ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 29-31
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.07
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ
© 2015 г. Ю. Б. Гуров*, **, C. В. Розов*, В. Г. Сандуковский*, Е. А. Якушев*, L. Hrubcin*, ***, B. Zat'ko***
*Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской области, ул. Жолио-Кюри, 6 **Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Россия, Москва ***Institute of Electrical Engineering, Slovak Academy of Sciences, Bratislava, Slovakia
E-mail: rozovs@jinr.ru Поступила в редакцию 21.03.2014 г.
Описана методика изготовления и приведены результаты исследования параметров детекторов (диаметром ~1 мм, толщиной 0.1 мм) на основе высокочистых эпитаксиальных слоев политипа 4H-SiC. Разработанные детекторы обладают хорошими спектрометрическими характеристиками при регистрации а-частиц в широком диапазоне энергий. Приводится также результат измерения спектра у-квантов 241Am.
DOI: 10.7868/S003281621501005X
ВВЕДЕНИЕ
Карбид кремния (81С), обладая рядом уникальных свойств, является перспективным материалом для изготовления полупроводниковых детекторов (п.п.д.) ядерных излучений с качественно новыми параметрами.
В настоящее время известно более 150 структурных политипов карбида кремния [1], однако только два из них — 4Н-81С и 6Н-81С — доступны для серийного изготовления полупроводниковых приборов. Наибольший интерес представляет по-литип 4Н-81С. Достоинствами 4Н-81С при сравнении с кремнием являются: широкая запрещенная зона (в 3 раза шире, чем у кремния 81), высокая напряженность поля лавинного пробоя (в 10 раз выше, чем у 81), высокая теплопроводность (в 4 раз больше, чем у 81), механическая прочность (по твердости уступает только алмазу и карбиду бора), химическая инертность и высокая пороговая энергия дефектообразования [2] (в 2 раза выше, чем у 81). Важно также указать, что детекторы на основе такого материала можно изготавливать с применением планарной технологии [1], при этом их генерационный ток при комнатной температуре будет на несколько порядков меньше по сравнению с 81-п.п.д.
Перечисленные свойства позволяют использовать карбид кремния для создания детекторов с высокой радиационной стойкостью [2, 3] и возможностью их эксплуатации при повышенных температурах, >300°С [4]. Представляется перспективным использование таких детекторов для контроля работы ядерных реакторов, сильноточ-
ных ускорителей, а также для диагностики горячей плазмы.
В последние годы был достигнут прогресс в создании высокоомных эпитаксиальных слоев 4Н-81С толщиной порядка 100 мкм с малым количеством глубоких центров, высоким удельным сопротивлением, низкой разностной концентрацией примесей и достаточно высоким временем жизни. Детекторы, созданные на основе такого чистого материала, интенсивно исследуются с целью их широкого применения для спектроскопии различных ядерных излучений [5—7].
В настоящей работе исследованы характеристики детекторов, изготовленных на основе высокочистого политипа карбида кремния 4Н-81С и используемых для спектрометрии а-частиц и рентгеновского излучения.
МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТЕКТОРОВ
Детекторы изготавливались на основе эпитакси-ального слоя 4Н-81С п-типа проводимости, который был получен методом эпитаксиального выращивания из жидкой фазы на проводящих я+-под-ложках 4Н-81С фирмы Ь.РЕ. (Италия). Диаметр исходной подложки 3'', толщина 350 мкм, а концентрация примеси ~2 • 1018 см-3. Созданные таким способом слои имели толщину 100 мкм с концентрацией донорной примеси 1 • 1014 см-3. На рис. 1 показана структура изготовленных детекторов. Выпрямляющие контакты диаметром 0.9 мм (детектор № 1) и 1.4 мм (детектор № 2) создавались вакуумным напылением двойного слоя
30
ГУРОВ и др.
Выпрямляющий контакт Ni/Au
■ I_
n, 4H-SiC, 100 мкм
Эпитаксиальный слой
n+, 4H-SiC, 350 мкм
Подложка
Омический контакт
Ni/Au
Рис. 1. Структура детекторов, изготовленных на основе политипа 4И-81С.
из N1 (толщиной 40 нм) и Аи (толщиной 80 нм). Омический контакт был выполнен аналогичным образом, при этом напыление проводилось на всю заднюю поверхность. Перед напылением образцы обрабатывались ацетоном, изопропило-вым спиртом и промывались в деионизованной воде [8].
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРОВ
Основными показателями качества 81С-детек-тора являются его вольт-амперная характеристика (в.а.х.) и зависимость эффективности собирания заряда п от напряжения смещения. Указанная зависимость определялась при облучении изготовленных детекторов а-источниками 148Сё (Еа = 3182.8 кэВ) и 22(^а, имеющим четыре а-ли-нии с энергиями: 4785.4, 5489.7, 6002.6 и 7687.1 кэВ. Детекторы облучались через коллиматор диаметром 1.5 мм и длиной 3 мм. На рис. 2 представлены в.а.х (кривая 1) и зависимость п(и (кривая 2) для детектора № 1. Видно, что зависимость п(Ц) (измерения выполнены с помощью 148Сё) выходит на плато насыщения при напряжении ~80—100 В. В качестве рабочего напряжения выбрано и = 100 В, при котором значение "тем-нового" тока не превышает 5 • 10-11А (кривая 1).
