Детектор ядерного излучения Советский патент 1976 года по МПК G01T1/24 H01L15/00 

1

Изобретение относится к области полупроводпикового приборостроения и может быть использовано ири разработке и изготовлении полупроводниковых детекторов ядерного излучения.

Детекторы ядерного излучения, имеющие структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-детекторы) с геометрически точным чувствительным слоем, могут быть использованы в прибора.х для регистрации и точных количественных измерений характеристик ядерного излучения. Для этих целей применяют поверхиостно-барьерные полупроводниковые детекторы (п-р - детекторы).

Поверхностно-барьерные детекторы изготовляют обычно из кристалла кремния электронного типа проводимости, на поверхности которого в результате технологической обработки образуется слой дырочного типа проводимости, или инверсный слой. На поверхность этого слоя напыляют в вакууме золотой электрод, а на обратную сторону кристалла - омический контакт. На полученный детектор, являющийся цо существу полупроводниковым диодом, подают через сопротивление запирающее напряжение, в результате чего в кристалле полупроводника возникает слой, обедненный основными носителями и являющийся чувствительной обло- тью детектора.

Для точных количественных измерений характеристик ядерного излучения необходимы детекторы, в которых толщины D обедненных слоев точно определены. Особенно это важно для «тонких проходных детекторов, т. е. детекторов с обедненными слоями, составляющи.ми единицы - десятки микрон. Определенные типы ядерных излучений могут проходить такие детекторы пасквозь и терять только часть своей энергии в обедненно.м слое. Доля выделенной в детекторе энергии определяется как типо.м ядерного излучения, ее энергией, так и толщиной обедненного слоя. Ниже этой границы внешнее приложенное электрическое поле не проникает в полупроводник, т. е. оно равно нулю.

Для уменьшения влияния диффузионной компоненты стремятся сделать минимальной толцишы d иолуцроводника между омическим контактом и обедненноГ областью, . Сделать а 0 не удается, так как если обедненный слой достигает омического контакта, то резко возрастают шумы детектора. Связано это с технологическим несовершенством омических контактов, в результате чего последние инжектируют неосновные носители в обедненную область. На практике величина d составляет обычно единицы микрон. В то же время для некоторых задач экспериментальnoil физики, связанных с энергетическими измерениями ядер или осколков деления на фоне других заряженных частнц, необходимы тоикие детекгоры с толщинами D обедненных слоев порядка единиц микрон. В этом случае толщина /) обедненного слоя оказывается сравнимой с 1ол1циной d нолуироводника между областью обеднения и омическим контактом. Вклад диффузионной комионенты в таких детекторах значителен, что затрудняет ироведение измерений с большой точностью.

Це.ть изобретения - новышение точности детектора ядерного излучения со структурой металл- диэлектрик -нолунроводник за счет исключения вклада диффузионной комноненты в выходной сигнал.

Цель достигается тем, что предлагаемый МДП-детектор ядерного излучения изготов.тяют на но.тунроводниковой нластине, с одной стороны которой нроведена диффузия нримеси так, чтобы концентрация основиых носителей нолунроводника возрастала но направлению к новерхности полупроводниковой нластииьг В дальнейшем на эту новерхность наносят тонкий с.юй диэлектрика, а на диэлектрик--металлический электрод. С обратной стороны полупроводниковой нластииы выполняют омнческпй контакт. Если к такому МДП-детектору нриложить внешнее напряжепне так, чтобы в приповерхностной области полупроводника (с той стороны, где нанесен диэлектрик) образовался слой, обедненный основными носителями, то в полунроводннковой пластине на некоторой глубине образуется потенциальная яма, которая препятствует вкладу диффузионной компоненты в выходной сигнал.

В таких детекторах геометричеекн точно определена граница чувствите.тьной области, которая определяется координатой потенциальной ямы.

На фиг. 1 схематически изображена структура известного новерхностно-барьерпого детектора; на фиг. 2 - структура предлагаемого МДП-детектор а; на фиг. 3 приведены энергетические зонные диаграммы приповерхностной области предлагаемого МДП-детектор а; на фиг. 4 показана конструкция предлагаемого МДП-детектора.

Предлагаемый (и известный) детектор изготовляют из кристалла кремния 1 п-типа проводимости, на новерхност после технологической обработки которого образуется инверсный слой 2 /-J-типа; на последний наныляют в вакууме зо.ютой электрод 3; на другую сторону кристалла напыляют омический контакт 4.

