Детектор ядерных излучений Советский патент 1985 года по МПК H01L31/02 G01T1/24 

Изобретение относится к полупроводниковому приборостроению, а имен но к литий-дрейфовым коаксиальным детекторам, и может быть использова но в приборах для спектрометрии и регистрации ядерных излучений. Известен литий-дрейфовый детекто ядерных излучений Планерной геометрии Cl 3- Он представляет собой цилиндр из р-материала, в котором со стороны одного ИЗ торцов создан чувствительный слой (i-слой за счет дрейфа ионов лития из диффузионного г -слоя в р -материал иод действием поля в обратносмещенном р-и-переходе. Глубина дрейфовой области определяется, как правило, приложенным напряжением, температу1)ой и временем, в течение которого проводят дрейф. С целью улучшения характеристик детекторов, а именно для снижения шумов, обусловленшлх токами утечки, используется меза геометрия. Эта геометрия предполагает отсутствне диффузионного слоя лития у краев торца, ма котором этот слой создан. Детекторы с меза-структурой используются при регистрации и спектрометрии излучения падающего, как правилоi перпендикулярно торцу. В общем случае при детектировании ненаправленного излучения наблюдает .анизотропия, связанная с тем, что боковая цилиндрическая поверхность остается р-областью, нечувствитель ной к излучению. Кроме того, таким способом трудно получить больпше рабочие объемы , детекторов (более 4 ci/| за счет того, что диаметр :пром1Л шенно : иэготавли ваемых для детекторов полупроводникошлх монокристаллов составляет 30-40 мм, а создание толщин i-об- ластей более требует значитель ного увеличения времени дрейфа. Для регистрации и спектрометрии -нзлучения с большой эффектишюстью требу ются объемы в несколько десятков кубических сантиметров(под эффективностью счета понимают приведенное к единице площади отношение скорости счета в пике полного поглощения.к плотности йотока частиц или квантов Известны коаксиальные кремниевые детекторы ядерных излучений ,имеющие переход 2 . Переход создается на кремнии дыр ной проводимости путем лиЛфузии фосфора на внешнюю цилиндрическую поверхность полупроводниковой заготовки, на кремнии электронной проводимости - путем напыления в вакууме на внешнкяо цилиндрическую поверхность золота. Чувствительная к излучению область образуется в таких детекторах за счет приложенного к п-р переходу обратного смещения. Недостатком этого типа детекторов является относительно мальш значения глубины чувствительной области(обычно менее 2 мм /, что не позволяет получать большие рабочие объемы,-к необходимость подавать высокие смещения(0,51,0 кВ ), что представляет опасность для пациента при использовании таких детекторов в медико-биологических целях. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является детектор ядерных излу 1ений на основе полупроводникового монокристалла цилиндрической формы р-типа проводимости с литий-дрейфовой структурой на боковой поверхности и одном из торцов з}. Он выполнен в виде цилиндра и имеет литий-дрейфовую структуру Вдоль всей боковой поверхности и на одном из торцов, причем на другом торце имеет место выход п-{-р перехода на поверхность.Литийдрейфовые детекторы изготавливают из кристаллов кремния или германия дырочного типа проводимости. На боковой поверхности заготовки и одном из торцов создан диффузионный слой лития электронного типа проводимости. После химического травления и создания омических контактов к областям пир типа проводимости на полученный п-р диод подают запирающее напряжение при повьщгенных Температурах, В результате чеШо ионы лития из диффузионного слоя дрейфуют в р -область,: компенсируя заряд, создаваемый примесью дырочного типа и образуя область с собственной проводимостью (1-область). Обладая большой подвижностью, ионы лития могут дрейфовать на глубину до 15 мм, и созданная i-область определяет рабочую область приборов. Создание столь протяженных областей обеспечивает, во- первых возможность регистрации и сг октрометрии дпиннопробежных частиц (элёктрО1Ш, прютоны больших энергий) и JP-квантов за счет полного эиерговыцеления в д-области и, во-вторых, 3 возможность работы на созданном слое нужной глубины при значительно меньших рабочих напряжениях, чем в случае детекторов с и-р переходом. Обладая большим чувствительным объв мом и изотропными свойствами, эти детекторы имеют достаточно высокое разрешение по энергии, если уровень шумоэ мал и качество исходного попупроводиикового материала odecnie чиваёт условие однородного собирани заряда. В ряде случаев для коаксиальных литий-дрейфовых детекторов условие получения малых шумов является тpyднoвыпoлни adм, как, например, при использовании кремниевых детекторов при кo fИaтныx температурах. При регистрации излучения основной характеристикой детектора явлЯ ется отношение сигнал/шум. Энергети ческое разрешение является основной характеристикой спектрометрических детекторов и определяется как полна ширина спектральной линии моноэнергетического излучения на половине ее максимальной высоты. В э нергетическое разрешение квадратично входя три слагаемых, од{шм из которых являются флуктуации щука. В свою очередь, флуктуации шума определяются темновым током обратносмещенного p-i-h перехода. Вклад шумов в полное разрешение детекторов в ряде случаев, особенно при работе без охлаждения, является доминируюЕ1ИМ, и все усилия обычно направлены на получение минимальных обратных токов. Обратный ток р-т-п перехода со тоит из генерационнорекомбинационного тока, который определяется параметрами исходного материала и тока утечки, который зависит от со вершенства химической обработки открытой поверхности p-i-n переход Химическая обработка поверхности р - t - rt перехода предполагает создание на ней наиболее благоприятных условий с точки зрения снижения рекомбинации и поверхностной про во димости.. в настоящее время химическая обработка поверхности.полупровод|в1к остается нерешенной задачей. Процессы химической и фиэичвско.й сорбции, а также присутствие на пО верхности комплексов, содержащих легкодиссоцийрующие ионы подвишеых 5 элементов, приводят к трудноконтролируемым условиям на поверхности перехода, что обусловливает, неста-г бильность шумовых характеристик приборов во времени. Кроме того, дпя миниатюрных медико-биологических приборов такой геометрии с диаметром 1-2 мм трудно изготовить омический контакт к области р-типа диаметром 0,2 мм, оставшейся после проведения дрейфа из-за риска закорачивания с -областью. Цель изобретения - повьшение, точности измерения за счет снижения шумов н повышения стабильности во. времени, а также возможность создания контакта к р -области при мальпс размерах детектора. Поставленная цель достигается тем, что в известном детекторе ядерных излучений цилиндрической формы, имеющем литий-дрейфовую структуру на боковой поверхности и одном из торцов, со стороны другого торца часть цилиндрической поверхности кристалла вьтолнена свободной от слоя лития на высоту не менее величины чувствительного слоя детектора. На чертеже представлен предлагаемый детектор. Предлагаемь1й детектор выполнен на основе монокристалла 1 кремния или германия дырочного типа проводимости цилиндрической формы. На одном из торцов и боковой поверхности цилиндра имеется диффузионный слой лития 2 п-типа проводимости. Второй торец и часть прилегающей к нему цилиндрической поверхности кристалла свободш 1 от слоя лития. Причем высота свободной зоны на боковой поверхности превышает величину чувствительной зоны детектора, чтобы избежать возможности выхода v-области в процессе дрейфа на торец. Торцы кристалла снабжены омическими контактами ЗиЛ. Например,для кремниевых детекторов контактом 3 к р-области могут служить напыленное золото, либо электрически осажденный палладий, а -контактом 4 к п-области могут быть либо индий галиевая эвтектика, либо электролитически осажденный до химического травления никель После проведения дрейфа ионов ития образуется область 5 собствен ной провода1мости толщиной W, которая и является чувствительной областью детектора.

