Кремниевый детектор ионизирующего излучения Советский патент 1988 года по МПК H01L31/02 G01T1/24 

fO

V

/

ff

иг. Г Изобретение относится к приборам и методам э1сйперимейталык й физики. Предлагаемый детектор может быть использован для одновременной регистра ции энергии части и координаты попйдаяия на или Двух кобрдинат и энергии. . Поверкностйо-барьерйые к{ ейниевые детекторы используются дли регистрации -ионизирующего излучения. Дет ектор предс авяяет сббой пластину ftQjfynpo.водникового Материала, Hanpt i птипа проводимости, с нанесенной пленкой золота на полированйую и окисленную поверхность с одной стбр&ны, служащей контактом р-ткпа я шлифовальной поверхностью с нанесенной нд нее пленкой никеля ипи d Другой стороны, служащей омичёскШс кЪнтактом. Повер хностные состойнй: йёзЬду кремнием п-тйпа й поверхностью золотого слол обеспечивают прибору свойства дибда. Вййшиее нйпря:«сёние обратного смещения прикладмваеУсй через конгакты к слою золота и сйой омичгёбкого контакта. При этом дй Й п 16бретае чувбтйительну к бнешнему излученнао обедненную носитейЯ1 1ойу конечной толщийы со стороны - р-п-пере5сода. Дпя получётш широкой обедненной зоны используют либо высокоомньй кремний п-типа проводМйбгГти, ли1бо компенсирз ют исходный кремний р-типа проводимости методом дрейфи с последующим созданием поверхностного барьера упомянутым обрад ой« J J л Позиционная- чувствительность, т.е. способность детектора регистрировать одйу кодрдинату попадания зЩ яже1}ной части11)ы на огфеделённз часть рабочей поверхности детектора создается следуюп(им образом. Вместо омического обратного контакта напыляют резйстивный слой из высокоомного материала, например висмута. Резистивный слой имеет поверхностное сопротивление 5-10 кОм. Сигнал позиции частицы снимают с указанного сопротивления, подюшчая к одному концу слоя зарядочувствит ьный предусйлитель, а второй конец - заземляя. При этом предусилитель регистрирует тоЛько часть полного заряда, освобождаемого заряженной частицей в обедненной зоне детектора 5--, где X - часть поверхностного сопротивления обратного контакта (резистивного слоя), определяемая координатой попадания частицы, при этом сопротивление слоя равно 1. Полный заряд частицы (или полная энергия) регистрируется предусилителем, включенным к р-п-переходу. Принцип регистрации координаты является общим для детекторов типа Si(Li) и Si(Аи). Во втором типе детекторов позиционная чувствительность создается пленкой палладия, напыляемой натравленную пЪверхность и служащей одновременно рёзистивным слоем и выпрямляющий контактом на кремнии п-типа. Оба типа предложены и описаны. ВпижайшимК заявленному является )сремЯиевь1Й детектор ионизирзпощего излучения И поверхностным барьером, со- стоящий из полупроводниковой кремниевой пластины с полированными поверхностями й имеющей Выпрямляющий переход на одной поверхности и резистивнШ слой, формирующий ионизационную чувствительность на другой поверхности. ., Недостатки упомяйуФых детекторов: 1)Дляиз го овления noBepjtHOCTHo-барьерйь& 0 ициоино-чубетвительныхдетектЬ1 оВ используется только кремний iFtHTia П роводимости. 2)СопроТйёлеиие необедненной части детектора (базы) должно быть однородно ЩШ1:ё координатной оси Детектора, поскольку сопротивление базы включено последовательно с сопротивлением резйстивного слоя. Это требует тщательной отбраковки материала кремйия Дли позиционно-чувствительных детекторов. Часто производство вообще Не может ёоздать однородньй материал, особёййо с высоким удельным сопротивлёСйё. . Эффект можйо аннулировать, если зону р-п-перехода растянуть на всю-глубийу Кремниевой шайбы. Но в таком случае резко возрастает шум обратного 1й нтакта, поскольку высокоомный усилитель является инжектором дырок. Известен только один неинжектирзшщий йе алл-алюминиЙ, но он обладает