ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 6, с. 85-94
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 539. 074
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ВНУТРЕННЕГО УСИЛЕНИЯ НА ПЛАНАРНЫХ (р+-и-и+)-СТРУКТУРАХ ИЗ ВЫСОКООМНОГО КРЕМНИЯ
© 2004 г. С. А. Голубков*, Ю. Б. Гуров**, К. Н. Гусев, Н. Н. Егоров*, Н. И. Замятин, С. Л. Катулина, Ю. Ф. Козлов*, К. А. Коньков*, В. Г. Сандуковский, А. И. Сидоров*, А. С. Старостин***
Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 Поступила в редакцию 22.03.2004 г.
Представлены первые результаты исследований специальных стриповых и пиксельных детекторов из кремния, структуры которых позволяют создавать в области р-и-перехода электрическое поле порядка 5 ■ 105 В/см, достаточное для лавинного размножения носителей заряда. Показана возможность получения в полупроводниковом детекторе режима внутреннего усиления, сходного с пропорциональным усилением в газовых счетчиках. Спектр а-частиц 238Pu (Еа = 5.5 МэВ) демонстрирует "усиленный" пик с энергией 70.2 МэВ и энергетическим разрешением FWHM (полуширина на полувысоте), равным 10.2 МэВ.
Для решения ряда задач современной физики требуются спектрометры с очень низким порогом регистрации излучения (<1 кэВ), высоким энергетическим разрешением (FWHM ~3-5%) и максимально возможной эффективностью регистрации (большим чувствительным объемом детектора). Примерами таких задач являются проводимые и планируемые эксперименты по поиску темной материи [1], измерению магнитного момента нейтрино [2] и когерентного рассеяния нейтрино на ядрах [3].
Используемые сейчас для этих целей установки на основе криогенных детекторов - болометров [4] - имеют сложную конструкцию и высокую стоимость. При этом активный объем таких детекторов не превышает пока 20-30 см3. Стандартные полупроводниковые детекторы (п.п.д.) из германия обладают высоким энергетическим разрешением (2.5-3% в области энергии 2-6 кэВ) и позволяют создавать спектрометры с чувствительным объемом до 500 см3. Однако они имеют сравнительно высокий энергетический порог (~2 кэВ), который определяется соотношением наведенного частицей заряда и шумов токов утечки детектора. Можно понизить энергетический порог, если создать в детекторе режим лавинного размножения (мультипликации) зарядов, т.е. внутреннего усиления сигналов. Это позволило бы выделить сиг-
* НИИ материаловедения, Зеленоград.
** Московский инженерно-физический институт (государственный университет).
*** Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва.
нал низкой энергии из шумов, что невозможно в стандартном п.п.д.
Обычно приборы с внутренним усилением (лавинные фотодиоды (л.ф.д.)) разрабатываются для регистрации света. Как правило, это приборы с небольшой площадью (10-50 мм2) и толщиной чувствительной области 10-50 мкм [5, 6]. Площадь л.ф.д. ограничена принципиальными технологическими проблемами (однородностью исходного материала, однородностью легирования и др.), а большая толщина активной области для регистрации видимого света не требуется. С другой стороны, с увеличением площади л.ф.д. возрастает емкость для "тонких" структур. Поэтому для задач, где необходима минимальная емкость л.ф.д., их изготавливают на высокоомном кремнии или выращивают "толстые" (>100 мкм) эпи-таксиальные высокоомные слои.
В работе [7] опубликованы результаты разработки л.ф.д. большой площади (10 см2). Авторы изготовили л.ф.д. на нейтронно-легированном кремнии п-типа проводимости методом глубокой диффузии галлия. Такой прибор стабильно работает с коэффициентом усиления 1000 при напряжении 200 В.
Известно еще несколько типов п.п.д. с внутренним усилением:
- приборы, в которых для реализации усиления применялся принцип работы транзистора [8];
- кремниевые DEPFET-матрицы [9], разработанные для экспериментов физики высоких энергий, совмещающие в себе полевой транзистор ^ЕТ) с дрейфовой камерой;
7.5
1
11шшшш11^^ч4ч\\ччч\\ччч€ 1ч4ч\\чч\\ччч\\ччч\\чч11
10
10
Рис. 1. Структура поверхности стриповых детекторов.
- детекторы на основе гетеропереходов между материалами с различной шириной запрещенных зон [10]; энергию, необходимую для вторичной ионизации, электроны в данном случае получают при переходе в материал с меньшей шириной запрещенной зоны;
- кремниевые лавинные приборы с отрицательной обратной связью (л.о.с.-диоды) на основе структур металл-резистивный слой-полупроводник [11].
Каждый из этих детекторов с внутренним усилением обладает характерными достоинствами и недостатками, но из последних главный общий -малый чувствительный объем детекторов. При этом перечисленные методы получения режимов внутреннего усиления не позволяют надеяться на создание чувствительных объемов, требуемых для задач [1-3].
Для достижения ультранизкого энергетического порога в детекторе большого объема из сверхчистого германия (ИРОе) был предложен метод внутреннего пропорционального усиления заряда [12]. Согласно расчетам такой подход предполагает получить энергетический порог ~10 эВ в чувствительном объеме ~100 см3.
