, параллельного белого шума, последовательного белого шума и шума 1/f) может быть отнесена за счет диэлектрического шума (т.е. при данных условиях шум из-за захвата заряда был пренебрежимо малым).

Температурная зависимость диэлектрического шума показана на фиг. 16. Фиг. 16 показывает эквивалентный шумовой заряд диэлектрического шума при 5,9 кэВ в зависимости от температуры при подаче на фотодиод обратного смещения 5 В. В температурном диапазоне от 100°С до 20°С вклад диэлектрического шума при 5,9 кэВ линейно снижался с повышением температуры: при 100°С вычисленное значение составило 94 е- (ср. квадр.) ± 15 е- (ср. квадр.), в то время как при 20°С вычисленное значение составило 68 е- (ср. квадр.) ± 15 е- (ср. квадр). Зависимость квадрата эквивалентного заряда диэлектрического шума от температуры была аппроксимирована методом линейных наименьших квадратов. Оцененный исходя из этого общий коэффициент потерь, относящийся ко всем диэлектрикам в спектрометре, составил (8,5±0,8)×10^-3. Сравнение стандартных отклонений аппроксимации с экспериментальными ошибками показало приемлемость линейной аппроксимации, и таким образом была подтверждена правильность вычисленного значения общего коэффициента потерь.

На фиг. 17 показан квадрат эквивалентного шумового заряда (ENCD2) диэлектрического шума при 5,9 кэВ в зависимости от температуры. Также показана линия наилучшей аппроксимации, вычисленная путем аппроксимации методом линейных наименьших квадратов.

In_0.5Ga_0.5P-спектрометр обеспечил возможность работы при высоких температурах (вплоть до исследованного максимума 100°С). Он показал лучшую ПШПВ по сравнению с той, которая достигается с помощью Al_0.52In_0.48P- и Al₀.₈Ga_0.2As-спектрометров. Способность к работе при столь высоких температурах (100°С), в сочетании с их более высокими коэффициентами ослабления рентгеновского излучения, делает In_0.5Ga_0.5P-спектрометры предпочтительными по сравнению с GaAs-спектрометрами, о которых сообщалось в недавних публикациях и которые имеют максимальную рабочую температуру 60°С. Кроме того, рентгеновский In_0.5Ga_0.5P-спектрометр лучше работает при 100°С по сравнению с рентгеновскими Al_0.52In_0.48P-спектрометрами, о которых ранее сообщалось в публикациях. ПШПВ при 5,9 кэВ для In_0.5Ga_0.5P-устройства составила 1,27 кэВ при 100°С, по сравнению с 1,57 кэВ для Al_0.52In_0.48P-устройства, использующего аналогичную электронную схему считывания в устройстве. In_0.5Ga_0.5P также имеет более высокие коэффициенты линейного ослабления, чем Al_0.52In_0.48P.

Поскольку электронные схемы считывания, используемые для определения характеристик указанных материалов, были в значительной степени сходными, различия в полученных ПШПВ для этих материалов (GaAs, AlInP, InGaP) могут быть объяснены с учетом различия их энергий создания электронно-дырочных пар и значений шумового вклада в считывающих электронных схемах при высокой температуре. Например, общий шум 86 е- (ср. квадр.) на выходе предусилителя соответствует 840 эВ в GaAs, 1,00 кэВ в In_0.5Ga_0.5P и 1,08 кэВ в Al_0.52In_0.48P. Наблюдавшаяся ПШПВ 1,02 кэВ при 5,9 кэВ при 60°С для In_0.5Са_0.5P-спектрометра оказалась очень близка к ожидаемому значению. Следовательно, общий шум в е- (ср. квадр.) был сходным в GaAs- и In_0.5Ga_0.5P-спектрометрах, поскольку предусилитель был ограничен шумами, отличными от шумов из-за тока утечки детектора при этих температурах. Следует также отметить, что коэффициенты ослабления рентгеновского излучения в In_0.5Ga_0.5P составляют намного выше, чем в других материалах, таких как SiC. Таким образом, даже если предельно достижимое энергетическое разрешение при использовании In_0.5Ga_0.5P будет ниже, чем при использовании других материалов, In_0.5Ga_0.5P по-прежнему может оставаться предпочтительным для областей применения с потоками низкой интенсивности и высокими энергиями.

