Интегральный полупроводниковый детектор ионизирующих излучений и способ его получения Советский патент 1993 года по МПК H01L31/296 G01T1/20 

(46) 15.02.93. Бил. К 6

(21)4065878/25

(22)05.05.86

(72) В.Д.Рыжиков, О.П.Вербицкий, Е.М.Селегенев и В.И.Силин

(56)Авторское свидетельство СССР № 766294, кл. G 01 Т 1/20, 1979.

Авторское свидетельство СССР № 1060035, кл. G 01 Т 1/16, 1983.

(54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУ10и1ИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

(57)Изобретение относится к технике измерений ионизирующих излучений, более конкретно - к интегральному полупров одииковому детектору. Целью изобретения является повышение чувствительности детектора и ее стабильности во времени. Цель достигается тем, что р-п-переход детектора состоит из сцинтиллятора ZnSe(Te) п-типа проводимости и фотоприемного слоя ZnTe,, Sej р-типа либо р-п-переход состоит из сцинтиллятора CdS(Te) п-типа проводимости и фотоприемного слоя CdTe.i р-типа. В способе изготовления термообработку проводят при избыточном давлении одного из компонентов в изотермических условиях при 800 - в течение с. Изобретение позволяет создать целое семейство детекторов нового поколения для ряда применений. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, t ил., 2 табл.. /Л

4

СО

оь к|

со j

Ичобрртений относится к области р егистрацмй и измерения интенсивности как непрерывных, так и импульс- йьгх потбкон oi. , / и ЦТ -излучений, рентгенояски х лучей, нейтронов и может найти применение в системах, предназначенных для индикации и исследования этих излучений,-а также в счетчиках частиц.

Целью иэобретения является повышение чувствительности детектора и ее стабильности, во времени в процессе эксплуатации детектора.

Согласно предлагаемому изобрете- нию р-п-переход состоит из твердого раствора соединений А В и вьтол- нен в виде оболочки, покрывающей поверхность сцинтиллятора.

В случае сцинтиллятора ZnSe(Te) п-типа проводимости фотоприемным слоем является . Sen р-типа, а в случае сцинтиллятора CdS(Te) п-типа . фотоприемный слой - CdTe.x 8„ р-типа.

Согласно изобретению термообработку проводят при избыточном давлении одного из компонентов сцинтиллятора в изотермических условиях при темпер туре 800-1100°С в течение Ю -Ю с

В предлагаемом устройстве в твердом растворе соединений А происходит изменение типа проводимости, позволяющее регистрировать световой сигнал, основываясь на фотодиодном принципе, инерционность которого не превышает с. Таким образом, предлагаемый детектор имеет существенное отличие от известных.

В предлагаемом детекторе нанесени фотоприемника на сцинтиллятор ОСУЩЕСТВЛЯЮТ в виде оболочки.

Р-п-переход образуется в области составов 0,3 X 0,5 благодаря изменению концентрации собственных точеч ных дефектов решетки, определяющих тип проводимости-материала.

Изотермичность обеспечивает однородность условий нанесения покрытия. Высокая температура уменьшает влия- ние качества обработки поверхности благодаря диффузионному выравниванию концентрагдии адсорбированных поверхностью примесей.

Полученный предлагаемым способом р-п-переход в системе ZnSeyTe 4. х имеет максимум чувствительности в области 2,1 эВ (585 им) при сохранении гветовыхода сгшнтиллятора, что обус

лявливает высокую чувстпительность детектора в целом, в 1,5 раза превышающую чувствительность детектора, полученного напылением на ZnSe или на CdS.

На чертеже показана блок-схема предлагаемого детектора.

. Сцинтиллятор 1 через низкоомный слой 2 соединен с фотоприемником 3, частью которого является слой 4 твердого раствора сцинтиллятора и фотоприемника. К фотопри мнику 3 подключен металлический контакт 5, к низко- омному слою«подключен металлический контакт 6.

Через контакты 5, 6 к фотоприемнику подключены источник питания 7 и сопротивление нагрузки 8. К сопротивлению нагрузки 8 подключен измерительный прибор 9. Если материал сцинтиллятора низкоомен, то контакт наносится непосредственно на сцинтиллятор.

Принцип работы детектора следующий.

Ионизирующее излучение, попадая в кристалл сцинтиллятора 1, возбуждает в нем световое излучение. Это излучение попадает на фотоприемник 3, где в слое 4 твердого раствора, содержащем р-п-переход, происходит поглощение света, сопровождающееся генерацией носителей заряда, что приводит к возникновению фотоЭДС и тока через сопротивление нагрузки 8. Падение напряжения на сопротивлении В регистрируется измерительным прибором 9. После прекращения ионизирующего излучения прекращается световое излучение и восстанавливается равновесная концентрация носителей заряда, при которой ток в цепи через сопротивление нагрузки отсутствует. Время релаксации детектора в вентильном режиме не хуже 10 с, в диодном - 10 с и мож.ет быть в принципе еще уменьгаено.

