Способ изготовления полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений Советский патент 1987 года по МПК H01L21/02 

Изобретение относится к способам изготовления полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений и может быть использовано для изготовления детекторов на основе германия особой чистоты.

Известны способы изготовления поi

лупроводниковых детекторов ионизирующих излучений, включающие создание планарной или коаксиальной детекторной p-i-n структуры, помещение ее в криостат и вакуумирование криостата с заключенной в нем детекторной структурой. При этом криостат, с одной стороны, осуществляет изоляцию детекторной структуры от внешней среды, и с другой стороны, обеспечивает возможность охлаждения ее до рабочей температуры 80-90 К. Заключительной операцией этих способов является сопротивление пригодности изготовленного детектора путем измерения его электрических характеристик, таких, как вольтамперная и вольтемкостная характеристики, и, наконец,- основной характеристики детектора - энергетического разрешения при оптимальном рабочем напряжении. Недостатком известных способов является низкий процент выхода годных детекторов с приемлемыми электрическими характеристиками и энергетическим разрешением.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ изго- товления полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений, включающий создание детекторной структуры из особо чистого германия, помещение ее в криостат и вакуумирование криостата с заключенной в нем детекторной структурой. Вакуумную откачку криостата проводят при этом при комнатной температуре в течение 1-2 ч до давления воздуха менее 1-10 мм рт.ст. Рабочее разрежение (менее 1 -10 мм рт.ст. создается и поддерживается .в криостате с помощью сорбента после охлаждения его до рабочей температуры. После охлаждения детекторной структуры до температуры 80-90 К определяют пригодность изготовленных детекторов путем измерения характеристик детектора: вольтамперной, вольтемкостной и энергетического разрешения при оптималъном рабочем напряжении.

Такой способ позволяет при тщательном предварительном отборе германия собой чистоты изготавливать детекторы гамма- и рентгеновского излучения с энергетическим разрешением менее 0,5%.

Недостатком известного способаявляется низкий процент выхода детекторов с таким энергетическим разрешением.

Обычно это связано с недостаточно хорошими вольтамперными и вольтемкостными характеристиками детекторов. Повьш1енный ток детектора (более 1 х X 10 А) при рабочем напряжении является причиной электрических шумов, ухудшающих энергетическое разрещение Повьш1енные значения емкости при небольших (порядка 100 В) напряжениях по сравнению со значениями емкости при рабочем напряжении свидетельствуют о повышенной концентрации электрически активных примесей ипи дефектов и, соответственно, о возможном неоднородном распределении электрическог поля в чувствительной области детектора, также приводящем к ухудшению энергетического разрешения.

Целью-изобретения является улучшение электрических характеристик детектора и увеличение выхода годных детекторов при их. производстве.

Цель достигается тем, что в способе изготовления полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений, включающем создание детекторной структуры из особо чистого германия, помещение ее в криостат и вакуумирование криостата с заключенной в нем детекторной структурой, в процессе вакуумирования производят отжиг детекторной структуры при температуре IZO-UOC в течение 16-20 ч.

