ДЕТЕКТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Советский патент 1994 года по МПК G01T1/24 

Изобретение относится к технике регистрации ядерных излучений, в частности рентгеновского излучения.

Целью изобретения является повышение чувствительности за счет увеличения отношения пик - долина.

Сущность изобретения основана на выявленной жесткой связи между скоростью дрейфового перемещения примесей в полупроводниках и происходящим при этом изменении степени компенсации материала, и на обнаруженном эффекте автоматического "очищения" профиля медленно диффундирующей примеси от примесей более подвижных, перемещающихся в полупроводнике по механизму дрейфа в электрическом поле. В результате стало возможным на материалах, компенсированных примесями с высокой подвижностью, создавать структуры с мелкими и стабильными во времени контактами.

Выполнение одного из выпрямляющих контактов с монотонно возрастающей к поверхности концентрацией легирующей примеси обеспечивает возможность создания вблизи поверхности сильного электрического поля. Оно способствует более эффективному оттоку неравновесных носителей от поверхности и уменьшению их доли, рекомбинирующей через поверхностные состояния.

Это обстоятельство наиболее существенно при регистрации мягкого рентгеновского излучения, когда неравновесные электронно-дырочные пары генерируются квантами в непосредственной близости от поверхности (в слое приблизительно нескольких микрон). Именно в этом случае встроенное электрическое поле у поверхности, увеличивая эффективность собирания заряда, уменьшает количество импульсов в левой части спектральной линии детектора (долине). При этом, растет отношение пик - долина, т. е. повышается чувствительность детектора (по линии K_α = 2,01 кэВ фосфора более чем в 5 раз).

Верхняя граница диапазона поверхностной концентрации примеси связана с тем, что при N_S1 > 10²⁰ см^-3 достигают неприемлемо большой величины потери заряда по механизму Оже-рекомбинации, снижающие отношение пик - долина до значений, характерных для детектора-прототипа. С другой стороны, при N_S1 < 10¹⁸ см^-3 величина встроенного поля падает из-за снижения высоты барьера на контакте. Так же возрастает сопротивление растекания по контакту, что в совокупности не дает выигрыша по сравнению с прототипом.

Глубина залегания примеси задает ширину области со встроенным электрическим полем и его величину. Установлено, что требуемое для эффективного собирания заряда электрическое поле реализуется при Δ₁≅ 0,2 мкм. При Δ₁ > 0,2 мкм встроенное поле становится соизмеримым с полем в чувствительном объеме детектора. Это приводит к тому, что низкое время жизни неравновесных носителей в контакте не "компенсируется" высоким значением напряженности электрического поля. В результате в контактной области возникают значительные потери заряда, снижающие отношение пик - долина, а следовательно и чувствительность до величины, не превосходящей значение, характерное для прототипа.

Второй контакт, как и первый, должен обеспечить низкое сопротивление растекания. Кроме этого контакт необходим как "резервуар" компенсируемой примеси (по типу проводимости). Первое условие выполняется при N_S2 > 3˙ 10¹⁹ см^-3, когда проводимость носит вырожденный "металлический" характер. При N_S2 < 3˙ 10¹⁹ см^-3 вырождения не возникает, что не только повышает сопротивление растекания контакта, а следовательно и уровень шума детектора, но и вносит температурную нестабильность свойств контакта. Эти обстоятельства делают контакт N_S2 < 3˙ 10¹⁹ см^-3 неприемлемым для детектора с высокими эксплуатационными характеристиками.

Второе условие вытекает из установленного факта, что для безусловного обеспечения требуемых электрофизических параметров конденсированной области необходимо иметь "резервуар" для стока избытка компенсирующей примеси. Емкость "резервуара" должна превышать не менее чем в 2 раза количество примеси, требуемое для компенсации материала с заданной N_D - N_A на толщине детектора d. Откуда
Δ₂≥ . При глубине
Δ₂ < 2N_D - N_Ad/N_S2 получение однородного с высокой степенью компенсации материала в чувствительной области детектора, необходимого для эффективного собирания зарядов, невозможно.

Операцией, предшествующей нанесению компенсирующей примеси, является создание n⁺ и р⁺-контактов. Обратная последовательность операций неизбежно приведет к нарушению необходимого режима термодиффузии компенсирующей примеси в материал детектора.