Фано-ограниченное энергетическое разрешение относится к процессу создания заряда при поглощении фотона рентгеновского излучения и представляет собой статистически ограниченное энергетическое разрешение спектрометра на основе рентгеновского фотодиода без лавинного пробоя. Фано-ограниченное энергетическое разрешение (ПШПВ в эВ) может быть вычислено по приведенной ниже формуле (1):

где ε - энергия создания электронно-дырочных пар в полупроводнике, F - коэффициент Фано, и Е - энергия фотонов рентгеновского излучения. Разные полупроводники имеют разные Фано-ограниченные энергетические разрешения при одной и той же энергии фотонов рентгеновского излучения. Это объясняется тем, что Фано-ограниченное энергетическое разрешение при каждой энергии зависит от физических свойств материала (средней энергии создания электронно-дырочных пар и коэффициента Фано).

При измерениях энергии создания электронно-дырочных пар при комнатной температуре (20°С), заряд, создаваемый в результате поглощения рентгеновского излучения от ⁵⁵Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения в In_0.5Ga_0.5P-фотодиоде, измерялся относительно заряда, создаваемого в контрольном GaAs-фотодиоде с меза-структурой диаметром 200 мкм. Структура GaAs-устройства представлена в приведенной ниже таблице 4. In_0.5Ga_0.5P- и GaAs-детекторы были соединены параллельно с изготовленным на заказ малошумящим зарядочувствительным предусилителем.

На оба из In_0.5Ga_0.5P- и GaAs-фотодиодов независимо подавалось обратное смещение 10 В. В свою очередь, сбор спектров производился с помощью радиоизотопного источника рентгеновского излучения, осуществлявшего раздельное облучение In_0.5Ga_0.5P-устройства и GaAs-устройства. С помощью гауссовых распределений осуществлялась аппроксимация обнаруженных пиков Mn Kα (5,9 кэВ) and Mn Kβ (6,49 кэВ) собранных спектров; собранные ⁵⁵Fe рентгеновские спектры и аппроксимированные пики при 5,9 кэВ для In_0.5Ga_0.5P-детектора и контрольного GaAs-фотодиода показаны на фиг. 18.

На фиг. 18 показаны собранные рентгеновские спектры при обратном смещении 10 В, полученные с помощью ln_0.5Ga_0.5P-устройства и контрольного GaAs-фотодетектора при облучении ⁵⁵Fe-радиоизотопным источником рентгеновского излучения. Также показаны аппроксимированные линии 5,9 кэВ для ln_0.5Ga_0.5P-устройства (точечно-пунктирная линия) и контрольного GaAs-фотодетектора (пунктирная линия). Для простоты, аппроксимированные пики Mn Kβ при 6,49 кэВ не показаны, однако они надлежащим образом были включены в аппроксимацию.

Количество заряда, соответствующее каждому каналу многоканального анализатора, было вычислено с использованием местоположения нулевого энергетического пика предусилителя и пика 5,9 кэВ, обнаруженных с помощью контрольного GaAs-фотодиода. При данном вычислении использовалась также энергия создания электронно-дырочных пар в GaAs (4,184 эВ ± 0,025 эВ). Далее энергия (εInGaP) создания электронно-дырочных пар в In_0.5Ga_0.5P была определена по нижеследующей формуле (2):

где εGaAs - энергия создания электронно-дырочных пар в GaAs, NGaAs и NInGaP - количество зарядов, созданных в контрольном GaAs-детекторе и ln_0.5Ga_0.5P-детекторе соответственно. Измеренное для εInGaP экспериментальное значение при комнатной температуре (20°С) составило 4,94 эВ ± 0,06 эВ. Для исследования эффективности работы In_0.5Ga_0.5P-детектора при более высоких обратных смещениях, обратное смещение было повышено до 15 В, и эксперимент был повторен. В этом случае измеренная энергия создания электронно-дырочных пар составила 4,90 эВ ± 0,04 эВ. Сходство указанных значений дополнительно подтверждает, что захват заряда был пренебрежимо малым. Если бы захват заряда был значительным, то наблюдалось бы существенное снижение кажущейся энергии создания электронно-дырочных пар при более высоких обратных смещениях вследствие повышенного переноса заряда при более высоком электрическом поле.