Для получения стабильного во времени фотоприемника необходимо, чтобы в твердом растворе сцинтиллятор - фотоприемник компонента фотоприемника замещала в узле решетки компоненту сцинтиллятора. При этом в решетке твердого раствора должны отсутствовать междоузельные атомы материала фотоприемника,так как при комнатной температуре наиболее вероятна с энергетической точки зре

-

мия диффузия по междоузлиям. С другой стороны, чтобы уменьшить вероятность лнффузии по вакансиям, компоненты замешлющая (фотоприемника) и замещаемая, (сцинтиллятора) должны существенно различаться по ионному радиусу. Вероятность диффузии компоненты фотоприемника резко уменьшается, если ее ионный радиус ино- го рьпие замещаемой,, компоненты сцинтиллятора. В противоположность этому требованию высокочувствительная гетероструктура получается при незначительном различии ионных ра- диусов р-п-слоев.

Для того, чтобы сцинтилляционные свойства подложки не ухудшались при нанесении фотоприемника, необходимо сохранение требуемой стехиометрии сцинтиллятора при высокой температуре нанесения покрытия. Поэтому нанесение покрытия проводят в среде избыточного (как правило, более летучего) компонента сцинтил- лятора. Однако, присутствие этого компонента не должно приводить к ухудшению свойств фотоприемника. Сюда следует еще добавить необходимое условие согласования спектра излучения сцинтиллятора со спектром фоточувствительности фотоприемника.

Совокупность перечисленных требований, обеспечивающих сохранение сцинтилляционных свойств подложки, высокую фоточувствительность фотоприемника и стабильность всей структуры во времени, кажется противора- ,чивой, не поддается теоретическому расчету и представляется с первого взгляда неразрешимой задачей.

Вопрос о возможности существования конструкции, представляющей премет данного изобретениями способа е получения мог быть установлен и был решен только после длительного поиска экспериментальным путем.

Очевидно, что повышение чувстви

тельности фотоприемника пропорциональ-50 Это приводит к уменьшению реально

но его площади. В рассматриваемом случае при стандартной форме сцинтиллятора в виде цилиндра светосбор осуществляется в геометрии 4ТТ, и во столько же раз должна увеличиться чувствительность фотоприемника и, соответственно, эффективность регистрации детектором ионизирующего излучения.

0

Q jg

25 Q

35 40

В пидп.ч тоне MU iirmMi l i,)-.flO л R, т.е. по всем дилпазонг - нс1М-|1П мгли- цииской вычислительно томш-рлфи, зффективнпсть регистрации пышр нп 20-30% чем ожидаемая. KOJTPP дотлиь- ное исследование показало, что повышение чувствительности связано с вкладом самого фотоприемникл в преобразование энергии иониэирующого итлучеш я в электрическую, т.е. гетеропереход работает как полупроводниковый детектор ионизирующих излучений.

При нанесении фотоприемника в виде оболочки фотоприемник одновременно работает как детектор и ионизирующего, и спетового излучения.При этом повышение фоточувствительности фотоприемпика превышает ожидаемое в том случае,если приемник используется только как полупроводниковый детектор излучений. Специально проведенные исследования на фотоприемниках показали, что при одинаковой (по сравнению с нанесенной на сцин- тиллятор) фоточувствительности эф- фективпость его регистрации ионизирующих излучений не превьшшет 15 - 30% (в диапазоне энергий 200-25 кэВ), эффективности регистрации фотоприемпика, напесеннот о на сцинтил-пятор.

Вследствие отсутствия строгой теории, описывающей процессы преобразования энергии ионизирующего излучения в световую и электрическую в полупроводниковых соединениях А В указанный эффект не может быть объяснен в рамках существующих представлений. , Предположительно, он объясняется следующим образом.

,V1

и V t Известно,что в соединениях А В

наряду с процессами рекомбинации,ср- 45 провождающимися образованием пар носителей противоположного знака под действием оптического излучения, происходят противоположные процессы ан- нигиляции образующихся пар носителей.

регистрируемых измерительным устройством пар носителей и эффективность преобразования световой энергии в электрическую,как правило, не превы- шает 50%, По-видимому, в рассматриваемом случае, вследствие того, что описываемый процесс происходит на фоне воздействия ионизирующего излучения, существенно меняются условия

.1И1 ИГ ил«ции обрачующихсп под воэдей- (тнием светпжи о излучения носителей разчого знака, заметно уменьшается вероятность перехода их в такие разрешенные состояния, при которых аннигиляция осуществляется.