В обедненной области 5 находятся положительные заряды донорных нримесей.

Рассмотрим эиергетическую зонную диаграмму нриноверхностной области МДП-детектора, где иснользуется неоднороднр й полунроводннк, концентрация основных носителей которого (электронов) возрастает к той поверхности, где нанесен диэлектрический слой

((|)иг. 3, а). Па ирактике такое нриповерхпостное легирование легко осун1ествляется нуте.м диффу:-;ии донорной примеси в полупроводниковую пластину. Если к такому детекго5 ру не приложено внешнее сменхение, то края лон1)1 проводимости, валептной зоны и уровен1 Э, изогнуты вниз, т. е. за счет неравномерной концентрацнн основных носителей в нрино1 ерхностной области полупроводника существует внутреннее электрическое ноле. Глубина, до которой существует внутреннее электрическое поле, определяется глубиной проведенной диффузнн в нроцессе поверхностного легирования и легко может быть контроли1.5 руема.

Если к такому МДП-детектору нриложить BneiHHec напряженне смешения - Е и если глубина нроникновения внешнего электрического ноля меньше, чем глубина внутреннего 20 электрического ноля, то получается характерное раснределение нриноверхностного нотенциа,1а, показанное на фиг. 3, б.

Как и в простом МДП-детекторе, здесь также имеется обедиснный слой толщиной doo п 5 инверсный с.чой толщиной duun, которые яв;1яются чувствительной областью детектора. 0т.1ИЧИ ге. особенност1)Ю МДП-детектора с псодиородио легированны.м нолунроводником является то, что зонная диа1-рамма имеет по0 тепцнальпую я.му 1 (фиг. 3, б). В нижней точке И потенциальной ямы нанряженность электрическо -о поля равна нулю. Кроме того, при переходе через эту точку вектор нанряженности электрического поля меняет свой знак. 5 Так, если направление электрического поля правее точки II таково, что под действием его неравновесные дырки, образованные частицей ядерного излучения, двигаются к инверсному слою и дают выходной сигнал, то левее 0 точки II неравновесные дырки двигаются в нротивоноложном направлении, т. е. в объем полупроводника, и не дают вклада в выходной сигнал. Таким образом, координата миниму.ма иотенциальной ямы геометрически 5 точно определяет границы чувствительного слоя МДП-детектора. Перавновесные дырки, образованные левее точки минимума нотенцпалыюй ямы, не могут за счет диффузии понасгь в обедненную область, так как направ0 лепие э.лектрического поля препятствует тако.му движению. Следовательно, в выходно.м сигнале МДП-детектора ядерного излучения, изготовленного на основе неоднородно легированной полупроводниковой пластины, отсут5 ствует медленная комнонента.

Технология изготовления таких детекторов сравн1ггельпо нроста.

Детектор изготовлен на нолунроводниковой «-тииа кремниевой пластине. Па новерхности, 0 где была нредварнтельно проведена диффузия донорной примеси, создан диэлектрический слой двуокиси кре.мния SiO2. На диэлектрический слой нанесен алю.миниевый металлический слой (электрод), который соединяется с выводами 6 стандартного металлостекляниого корпуса с помощью золотых проволочек 7. Золотые проволочю приваривают к металлическому электроду 3 и выводам 6 методом термокомпрессии. На обратную сторону кремниевой пластины нанесен омический контакт, который припаивается к корпусу 8. От корпуса имеется вывод 9. В крышке 10 корпуса имеется отверстие 11, через которое частицы ядерного излучения попадают в детектор.

Предлагаемый МДП-детектор ядерного излучения имеет низкий уровень собственных UIVMOB, технологичен в изготовлении, обладает хорошей надежностью, имеет высокое временное разрешение.

Формула изобретения

Детектор ядерного излучения на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник, о т л и ч а ю HI, и и с я тем, что. с це,яью повышения точности измерения, полупроводниковый элемент выполнен с градиентом концентрации носителей, максимум которой находится у поверхности с диэлектрическим слоем

R

V

л

ёш.

Т

лс,:

а

i

Фиг. 2

Y//-/ - -иона прооооимости

////// //y//,,-E

ин&.

Фиг 3