Зависимость энергии создания электронно-дырочных пар в In_0.5Ga_0.5P от температуры была изучена в температурном диапазоне от 100°С до 20°С. Для этой группы измерений детектор был отдельно (т.е. без контрольного GaAs-детектора) соединен с изготовленным на заказ малошумящим зарядочувствительным предусилителем и подвергнут облучению с помощью ⁵⁵Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения. Изменение коэффициента преобразования в самом предусилителе в зависимости от температуры было измерено в указанном температурном диапазоне путем соединения стабилизированного генератора импульсов (модель ВН-1 от компании Berkeley Nucleonics Corporation) со входом тестового сигнала предусилителя. Изменение местоположения центра тяжести пика генератора импульсов позволило отделить изменение характеристики предусилителя в зависимости от температуры от изменения энергии создания электронно-дырочных пар в фотодиоде. Изменение местоположения центра тяжести пика генератора импульсов было надлежащим образом скорректировано с учетом изменения тестовой емкости в зависимости от температуры. Был произведен сбор спектров и с помощью гауссовых распределений были аппроксимированы фотопики и пики от генератора импульсов с целью определения местоположений их центров тяжести относительно нулевого шумового пика. Заряд, созданный в In_0.5Ga_0.5P-фотодиоде под действием фотонов рентгеновского излучения, был соотнесен с относительным изменением местоположения фотопика на зарядной шкале многоканального анализатора. Последнее было скорректировано с учетом изменения коэффициента преобразования в зависимости от температуры (определенного на основе пика генератора импульсов). Разные количества заряда, создаваемые при разных температурах, были обусловлены изменением энергии (εInGaP) создания электронно-дырочных пар в In_0.5Ga_0.5P. Затем при каждой температуре было вычислено абсолютное значение εInGaP с использованием ранее определенного значения εInGaP при комнатной температуре.

Энергия создания электронно-дырочных пар в In_0.5Ga_0.5P как функция температуры показана на фиг. 19. Была обнаружена несомненная слабая тенденция, подтверждающая, что энергия создания электронно-дырочных пар в In_0.5Ga_0.5P повышается с повышением температуры: при 100°С εInGaP=5,02 эВ ± 0,07 эВ, в то время как при 20°С εInGaP=4,94 эВ ± 0,06 эВ. Такая тенденция является неожиданной. Обычно считалось, что средняя энергия создания электронно-дырочных пар линейно снижается с повышением температуры. Такое снижение может быть понято с учетом зависимости энергии создания электронно-дырочных пар от ширины запрещенной зоны материала. Согласно предыдущим публикациям, эмпирическая связь между энергией создания электронно-дырочных пар и шириной запрещенной зоны в полупроводнике является линейной. Поскольку ширина запрещенной зоны увеличивается со снижением температуры, ожидается аналогичное поведение и от энергии создания электронно-дырочных пар, по меньшей мере частично, вследствие изменения ширины запрещенной зоны. Теоретические расчеты по методу Монте-Карло, проведенные ранее для кремния, предсказали снижение энергии создания электронно-дырочных пар в кремнии в зависимости от температуры. В такой модели были учтены физические механизмы, такие как поглощение рентгеновского излучения, атомная релаксация и потери энергии электронов.

Вычисленное ожидаемое Фано-ограниченное энергетическое разрешение (ПШПВ) при 5,9 кэВ в детекторах рентгеновского излучения, изготовленных из In_0.5Ga_0.5P, составило 139 эВ при 20°С. Оно было оценено с использованием формулы (1), определенных значений для энергии создания электронно-дырочных пар и в предположении, что коэффициент Фано равен 0,12. Наблюдалось пренебрежимо малое изменение в температурном диапазоне от 20°С до 100°С.

Энергия создания электронно-дырочных пар, полученная при 27°С (300 K) (4,95 эВ ± 0,03 эВ), хорошо согласуется со значением, предсказанным для In_0.5Ga_0.5P на основе соотношения Бертуччо-Майокки-Барнетта (ВМВ) (4,83 эВ ± 0,21 эВ).