очень маЛым сопротивлением и не годится В качестве делителя. Решение проблемы Инфекции состоит в использовании диффузного или имплатированного обратного контакта. Цель предлагаемого изобретения обеспечить Высокую позиционную чувствительность у детектора на основе - 36 кремния р-тйпа проводимости и сохранить высокое энергетическое разрешение, свойственное непозиционным детекторам. Согласно изобретению поставленная цель достигается тем, что по обе стороны кремниевой пластины сформированы пленки германия, а резистивный слой напаян наверх одной из них, при этом обедненная носителями зона растянута на всю толщину по двум координатам, реэистивньй слой нанесен поверх пленок германия с обеих сторон кремниевой пластины, причем оптические участки слоев расположеньг во взаимно-перпендикулярных направлениях. На фиг,1 представлена схема предлагаемого детектора с позиционной чувствительностью вдоль оси X со CTOРОНЫ обратного контакта 1 кремниевойпластины 2, Кремний имеет проводимость р-типа. Со стороны переднего контакта 3 на травленную химическим образом йоверхность нанесена пленка германия А и на чуть меньшзпо площадь поверх пленки германия нанесена пленка проводящего металла 5, слзгжащего контактом, например алйминий, Со стороны обратного контакта 1 вакуумным распылением нанесена пленка германия б на полированную химическим образом поверхность. Поверх пленки германия Ьа площадь чуть Меньше нанесена напылением в вакууме штенка высокоомйого йеталла 7, например висмута с поверхностным сопротивлением 5-10 кОм. На месте контактов 8 и 9 кпленке висмута допьшяют висмут до толстого Либо другой проводящий металл, чтобы снизить сопротивление в контактах до нескольких Ом, либо долей Ома. Контакт 9 заземляют, С контакта 8 снимают позиционный сигнал хЕ/1у, С контакта 10 снимают сигнал Е полной энергии заряженной частицы. Для этого через зарядочувствительный предусилитель к контакту 10 подают напряжение обратного смещения плюс такой величины, чтобы обедненная носителями зона достигла обратного контакта 1. Это условие необходимо Для работы предлагаемого детектора, так как при неполном истощении форма энергетической линии искажается благодаря эффекту частичной компенсации положительных носителей тока в области вне обедненной зоны электронами, инжектированными с .обратного контакта. Подобного явления 89 нет для детекторов на основе кремния п-типа проводимости и для Si (Li). Значение смещения, необходимое для достижения обедненной зоной обратного контакта, можно определить по энергетическому разрешению «С-частиц, облучаемых детектор со стороны поверхности. В предлагаемом детекторе можно облучать любую поверхность заряженными частицами, поскольку детектор имеет обедненную зону на всю толщину кремниевой пластины, т.е. является Е-детектором. Пленка германия формирует инверсную проводимбсть со Сторойы 3 п-р-перехода и является неинжёктируищим контактом со сто1)ойй (1) обратного контакта. Поверхностное tonротивление плейки германиядля переменной составляющей тока , 10 кОм, что почти в 10 раз больше сопротивления йленкй висмута, поэтому вкЛад пленки германия в эффективное сопротивление контакта меньше 0,1%, ВПредлагаемом детекторе обе поверхности идентичны по своим физический свойствам - поверхностно-барьерньй переход сформирован пленкой германия на обеих поверхностях, Йоэтому к контакту (10) мЬжНо прйкдадьгвать и знак минус внешнего напряжения смещения, тогда зона п-р-пере5сода начнёт расти со стороны йрвёрхндсти (1), Тип напьшяемых элekтpoдoв .