Создание контактов легированием полупроводникового материала путем диффузии или ионной имплантации требует проведения термического воздействия на заготовку (длительного нагрева, либо высокотемпературного отжига постимплантационных дефектов). Поэтому при введении компенсирующей примеси до создания контактов тремообработка неизбежно привела бы к размытию слоя уже введенной компенсирующей примеси. В свою очередь, это нарушает условие проведения последующей операции компенсации материала дрейфом примеси и не позволяет получить однородно компенсированный материал. Последнее требование необходимо для изготовления детектора с высокой чувствительностью и разрешающей способностью по энергии.

Способ легирования поверхности заготовки не является существенным для достижения цели. Возможно использование как ионной имплантации, так и термодиффузии. Важно лишь то, чтобы созданное распределение примесей в n⁺- и р⁺-контактах не размывалось за счет диффузионных процессов во время последующего электродрейфа компенсирующей примеси. Это обстоятельство налагает ограничения на коэффициенты диффузии примесей в n⁺- и р⁺-контактах
D₁ < Δ₁²/t_др,
D₂ < Δ₂²/t_др. При несоблюдении указанных ограничений на D₁ и D₂ произойдет увеличение толщины n⁺- и р⁺-контактов, а следовательно, снижение встроенного электрического поля и N_S1 и N_S2. Оба следствия, согласно изложенному выше, не позволяют достичь цели изобретения.

Компенсирующая примесь должна наноситься на контакт, образующий с исходным материалом заготовки p-n-переход, и диффундировать через него в материал. Только в этом случае при приложении запорного напряжения компенсирующая примесь будет дрейфовать вглубь материала, осуществляя тем самым его компенсацию. Это условие также определяет возможность достижения полного истощения концентрации компенсирующей примеси в контакте, требуемое для достижения положительного эффекта.

Время проведения термодиффузии компенсирующей примеси определяет ее количество, используемое в дальнейшем для компенсации всего объема материала. Очевидно, оно должно быть больше или равно N_D- N_A d. Экспериментально установлено, что с учетом реализуемой точности проведения операции диффузии компенсирующей примеси, для безусловного достижения компенсации всей области между р⁺- и n⁺-контактами достаточно иметь ее количество, не превосходящее 2 N_D - N d. При этом возможный избыток примеси расходуется на компенсацию сильнолегированного слоя второго контакта.

Таким образом данное условие, с одной стороны, обеспечивает возможность компенсации материала заготовки, с другой, - истощение резервуара компенсирующей примеси у контакта. Как указывалось выше, эти условия необходимы для достижения цели изобретения.

При нарушении нижнего предела компенсация всего объема материала детектора невозможна, в силу недостаточного количества примеси. Превышение верхнего предела потребует неоправданно большого времени для истощения резервуара компенсирующей примеси. При этом процесс дрейфа переходит в режим квазистационарного тока, исключающий получение однородно компенсированной области.

Существенность условия, задающего величину запорного напряжения при дрейфе компенсирующей примеси, определяется тем, что только при его соблюдении возможно получить однородную компенсацию материала детектора при одновременном удалении избытка компенсирующей примеси из ее источника. В результате толщина входного окна определяется распределением слабодиффундирующей примеси, что обеспечивает в совокупности с однородной компенсацией материала достижение цели.

Таким образом, предлагаемое изобретение имеет новое свойство - сильное встроенное электрическое поле у чувствительного к излучению выпрямляющего контакта при однородной компенсации материала детектора, приводящее к новому положительному эффекту, изложенному в цели изобретения.

Схематическое изображение детектора представлено на чертеже.

Детектор представляет собой полупроводниковую р⁺-i-n⁺-струкутуру на основе компенсированного полупроводникового материала 1, одного n⁺(p⁺) 2 и другого р⁺(n⁺) 3 выпрямляющего контакта.

Выпрямляющий контакт 2 с монотонно возрастающей к поверхности концентрацией легирующей примеси создает сильное встроенное поле у поверхности. Выпрямляющий контакт 3, кроме основной своей функции электрического соединения с i-областью, служит стоком для избытка компенсирующей примеси при создании i-области 1.

Детектор работает следующим образом.

На выпрямляющие контакты 2 и 3 подается запорное напряжение смещения. Частица, попадая в структуру со стороны контакта 2, теряет свою энергию, создавая при этом электронно-дырочные пары. Последние разделяются полем в компенсированном полупроводниковом материале 1 и, дрейфуя к контактам 2 и 3, создают электрический сигнал, являющийся мерой энергии зарегистрированной частицы.