На фиг. 20 показана средняя энергия создания электронно-дырочных пар для Ge, Si, GaAs, Al_0.2Ga_0.8As, Al_0.8Ga_0.2As (закрашенные кружочки) и In_0.5Ga_0.5P (закрашенные квадратики) в зависимости от их ширины запрещенной зоны при температуре 300 K.

Аппроксимация указанных данных методом линейных наименьших квадратов показала, что ранее опубликованная ВМВ-зависимость между энергией создания электронно-дырочных пар и шириной запрещенной зоны может быть уточнена с использованием новых данных для In_0.5Ga_0.5P. Новое соотношение имеет вид: ε=AEg+В, где А=(1,62±0,08) и В=(1,79±0,13) эВ.

Первоначально авторы настоящего изобретения продемонстрировали использование рентгеновского спектрометра с InGaP-детектором в температурном диапазоне от 100°С до 20°С. Характеристики спектрометра определялись при разных значениях времени формирования и обратных смещениях детектора. Наилучшее энергетическое разрешение (наименьшая ПШПВ) при 5,9 кэВ составила 1,27 кэВ при 100°С при использовании времени формирования 0,5 мкм, и она улучшилась до 840 эВ при 20°С (при использовании времени формирования 10 мкс), когда на InGaP-детектор подавалось обратное смещение 5 В. Улучшение энергетического разрешения (количественно выражаемого с помощью ПШПВ на 5,9 кЭв) наблюдалось при повышении подаваемого обратного смещения с 0 В до 5 В. Лучшие результаты, полученные при 5 В, могут быть объяснены с учетом улучшенного накопления заряда при более высокой напряженности электрического поля. ПШПВ, сходные с измеренной при 5 В, наблюдались при 10 В и 15 В, и это подтверждает, что шум из-за захвата заряда при 5 В и выше был пренебрежимо мал. Анализ шумов системы показал, что наблюдавшаяся ПШПВ была лучше, чем вероятное статистически ограниченное энергетическое разрешение (т.е. Фано-ограниченное энергетическое разрешение). Были вычислены параллельный белый шум, последовательный белый шум, шум 1/f и диэлектрический шум. Более высокий параллельный белый шум, наблюдавшийся при повышенных температурах, был вызван кремниевым входным полевым транзистором с p-n-переходом предусилителя, а не фотодетектором.

Хотя в данном документе были описаны круглые фотодиоды (если смотреть сверху вниз), предполагаются и другие геометрические формы фотодиодов. Круглые устройства могут быть предпочтительными для использования в однопиксельных детекторах, поскольку в них отношение площади верхней поверхности к площади боковой стенки является максимальным. Для детекторов с пиксельной матрицей, содержащих множество таких фотодиодов, расположенных в виде одномерной или двумерной матрицы, могут быть желательны устройства круглой или иной формы. Например, может быть желательным использование устройств, которые имеют мозаичную форму, например квадратных или многоугольных устройств.

Были описаны различные варианты осуществления, в которых фотодиод использовался для спектроскопии и/или для определения местоположения источника рентгеновского излучения и/или гамма-излучения. Тем не менее, предполагается, что фотодиод может использоваться и в других приборах. Например, фотодиод может использоваться в радиоизотопной микробатарее (известной также как ядерная микробатарея).

Ядерные микробатареи содержат радиоактивный источник для эмиссии радиоактивных частиц (т.е. альфа- или бета-частиц) или фотонов и детектор, который принимает эти частицы или фотоны и преобразует их в электрический ток. Такие устройства желательны, поскольку они имеют сравнительно долгий срок службы (например, > 10 лет), высокую плотность энергии и малый размер. Эти устройства могут использоваться в таких областях применения, как микроэлектромеханические системы (microelectromechanical systems, MEMS), имплантируемые медицинские устройства и военное оборудование. Желательно, чтобы ядерные микробатареи имели возможность использования в экстремальных условиях (включая высокие и низкие температуры, экстремальные давления, механические удары и вибрации), поскольку это может потребоваться для определенных областей применения, таких как аэронавтика, астронавтика, глубоководные работы и оборудование для горячих и холодных климатических условий, например для пустынь.

Воздействие рабочей температуры на характеристики фотоэлектрической ячейки микробатареи является важным во многих целевых областях применения, поскольку температура может сильно влиять на характеристики фотоэлектрической ячейки.