На первом этапе для исследования принципа внутреннего усиления в п.п.д., сходного с пропорциональным усилением в газовых счетчиках, было решено использовать кремниевые детекторы,
изготовленные по планарной технологии (81Б), а затем перейти к разработке ИРОе-прототипа. В основе этого решения лежат следующие соображения: для 81Б развита надежная технология изготовления микроструктур и имеется отечественная производственная база; создание 81Б относительно недорого, что позволяет проверить целый ряд конструктивных и технологических решений.
Планарная технология, развитая в НИИМВ (г. Зеленоград) для ускорительных экспериментов с высокими радиационными потоками [13], позволяет изготавливать детекторы из кремния и-типа с напряженностью пробоя свыше 3 ■ 104 В/см. Недостатком использования и-кремния для внутреннего усиления является то, что в область возможной мультипликации заряда будут попадать только дырки, подвижность которых при комнатной температуре в 3 раза меньше подвижности электронов. Поэтому для реализации режима внутреннего усиления потребуется более высокая напряженность поля, чем в детекторе из кремния р-типа.
Понимая проигрыш в усилении для дырок на и-кремнии, мы сознательно начали исследования на материале этого типа, чтобы экспериментально проверить на современном технологическом уровне возможность создания реальных опытных структур с эффектом усиления. Кроме того, подвижность дырок значительно увеличивается при охлаждении кремния до температуры жидкого
Рис. 2. Структура стрипового детектора с клиновидным р-п-переходом.
азота (до 104 см2/(В ■ с)) [14], что делает проблему усиления дырок менее принципиальной.
В данной работе представлены первые результаты исследований специальных стриповых и пиксельных детекторов из кремния, структуры которых позволяют создавать в области р-п-пере-хода электрическое поле ~5 ■ 105 В/см, достаточное для лавинного размножения носителей заряда. Детекторы были разработаны и изготовлены по пла-нарной технологии в НИИМВ. Исходным материалом служили пластины кремния п-типа толщиной 300 мкм с удельным сопротивлением 3 кОм ■ см и кристаллографической ориентацией (100) по нормали к поверхности.
СТРИПОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
Структура детекторов представлена на рис. 1 и 2. На пластине кремния размещены четыре квадранта, в каждом из которых ионной имплантацией бора создано по 3 полоски (стрипа) шириной 150 мкм и длиной 7.5 мм. Межстриповое расстояние составляет 2.8 мм. Для повышения напряжения электрического пробоя по поверхности пла-нарной структуры создаются охранные р+-кольца (рис. 1). Крайние стрипы в квадранте для повышения напряженности электрического поля имеют клиновидную (пирамидальную) форму (рис. 2) с различной шириной основания клина - 6 и 15 мкм. Средний стрип (тестовый) имеет стандартный профиль и предназначен для сравнительных измерений. Обратная сторона пластины является омическим контактом (общим для всех детекторов).
Режимы имплантации были следующими: энергия внедрения ионов бора (р+-контакт) ЕВ = 50 кэВ, доза Оъ = (100-200) мкКл/см2; энергия внедрения ионов фосфора (п+-контакт) ЕР = 100 кэВ, доза 0Р = (200-300) мкКл/см2. Токи утечки детекторов при комнатной температуре при напряжении смещения 500 В не превышали 3 нА.
Для исследования режима внутреннего усиления использовались а-частицы от источников 238Ри и 226Яа. Облучение производилось со стороны р-п-перехода и со стороны омического контакта. Были проведены серии измерений при комнатной температуре (300 К) и при температуре жидкого азота (77 К).
Типичные спектры от источника 226Яа для различных напряжений, приложенных к детектору, приведены на рис. 3. Наличие пиков в начальных каналах при облучении со стороны р-п-перехода (рис. 3 а, 36) обусловлено регистрацией сигналов от охранных колец за счет емкостной связи кольцо -стрип. При облучении со стороны омического контакта эти пики также присутствуют (рис. 3в, 3г), но возникают при более высоких напряжениях смещения и имеют меньшую интенсивность, так как вероятность собирания носителей заряда на сигнальный электрод в этом случае значительно выше, чем на охранные кольца. Энергетическое разрешение детекторов FWHM составило 60 кэВ (0.8%) для Еа = 7.7 МэВ в обоих случаях.
У большинства детекторов при достижении напряжения 1150-1200 В появляются сигналы, имеющие непрерывный спектр амплитуд и высокую интенсивность (рис. 4а, 4б). В дальнейшем будем называть этот эффект "генерацией". При повышении напряжения эффект усиливался, амплитуды этих сигналов превышали динамический диапазон спектрометрического тракта, а интенсивность импульсов не позволяла различить сигнал от а-частиц (рис. 4в). Снижение напряжения приводило к полному восстановлению первоначальных характеристик детектора. "Генерация" наблюдалась и в отсутствие источника ионизирующего излучения (рис. 4г).
Возможным объяснением "генерации" является размножение носителей зарядов (как от а-час-тиц, так и от объемных токов утечки) с переменным коэффициентом размножения, зависящим от неоднородности области сильного поля. О
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.