В качестве примера был изготовлен детектор на основе кремния р-типа проводимости с N_A = 0,8˙ 10¹² см^-3, скомпенсированного литием. Толщина шайбы составляла d = 0,3 см, диаметр 1,0 см. Выпрямляющий n⁺-контакт имел глубину залегания примеси 0,1 мкм. Концентрация примеси монотонно возрастала к поверхности контакта, где составляла N_S1≈ 2 ˙ 10¹⁹ см^-3.

Второй выпрямляющий контакт имел N_S2 ≈ 3˙ 10²⁰ см^-3 и глубину залегания
Δ₂≈ 1·10^-5 см > = 1,6·10^-9см .

Шайба из монокристаллического кремния р-типа проводимости, выращенного в атмосфере водорода, с N_D - N = 0,8 ˙ 10¹² см^-3толщиной 0,3 см и диаметром 1,0 см шлифовались на торцах, после чего обрабатывалась в полирующем травителе СР-4. Для легирования контактных областей использовались фосфор (n⁺-контакт) и бор (р⁺-контакт), для которых при температуре дрейфа ионов лития коэффициенты диффузии соответственно равны
D₁≈10 < ≈2·10 ,
D₂≈10 < ≈1·10 . Легирование проводилось стандартным методом термодиффузии. Источниками бора и фосфора служили боросиликатное стекло и пары ортофосфорной кислоты соответственно. Возможно также проведение легирования и ионной имплантацией. Затем осуществлялась компенсация кремния, для чего в вакууме на n⁺-контакт методом термического распыления наносился литий и осуществлялась его термодиффузия при температуре 100^оС в течение 80 с, что соответствует заданному условию на время проведения термодиффузии
2·0,8·10¹²·0,3≥ 10 ≥ 0,8·10¹²·0,3 . После удаления избытка Li с поверхности проводился дрейф ионов лития при температуре 80^оС и запорном напряжении
V= 500 B< ≈2000 B , удовлетворяющем условию, приведенном в формуле изобретения. Входящее в это условие значение времени дрейфа t_др = 4,46˙ 10⁵ с ≈ 5 сут, определялось согласно зависимости, приведенной в формуле изобретения, исходя из следующих данных ε = 12,5; ε_o = 1/4 π˙9˙ 10⁹ Ф/м, е = 1,6 ·10¹⁹ К, d = 0,3 см, N_D - N_S = 0,8 ·10¹² см^-3, U = 30 В, μ = 10^-10 см²/В с. Контроль за процессом дрейфа проводился стандартным способом путем измерения вольт-фарадных С(V) характеристик детектора. Процесс заканчивался при появлении излома в ходе С(V) в области малых V, что свидетельствовало об истощении "резервуара", лития у n⁺-контакта.

Готовые структуры помещались в вакуумируемый защитный корпус, осуществляющий также электрическое присоединение к n⁺- и р⁺-контактам и охлаждались до температуры 93 К. Спектрометрические характеристики измерялись на стандартной спектрометрической аппаратуре при облучении детектора рентгеновскими квантами перехода K_α = 2,01 кэВ элемента фосфора.

Полученное в эксперименте отношение пик - долина составляло ≈ 65, что привело к повышению чувствительности по сравнению с известным детектором более чем в 5 раз.

В полном соответствии с описанным выше примером были изготовлены и другие детекторы, в которых при изготовлении варьировались концентрации примесей на поверхности N_S1 и N_S2 и глубина залегания перехода Δ₁. Было установлено, что для критичных наборов указанных параметров (составленных из них граничных значений), чувствительность не падала ниже, чем у известного детектора и по отношению пик - долина лежали в пределах 12-18.

Экспериментальная проверка влияния режимов способа на чувствительность показала, что при условии N= 1,2N_D-Nd d падает выход годных детекторов из-за недостаточной точности в определении исходной величины N_D - N . Однако чувствительность детекторов, в которых это соотношение выполнялось, не показала зависимость от t. При соотношении N+ <N_D-Nd все детекторы теряли спектрометрические свойства.

Превышение времени диффузии, задаваемого условием, до значения N= 2,2N_D-N не позволяло получать детектор с чувствительностью, превосходящей известный детектор. Ее снижение было связано с падением разрешающей способности детектора до значений 500 эВ, что с учетом требований современных задач в области энергий 2 кэВ эквивалентно потере детектором спектрометрических характеристик.

Аналоговый эффект наблюдался при нарушении соотношения на запорное напряжение V. Так при V= 1,1 детектор терял спектрометрические свойства из-за неоднородности электрического поля в чувствительном объеме.