С помощью источников 148Сё и 22^а также было определено энергетическое разрешение и исследована линейность отклика изготовленных детекторов при регистрации а-частиц различных энергий. Энергетическое разрешение, полученное на а-линии с энергией Еа = 3182.8 кэВ, составило ЕЖИМа = 21 кэВ, что согласуется с результатами работы [5]. На рис. 3 представлена зависимость амплитуды импульса (номера канала) от энергии а-частицы, регистрируемой детектором
I, A 10-9
10
-10
10
-11
П, отн. ед. 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика (1) и зависимость эффективности собирания заряда п от напряжения смещения (2), измеренные для детектора № 1.
№ 2. Следует указать, что в эти данные были введены поправки, учитывающие потери энергии а-частиц в "мертвых" слоях источника и детектора [9]. Расчет показал, что все точки лежат на прямой Еа = 104.07 + 2.3101 (Л"к — номер канала), а коэффициент корреляции составляет г = 0.99997. Следовательно, изготовленные детекторы обладают хорошим разрешением и высокой степенью линейности при регистрации а-частиц в широком энергетическом диапазоне.
Изготовленные детекторы были также использованы для регистрации у-квантов рентгеновского диапазона. В этих измерениях использовался предусилитель с уровнем собственного шума /ЖНМпу « 0.9 кэВ. Рис. 4 демонстрирует спектр у-квантов источника 241Ат, полученный при об-
Еа, МэВ
4
3
1300 1800
2300 2800 3300 Номер каналов
Рис. 3. Зависимость амплитуды импульса (номера канала) от энергии а-частиц, регистрируемых детектором № 2.
7
6
5
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРОВ
31
0 200 400 600 800
Номер каналов
Рис. 4. Спектр Y-квантов 241Am, измеренный с помощью детектора № 1.
лучении детектора № 1. Согласно представленным результатам, энергетическое разрешение в этих измерениях составляет РЖНМ^ = 1.9 кэВ. Следовательно, основной вклад в разрешение вносят шумы детектора. Улучшить энергетическое разрешение можно, если уменьшить "темно-вой" ток детектора на порядок. При этом, если использовать низкошумящий предусилитель с
/ЖНМпу--0.2 кэВ, можно ожидать получения
энергетического разрешения РЖИМу - 0.3 кэВ, что сопоставимо с разрешением НРОе-детекто-ров [10], работающих при температуре жидкого азота.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представлена методика изготовления и исследования параметров детекторов (диаметром мм, толщиной 0.1 мм) на основе высокочистых эпи-
таксиальных слоев политипа 4H-SiC. Разработанные детекторы обладают хорошими спектрометрическими характеристиками при регистрации a-частиц в широком диапазоне энергий. Показано, что для улучшения параметров описанных детекторов при регистрации у-квантов низких энергий необходимо усовершенствовать технологию их изготовления, а также использовать предусилитель с предельно низким уровнем собственного шума.
Работа выполнена при поддержке проекта РНФ № 14-12-00920.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Saddow S.E., Agarwal A. Advances in Silicon Carbide Processing and Applications. Boston, London: Artech House, Inc., 2004. Norwood. MA 02062.
2. Калинина Е.В. // ФТП. 2007. T. 41. № 7. C. 769.
3. Ruddy F.H., Seidel J.G. // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Res. 2007. V. B263. P. 163.
4. Калинина Е.В., ИвановЛ^.М., Cтрокан Н.Б. // Письма ЖТФ. 2008. Т. 34. № 5. С. 63.
5. Cтрокан Н.Б., Иванов A.М., Калинина Е.В., Холуя-нов Г.Ф., Онушкин Г.А., ДавыдовД.В., Виолина Г.Н. // ФТП. 2005. Т. 39. № 3. С. 382.
6. Ruddy F.H., Flammang R..W., Seidel J.G. // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Res. 2009. V. A598. P. 518.
7. Bertuccio G., Caccia S., Puglisi D., Macera D. // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Res. 2011. V. A652. P. 193.
8. Dubecky F., Gombia E., Ferrari C., Zat'ko B., Vanko G., Baldini M., Kovac J., Bacek D., Kovac P., Hrkut P., Ne-cas V // JINST. 2012. V. 7. Р. P09005.
9. Гуров Ю.Б., Гусев К.Н., Карпухин B.C., Лапуш-кин C.B., Мор охов П. В., ^ндуковский В. Г., Yurko-wski J. // ПТЭ. 2006. № 5. С. 34.
10. Бруданин В.Б., Гуров Ю.Б., Егоров В.Г., Rajchel B., Borowicz D., Розов C.B., ^ндуковский В.Г., Yurkows-ki J. // ПТЭ. 2011. № 4. С. 27.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.