Такой отжиг приводит, во-первых, к улучшению вольтамперной характеристики детектора из-за уменьшения поверхностной проводимости детекторной структуры под действием температуры IZO-HO C и непрерывной вакуумной откачки в течение 16-20 ч. Во-вторых, улучшается вольтемкостная характеристика детектора из-за уменьшения концентрации, электрически активных дефектов типа быстрых дефектов закалки. Эти дефекты могут возникать при термообработках германия особой чистоты, которым он подвергается в процессе создания детекторной структуры, например, во время операции изготовления п-контакта путем диффузии лития при температуре около 300°С. Отжиг детекторной структуры при температуре 120-140°С в течение 16-20 ч полностью устраняет дефекты этого ти па. В результате указанных эффектов уменьшаются электрические шумы детек тора и становится более однородным электрическое поле в чувствительной области детектора, что приводит к улучшению его энергетического разрешения при оптимальном рабочем напряжении и в конечном счете - к увеличе нию процента выхода годных детекторо при их серийном производстве. Как установлено в экспериментах п изохронному отжигу германия особой чистоты, подвергнутого нагреву до температуры 300-400°С, а затем резко охлажденному до комнатной температуры (закалка), возникшие при закалке злек трически активные дефекты отжигаются в вакууме полностью за приемлемое время, только начинай с температуры 120 С. Минимальная продолжительность отжига при этой температуре, необходимая для снижения концентрации дефектов закалки до уровня, при котором они не влияют на качество детекторов и ионизирующих излучений (менее 10 ) составляет 16-20 ч. При меньшей температуре продолжительность отжига дефектов закалки резко возрастает и составляет, например при температуре 110°С, около 200 ч. Проведение такого длительного отжига в процессе изготовления детекторов является нежелательным, поскольку это резко увеличивает время изготовления детекторов. При более высоких чем 120°С температурах, отжиг протекает быстрее, однако при увеличении температуры отжига возрастает риск загрязнения германия особой чистоты быстро диффундирующими примесями, например, медью. Это обстоятельство накладывает ограничение на величину максимальной температуры отжига, которая, как показали эксперименты, не должна превышать . Так например, отжиг при температуре 150 С продолжительностью 8 ч хотя и устраняет дефекты закалки, но приводит, как правило, к возрастанию концентрации меди в образцах до уровня, превьш1ающего 10 см , что является недопустимым для германия особой чистоты, используемого для изготовления детекторов ионизирующих излучений, поскольку ухудшает энергетическое разрешение детекторов. Следовательно, уменьшение температуры отжига, производимого в процессе вакуумирования, ниже 120 С приводит к неоправданно большим затратам времени на ликвидацию электрически активных дефектов закалки, а увеличение ее выше 140°С неблагоприятно сказывается на чистоте германия. Данный временной интервал (1620 ч) является оптимальным для проведения процесса отжига в вакууме при температуре 120-140С, так как он вполне достаточен для ликвидации электрически активных дефектов закалки, создает благоприятные возможности для сохранения чистоты германия и позволяет изготавливать детекторы за короткое время. Предложенный способ изготовления полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений на основе особо чистого германия заключается в следующем . Известным способом изготавливают детекторную структуру из особо чистого гермайия, помещают ее в криостат и подвергают вакуумированию путем откачки на вакуумной установке. При этом в процессе вакуумной откачки, которая продолжается непрерывно в течение 16-20 ч, детекторную структуру подвергают отжигу при температуре 120-140с путем непрерывного нагрева конца хладопровода криостата с помощью специального электронагревательного устройства. Предложенный способ был проверен в условиях опытного производства детекторов. Из предварительно отобранных путем измерения электрофизических параметров (тип, концентрация и подвижность носителей заряда при 77К, плотность и распределение ямок травления дислокационного и недислокационного происхождения) пластин германия особой чистоты изготавливались по известной технологии детекторные структуры пла- нарного типа диаметром 20 мм и толщиной 6 мм, в которых р-контактом является напыленньш в вакууме тонкий слой золота, а п-контактом служит диффузионный слой лития. Детекторные . структуры помещались в криостаты. Криостаты откачивались согласно известному способу при комнатной температуре в течение 2 ч до давления воздуха менее 1-10 мм рт. ст. и помещались в сосуды Дьюара с жидким азотом. После прохождения детекторных структур до температуры примерно 83 К (через 2 ч после помещения криостата в сосуд Дьюара с жидким азотом) проводились измерения вольтамперной и вольтемкостной характеристик, а также знергетического разрешения детектора tio гамма-линии 662 кэВ изотопа цезийЗатем криостаты вынимали из сосудов Дьюара, нагревали до комнатной температуры и разгерметизировали, в результате чего детекторы возвращались к состоянию, которое предшествует операции вакуумирования. После этого криостаты вновь подвергали вакуумированию, в процессе которого, согласно предпоженному изобретению, производился отжиг детекторных структур при температуре 120lAO C в течение 16-20 ч путем непрерывного нагрева конца хладопровода криостата с помощью специального элек Тронагревательного устройства. Затем детекторные структуры охлаждали до рабочей температуры путем погружения криостатов в сосуд Дьюара с жидким азотом и проводили измерения вольтамперной и вольтемкостЬой характеристик и знергетического разрешения. Результаты проверки эффективности предложенного способа представлены в таблице. Энергетическое разрешение при оптимальном рабочем напряжении детекторов из особо чистого германия до и

после отжига при температуре 120-140С в течение 16-20 ч.

Как видно из таблицы, применение предложенного способа приводит к существенному улучшению основной характеристики детекторов энергетического разрешения при оптимальном рабочем напряжении. Сопоставление результатов измерений вольтамперных и вольтёмкостных характеристик до и после отжига показало, что улучшение энергетического разрешения происходит в результате улучшения этих электрических характеристик детекторов. Таким образом, введение новой технологической операции отжига детек торных структур приводит к улучшению характеристик детекторов из особо чистого .германия и, тем самым, повьш1ению процента выхода годных детекторов. Применение предложенного изобретения приведет к увеличению процента выхода годных детекторов более чем в 2 раза. I

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУКЖ1ИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, включающий создание детекторной структуры из особо чистого германия, помещение ее в криостат и вакуумирование криостата с заключенной в нем детекторной структурой, отличающийся тем, что, с целью улучшения электрических характеристик детектора и увеличения выхода годных детекторов, в процессе ва- куумирования производят отжиг детекторной структуры при температуре 120НО С в течение 16-20 ч.