Так как фотоприемник выполнен в. виде оболочки, охватывающей всю nor верхность сцинтиллятора, то независимо от его расположения -относительно источника излучения всегда имеется плоскость входного окна ионизирующего излучения, в которой регистрация светового излучения производится на фоне интенсивного воздействия на фотослой проникающей радиации.Именно такой процесс, видимо, приводит к обнаруженному нами повышению на 20-30%.

Пример 1, Сцинтилляционный. элемент в виде прямоугольного параллелепипеда из ZnSe(Te) размерами 5x7x10 мм после механического шлифования и полировки до 12 класса чир тоты поверхности промывают водным раствором щелочи NaOH и затем дистиллированной водой.

Элемент помещают -в кварцевую ампулу объемом см с добавкой ZnTe- O, г и Zn 0,02 г. Ампулу откачивают до остаточного давления 10 торр fc 1 Па и герметизируют запайкой.

Герметизированную ампулу нагревают в печи до Т и вьщерживают в- течение t 10 с давление

у

паров цинка достигает 10 Па, Температура снижается со скоростью не более 60 /ч.

Сцинтиллятор с образовавшимися на нем диодным слоем твердого раствора ZnSejTe -.)( 0,2 . х 1 толщиной 20-40 мкм извлекают из ампулы. С поверхности 7x10 сошлифовывают диодный слой.

К противоположным плоскостям детектора 7x10 вакуумным напылением наносят индиевые контакты,

В вентильном режиме при 10 не импульсном облучении рентгеном .с энергией ЮОкэВ получен выходной сигяал 0,2 В (2 ед) с постоянной времени

спала о

5-10

с.

800, t

Т

10 с;

выходной сигн- ит я вонтияыюм режиме 1,0 ед.

Пример 3. Проводился анало- гично приггеру 1 . Отличие в режиме термообработки Т - ,t 10 с; выходной сигнал в вентильном режиме 1,5 ед.

П р и м е р 4. Проводился ана- логично примеру 1. Отличие в реж1п-1е термообработки: Т ,t 10 г; выходной сигнал в вентильном режиме 1,5 ед.

Пример 5. Проводился анало- гично примеру 1.Отличие в режиме термообработки: Т , t 10 с; выходной сигнал в. вентильном режиме 1,8 ед.

Зависимость чувствительности ин- тегрального детектора ионизирующих излучений от условий нанесения диодного слоя: температуры и времени термообработки показана в табл.1 (сцин- тиллятор ZnSe(Te), фотопокрытие ZnTe).

W

Таблица 1

Фотодиодная структура в системе ZnSe-ZnTe образуется в щирокой об- ласти TeMnepatyp и времен термообра- .бртки. Однако уменьшение температуры Т : и времени обработки t снижает световыход сцинтиллятора вследствие неопт мальности услойий

активации полосы 640 -нм, а увеличение этих параметров Т 1100 С t lO с приводит к увеличению толщины самокомпенсированного слоя твердого раствора, что уменьшает эффективность регистрации светового сигнала, и соответственно - чувствительность детектора.

Из данных табл.1 следует, что оптимальными для получения интегрального детектора в СНСТРМР ZnSe-ZnTe являются Т , t « К) с.

Интегральный детектор,в котором сиинтнллятором является CdS(Te), а фотоприемником CdTe с максимальной чувствительностью 1 ед,,получен термообработкой CdS(Te) fipn Т 800 в течение ю с При давлении паров теллура 10 Па.,

Уменьшенная чувствительность детектора на основе CdS-CdTe связана с наличием в спектре люминесценции двух максимумов и Меньшей абсолют- ной чувствительностью самой диоднрй структуры.

Сравнение свойств предлагаемого .детектора и прототипа показаны в табл.2,

таблица 2

из сол

А R - 1-1,5 0,3-0,4

Заявляемый из

соединений

А В ZnSe(Te)-ZnTe . 1,5-2 1,5-1,8

Заяв.пяемый из с,о- единений CdS(Te)- -CdTe1-1,5 0,9-1,3

Изобретение обеспечивает создание высокочувствительного стабильного во времени детектора ионизиру-

10

15

20

26

30

35

40

45

югинх излучений, ,4tomfго тррипял- ниям к устройствам такого назначе- ннп.

Формула изобретения

2,Детектор поп.1, отлича- щ и и с я тем, что р-п-переход состоит иэ сцинтиллятора ZnSe(Te) п-тй- па проводимости и фотоприемного слоя S р-типа.

3,Детектор поп,1,отличй- ю щ и и с я тем, что р-п-переход состоит, из сцинтиллятора CdS(Te) п-ти- па проводимости и фотоприемного слоя р-типа.

с.

л-Ik.

j

ш

1 ,.r 9

L