Таким образом, основным техническим преимуществом детектора и способа его изготовления по сравнению с прототипом является большая ( ≈5 раз) чувствительность. Это повышение чувствительности связано с увеличением отношения пик - долина предлагаемого детектора, изготовляемого предложенным способом. Кроме того, такой детектор является более надежным, так как выдерживает значительно большее число термических циклов (нагрев - охлаждение), сохраняя, при этом неизменными такие эксплуатационные характеристики как уровень шума и обратный ток. Разрешающая способность предлагаемых детекторов при испытании составляла ≈ 200 эВ и определялась уровнем шума регистрирующей аппаратуры.

В результате достигнутые преимущества позволяют повысить экспрессность рентгено-флюоресцентного анализа веществ, состава руд и атмосферных примесей для элементов с атомными номерами меньше 26 (марганец, хром, ванадий и т. д. ).

Дополнительным преимуществом является получение детекторов, работающих при пониженных рабочих напряжениях, что повышает надежность регистрирующей аппаратуры в целом. Наконец, отсутствие барьера Шоттки в предлагаемой конструкции детектора улучшает их технологичность. Экономические преимущества выражаются как в удешевлении производства самих приборов, так и продукции производств, где они могут найти применение. (56) Еремин В. К. и др. Детекторы γ -квантов радиационного типа на основе чистого германия. Атомная энергия, 1975, N 1, с. 62.

Муминов Р. А. и др. Кремний-литиевые детекторы ядерного излучения. Ташкент "Фан" УзССР, с. 37, 1981.

Изобретение относится к технике регистрации ядерных излучений, в частности, рентгеновского излучения. Целью изобретения является повышение чувствительности за счет увеличения отношения пик - долина. Сущность изобретения основана на выявленной жесткой связи между скоростью дрейфового перемещения примесей в полупроводниках и происходящим при этом изменении степени компенсации материала, и на обнаруженном эффекте автоматического "очищения" профиля медленно диффундирующей примеси от примесей более подвижных, перемещающихся в полупроводнике по механизму дрейфа в электрическом поле. В результате на материалах, компенсированных примесями с высокой подвижностью, создаются структуры с мелкими и стабильными во времени контактами. 1 ил. , 2 с. п. ф-лы.

1. Детектор рентгеновского излучения на основе компенсированного полупроводникового материала с двумя выпрямляющими контактами, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности детектора за счет увеличения отношения пик-долина, один из выпрямляющих контактов выполнен с монотонно возрастающей к поверхности концентрацией примеси, составляющей на поверхности 10²⁰ ≥ N_si ≥ 10¹⁸ см^-3 и глубиной залегания примеси Δ₁ ≅ 0,2 мкм, а второй с концентрацией примеси на поверхности N₅₂ ≥ 3 · 10¹⁹ см³ и глубиной залегания ее Δ₂ ≥ 2 / N_D-N_A / d / N₅₂. 2. Способ изготовления детектора рентгеновского излучения, включающий нанесение компенсирующей примеси на одну из контактных поверхностей заготовки из исходного материала, проведение термодиффузии компенсирующей примеси, приложение запорного напряжения и создание выпрямляющих контактов, отличающийся тем, что перед нанесением компенсирующей примеси создают n⁺- и p⁺-контакты легированием контактных поверхностей заготовки примесями с коэффициентом диффузии D₁<Δ_i² / t_дpдля контакта с противоположным материалу типом проводимости и D₂<Δ₂² / t_дp для второго контакта, компенсирующую примесь наносят на n⁺или p⁺-контакты при компенсации исходного материала p-типа или p-типа проводимости соответственно, термодиффузию проводят в течение времени, выбираемого из соотношения
2N_D-Nd≥ N ≥ N_D-Nd
а величину запорного напряжения выбирают из условия
V=
где t_др= - время, в течение которого прикладывается запорное напряжение, с;
ε, ε₀ - диэлектрические постоянные материала и вакуума соответственно, Ф/м;
e - заряд электрона, К;
d - толщина детектора, см;
N_D - N- разностная концентрация доноров и акцепторов в исходном материале, см^-3;
μ - подвижность компенсирующей примеси, см²/В с;
N_макс - концентрация, соответствующая пределу растворимости компенсирующей примеси, см^-3;
D - коэффициент диффузии компенсирующей примеси, см²/с;
U - минимальное рабочее напряжение детектора, В;
t - время проведения термодиффузии компенсирующей примеси, с.