Авторами настоящего изобретения было выяснено, что фотодиод, содержащий InGaP, особенно полезен в ядерной микробатарее, поскольку, как описано выше, InGaP неожиданно оказался эффективным при преобразовании рентгеновского излучения и гамма-излучения в электрические носители заряда. Кроме того, использование InGaP обеспечивает возможность работы микробатареи в сравнительно широком диапазоне температур и при высоких дозах радиации при сравнительно небольшом ухудшении рабочих характеристик. Эти характеристики, в сочетании со сравнительно высокой эффективностью преобразования и сравнительно низкими производственными затратами (например, он может выращиваться на имеющихся в продаже GaAs-подложках с использованием обычных методов выращивания), делают InGaP особенно пригодным для использования в рентгеновских и/или в гамма-лучевых ядерных микробатареях.

Было также выяснено, что использование ядерной микробатареи, содержащей радиоизотопный источник рентгеновского излучения, снижает риск, связанный с повреждением устройства, по сравнению, например, с радиоизотопными источниками бета-частиц, поскольку источники мягкого рентгеновского излучения (например, с энергией фотонов < 10 кэВ) могут быть сравнительно легко экранированы для обеспечения безопасных условий.

Далее лишь на примере будет описан иллюстративный вариант осуществления ядерной микробатареи для помощи в понимании настоящего изобретения. Следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается включением всех из вышеописанных слоев или конкретным составом различных слоев в данном примере.

Была изготовлена микробатарея, содержащая описанный выше применительно к таблице 1 фотодиод с меза-структурой диаметром 400 мкм и 206 МБк ⁵⁵Fe-радиоизотопный источник рентгеновского излучения (Mn Kα=5,9 кэВ, Mn Kβ=6,49 кэВ) для облучения указанного фотодиода. Источник рентгеновского излучения был размещен на удалении 5 мм от верхней поверхности детектора (т.е. при нахождении PIN-структуры между источником рентгеновского излучения и подложкой (слой 7 в таблице 1)).

Микробатарея была размещена внутри климатической камеры TAS Micro МТ в атмосфере сухого азота (относительная влажность < 5%). Характеристики тока в зависимости от подаваемого прямого смещения (от 0 В до 1 В с шагом 0,01 В) были измерены с помощью пикоамперметра/источника напряжения Keithley 6487 в температурном диапазоне от -20°С до 100°С.

На фиг. 9 показан электрический ток, генерируемый микробатареей, в зависимости от прямого смещения на фотодиоде для различных температурных условий.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что возможно внесение различных изменений в форму и детали без выхода за рамки объема настоящего изобретения, сформулированного в приложенной формуле изобретения.

Группа изобретений относится в целом к фотодиодам для обнаружения фотонов рентгеновского и гамма-излучения. Фотодиод содержит InGaP, расположенный и выполненный с возможностью поглощения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, подающего на этот фотодиод, и генерирования носителей заряда в ответ на это. Технический результат – повышение энергетического разрешения детектора. 5 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 табл., 20 ил.

1. Фотодиод для использования при обнаружении рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, содержащий

PIN-переход, образованный не легированным слоем InGaP, расположенным непосредственно между р-легированным слоем InGaP и n-легированным слоем InGaP;

или

p-n-переход, образованный р-легированным слоем InGaP, контактирующим с n-легированным слоем InGaP;

причем указанный PIN-переход или p-n-переход расположены и выполнены с возможностью поглощения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, падающего на этот фотодиод, и генерирования носителей заряда в ответ на это.

2. Фотодиод по п. 1, содержащий корпус или экран, расположенный и выполненный с возможностью предотвращения попадания фотонов, отличных от фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, на InGaP, и/или расположенный и выполненный с возможностью предотвращения попадания радиоактивных бета- и/или альфа-частиц на InGaP.

3. Фотодиод по п. 2, в котором корпус или экран изготовлен из металла, в частности из металлической фольги.

4. Фотодиод по любому из пп. 1-3, в котором i-слой PIN-перехода имеет следующую толщину: ≥ 5 мкм, ≥ 10 мкм, ≥ 15 мкм, ≥ 20 мкм, ≥ 25 мкм, ≥ 30 мкм, ≥ 35 мкм, ≥ 40 мкм, ≥ 45 мкм или ≥ 50 мкм.