(7) и (5) не влияет на качество детектора. Поэтому структуру, подобную созданной на по верхности (1), можно создать ина ttbверхности (3), только направление координатной чувствительности у повернуть на 90. К новым контактам, аналогичным (8) и (9), подсоединяют за- . рядочувствительные предусилители, каждый из которых регистрирует часть амплитуды yE/lj и сопротивление позиционнрго слоя по оси У. Полная амплитуда сигнала-получается суммированием амплитуд От обоих предусилителей. По координате X включение обычное, как показано на фиг.1. Таким образом достигается позиционная чувствительность детектора по двум координатам. На детекторе из кремния п-типа проводимости позиционная чувствительность по второй координате достигаете сойдаНием второго резистивного слоя сложныМ методбь .плантации атомов фосфора. Способ изготовления предлагаемого Д ШйТбр сбстойт в следунйв(ём.@ём ; ШёвзЩ 1йшлифуют абразивнь1М порошком до кбйечного размера зерна М7 или М5. Очищают йЛастину от заг14язнен1Й оЙ5чнь1м способом. Травят обе стороны одновременно в травителе типа состава HPtHNOj в 1:4:6, что обесйечивает малую скорость травления и однородный поверхностный потенциал бу 1ущего детектора. Стравливают разрушенный слой на глубину 50-100 мй с каждой стороны. Затем напьйгя ог в вакууМе (1-2). мм Hg слой полупроводникового германия по 15-25 мгк/см на обе поверхности. Для детеК бра с позиционной чувствительностью по одной координате напыляют слой вйймута, контролируя сопротйвлетйге ипенки до значения 5-10 кОм. На места контактов допыляют вйёмутдо-еьпЭ Тйвленяя 1 ОмДфиг.О. На обратную- fopoну пластинки напьшяют проводящий контакт, например алюминий или золото. ,Для детектора с позиционной чувствитай1 ностью по двум координатам на обратной cTOfiibrte создают структуру с высокоомным слоем, тояько направление координаты сдвигают на 90. Позиция попадания эаряженнойчаст ицы в детектор определяется каклЕ /Е, где лЕ,( а1«1Яитуды частицы, зарегистртйрованные электроникой, пбдключенной к контактам (8) и (10) соответственно. Предлагаемый детектор имеет следующие преимущества .по сравнению с прототипом:1.Позволяет использовать креьший р-типа проводимости 2.Разброс сопротивления кремния вдоль коордййаты не влияет на точность позиции, з. Энергетическое разрешение детектора сохраняется таким же как и у непозицирнного. 4.Возможно создание простым cinoсобом П0эй1цйонной чувствительности по двум координатам. 5.Использование р-типа кремния опрёделйет повьшенную радиационную ус гойчивость прибора 10-50 раз по сравнению с приборами на основе кремния п-типа и 10 по сравнению с детекторами на основе Si (Li). На фиг.5 представлено энергетическбераз ёйёние детектора для ei-час ТИЦ источника Ри + PU + облучаейых сЪ стороны позиционной . чувствителънОсти со стороны переднего контакта. Длина позиционно-чувствительного сЛбя равна 27 мм. Позиционн ая линей ность 1,3%. Толщина дё тёктора 0,55 мм, удельное сопротивление кремния р-типа проводимости-v30 кОм х X см.- :.: . :

1. КРЕМНИЕВЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ с поверхностным барьером, состоящий из полупроводниковой кремниевой пластины с полиро- ванийми поверхностями и имеющий вы- пряШякщий пе'реход на одной поверхности и резистивный слой, формирующий >& позиционную чувствительность на другой поверхности, отличающий-с я тем, что, с целью обеспечения позиционной чувствительности у детек** тора на основе кремния р-типа прово- ' димости, по обе стороны кремниевой пластины сформированы пленки германия, а резистивный слой нанесен поверх одной из них, при этом обедненная носителями аона растянута на всю толщину детектора.2. Детектор по п.1, о т л' и ч а- ю 1ц и и с я тем, что, с цель1о обес- ' печения позиционной чувствительности по двум координатам на. детекторе из кремния р-типа проводимости,.резистивный слой нанесен поверх пленок Германия 'с обеих сторой кремниевой • пластины, причем омические участки , слоев расположены во взаимно перпендикулярных направлениях.(/>&G:^^8 ^ у'1Zв>&. •Ч§00<^

- 43«53к-ЬЛ; :г г-- :- 9.D

Генератор .J кэбi| fi

JpS.15S

s.ss

S.80it

J.

i

/fatiOM/

ut.Z ,