В детекторе предлагаемой конструкции снижается величина электрического поля в приконтактной области, что приводит к уменьшению токов поверхностной утечки.

Кроме того, такой детектор обладает более стабильными во времени характеристиками, так как влЕияние окружающей среды непосредственно на структуру практически исключено.

Детекторы предлагаемой конструкции имеют обратные токи на порядок меньше, чем у прототипа, и составляют для медико-биологических детекторов с объемом ,02 см менее 0,05 мкА для обратных смещений 50 В и для детекторов большого объема

см порядка I мкА при смещениях 300-500 В при комнатной температуре.

Таким образом, детектор предлагаемой конструкции является более стабильным устройством по сравнению с

прототипом, имеет более низкий уровень щумов за счет снижения токов утечки, и, кроме того, в нем облегчено создание контакта к р-области при малых размерах детектора, так

как р-область на торце имеет диаметр равный диаметру детектора.

ДЕТЕКТОР ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ на основе полупроводникового монокристалла цилиндрической формы р-типа проводимости с литий-дрейфовой структурой на боковой поверхности и одном из торцов, отличающийся тем, что, с целью повьпиения точности измерения за счет повьшения отношения сигнал/шум, со стороны другого торца часть цилиндрической поверхности кристалла свободна от слоя лития на высоту не менее величины чувствительного слоя детектора;