5. Фотодиод по любому из пп. 1-4, в котором р-слой и/или n-слой PIN-перехода имеют следующую толщину: ≤ 0,5 мкм, ≤ 0,4 мкм, ≤ 0,3 мкм, ≤ 0,2 мкм или ≤ 0,1 мкм.

6. Фотодиод по любому из пп. 1-5, содержащий электрод на каждой стороне PIN-перехода или p-n-перехода для подачи напряжения на указанный переход и/или для измерения фотогенерируемых носителей заряда, генерируемых в указанном переходе, причем по меньшей мере один из указанных электродов не покрывает участок стороны указанного перехода, на которой он расположен, так что обеспечивается возможность прохождения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения в указанный переход через указанную сторону без прохождения через указанный по меньшей мере один электрод.

7. Фотодиод по п. 6, в котором указанный по меньшей мере один электрод является кольцевым, имеет отверстие, имеет выемку или является встречно-штыревым, так что он не полностью покрывает указанную сторону и обеспечивает возможность прохождения указанного рентгеновского излучения и/или гамма-излучения в указанный переход без прохождения через материал, образующий указанный электрод.

8. Фотодиод по любому из пп. 1, 4-7, содержащий источник напряжения, выполненный и настроенный с возможностью подачи напряжения обратного смещения на указанный PIN-переход или p-n-переход, причем указанное напряжение составляет ≥ 2 В, 10 ≥ 3 В, ≥ 4 В, ≥ 4,5 В или ≥ 5 В.

9. Фотодиод по любому из предыдущих пунктов, в котором InGaP представляет собой кристаллическую структуру, имеющую структурный состав In_0.5Ga_0.5P.

10. Фотодиод по любому из предыдущих пунктов, имеющий мезадиодную структуру.

11. Фотодиод по любому из пп. 1-9, в котором InGaP-материал обеспечен внутри по существу плоской структуры, содержащей контакты Шоттки, и/или в котором была осуществлена имплантация ионов в устройство с образованием областей электрического сопротивления.

12. Детектор рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, содержащий фотодиод по любому из предыдущих пунктов, а также содержащий электронную схему для обработки электрического сигнала, генерируемого фотодиодом, для определения того, обусловлен ли указанный электрический сигнал по меньшей мере частично генерированием указанных фотогенерируемых носителей заряда.

13. Спектрометр со счетом фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, содержащий детектор по п. 12 и процессор, настроенный и выполненный с возможностью определений энергий отдельных фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, обнаруживаемых PIN-переходом или p-n-переходом в указанном детекторе, на основе указанного электрического сигнала, и/или с возможностью определения количества фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, обнаруживаемых PIN-переходом или p-n-переходом в указанном детекторе, на основе указанного электрического сигнала.

14. Система обнаружения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, содержащая источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения и фотодиод по любому из пп. 1-11, детектор по п. 12 или спектрометр по п. 13 для обнаружения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения от указанного источника.

15. Система по п. 14, представляющая собой ядерную или радиоизотопную батарею, содержащую указанный источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, и указанный фотодиод для преобразования указанного рентгеновского излучения и/или гамма-излучения в электрический ток.

16. Система по п. 15, в которой указанный источник представляет собой радиоактивный материал.

17. Система по п. 15 или 16, в которой указанные источник и фотодиод помещены внутрь корпуса, и указанный корпус при необходимости расположен и выполнен с возможностью по существу предотвращения выхода указанного рентгеновского излучения и/или гамма-излучения указанного источника из указанного корпуса.

18. Способ обнаружения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, включающий этапы, на которых:

подвергают детектор рентгеновского излучения и/или гамма-излучения по п. 12 воздействию источника рентгеновского излучения и/или гамма-излучения; и

на основе сигнала, генерируемого фотодиодом, определяют прием рентгеновского излучения и/или гамма-излучения указанным детектором.

19. Способ по п. 18, включающий предварительные этапы, на которых выбирают указанный источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения и перемещают детектор в направлении указанного источника.

20. Способ по п. 18, также включающий этап, на котором определяют наличие и/или местоположение указанного источника рентгеновского излучения и/или гамма-излучения с использованием детектора.