ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 2, с. 65-69
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.074
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИЗ КРЕМНИЯ И ГЕРМАНИЯ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ НИЖЕ 77 К
© 2007 г. К. Н. Гусев, Ю. Б. Гуров, С. Л. Катулина, В. Н. Павлов, В. Г. Сандуковский
Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 Поступила в редакцию 18.07.2006 г.
Наиболее используемые полупроводниковые детекторы исследованы при криогенных температурах. Показано, что увеличение напряженности электрического поля внутри детектора в большинстве случаев приводит к восстановлению его спектрометрических свойств. Сделан вывод о возможности применения полупроводниковых детекторов в температурном диапазоне 1-77 К.
PACS: 29.40.Wk
Детекторы ядерных излучений из Si и Ge продолжают занимать лидирующее положение в экспериментальной ядерной физике благодаря ряду неоспоримых достоинств. К ним относятся высокое энергетическое разрешение, компактность, универсальность в отношении вида регистрируемого излучения, а также способность работать в магнитных полях и вакууме. При этом надо отметить, что если детекторы из сверхчистого германия (HPGe) практически полностью вытеснили литий-дрейфовые структуры ^е^)), то кремниевые детекторы по-прежнему остаются незаменимым инструментом для многих экспериментальных исследований.
Оптимальная температура работы Ge-детек-торов - это температура жидкого азота (77 К). Si-детекторы обычно используются в более широком температурном диапазоне - от 77 до 300 К. Однако существуют задачи, в которых детекторы нужно охлаждать ниже 77 К: в экспериментах по изучению реакций ядерного синтеза в мюонном комплексе цяРНе [1] - Т = 30 К; в опытах по исследованию свойств радиоактивных ядер, ориентированных при низких температурах [2]; при поиске "темной" материи [3, 4].
Ранее выполненные работы [5-16] по изучению поведения полупроводниковых детекторов при температурах ниже 77 К содержат неполные и иногда противоречивые сведения. Кроме того, основные исследования выполнены в 60-70-е годы. С тех пор произошел заметный прогресс в технологии получения чистых монокристаллов Si и Ge, в методике создания детекторов, а также в качестве спектрометрической аппаратуры, и необходимость новых данных очевидна.
В настоящей работе представлены результаты исследования характеристик наиболее часто ис-
пользуемых в экспериментах детекторов из Si и Ge, изготовленных в ЛЯП ОИЯИ (Дубна), в температурном интервале 1-77 К.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Исследование работы детекторов при криогенных температурах проводилось с помощью гелиевого криостата с электронной системой стабилизации температуры (рис. 1), позволявшего охлаждать образцы до 1 К. Исследуемый детектор размещался на массивной медной платформе.
к спектрометру
^ —► Откачка криостата
Откачка паров Н
Тепловые якоря [17]
Погружной криостат
Термолизатор
Тефлон
Медь
Детектор
Изотермический блок Жидкий гелий Жидкий азот Вакуумная рубашка
Рис. 1. Испытательный криостат.
Аи (р+)
(а)
а
Li (п+)
Аи
Аи (р+)
а
(б)
п-Si
А1 (п+)
А1
а
(в)
1<ве (п+)
р-Si
Аи (р+)
А1 В а
| П-яТ
(г)
SЮ^
А1
Аи (р+)
-
Р (п+)
а
(д)
р -HPGe
Li (п+)
Аи
Рис. 2. Структуры исследуемых детекторов.
Расположенные на ней термодатчик и нагреватель, входящие в автоматизированную систему контроля, давали возможность фиксировать нужную температуру изотермического блока "платформа-детектор" в диапазоне 1-77 К. В качестве термодатчика использовалось термосопротивление, позволяющее измерять температуру ниже 77 К с точностью ±0.05 К. Блок, состоящий из платформы, детектора, радиоактивного источника, термодатчика и нагревателя, располагался внутри вакуумной камеры. Внешней средой камеры на первом этапе снижения температуры являлся жидкий азот, который по достижении температуры детектора ~80 К замещался жидким гелием. Особенности конструкции криостата (17 тепловых мостов; специальные термолизаторы, выполненные на каптоне; сигнальные провода из константана и др.) обеспечили возможность варьировать величину температуры детектора в ин-
тервале 1-77 К и поддерживать ее с точностью ±0.1 К в течение длительного времени (более суток). В этом заключается главное отличие описываемого эксперимента от выполненных ранее, где измерения проводились в моде непрерывного охлаждения или нагревания. Опуститься по температурной шкале до 1 К позволял метод откачки паров гелия.
Детекторы облучались через коллиматор 03 мм а-частицами от источника 148вй-44Ст с энергиями 3.2, 5.7, 5.8 МэВ.
Было исследовано шесть специально изготовленных детекторов: Б1(Ы), три поверхностно-барьерных из п- и р-Б1; ионно-имплантированный из п-Б1; ИРве-детектор из р-ве (рис. 2). Перед проведением эксперимента все детекторы измерялись в обычных условиях работы и имели спектрометрические характеристики (амплитуду сигнала и энергетическое разрешение), близкие к оптимальным для детекторов данного типа.
Б1(Ы)-детектор (а) изготовлен из р-Б1 с удельным сопротивлением р ~ 500 Ом • см и временем жизни носителей заряда при комнатной температуре т ~ 1 мс. Активная площадь детектора 5 см2, полная толщина 2.3 мм, толщина мертвого литиевого слоя ~300 мкм. Такая толщина активной области детектора выбрана для обеспечения высоких значений напряженности поля, так как конструкция криостата не позволяла подавать на детектор напряжение смещения >2.5 кВ. Максимально возможная напряженность поля в Б1(Ы)-детекторе составила 12500 В/см.
Поверхностно-барьерный Б1(Аи)-детектор (б) изготовлен из п-Б1 (р ~ 8 кОм • см, т ~ 800 мкс) и имел активную площадь 8 см2 и толщину 400 мкм.
Два поверхностно-барьерных 81(ве,А1)-детек-тора (в) из р-Б1 с р ~ 75 кОм • см и р = 150 кОм • см имели активную площадь 3 см2 и толщины 750 и 2490 мкм соответственно.
81(В,Р)-детектор (г) изготовлен из п-Б1 (р ~ ~ 6 кОм • см) по планарной технологии (контакты выполнены ионной имплантацией бора и фосфора) и имел активную область 2 х 2 см2 и толщину 300 мкм.
ИРве-детектор (д) изготовлен из сверхчистого р-ве с разностной концентрацией примесей N - | = 2 х 1010 см-3. Активная площадь детекто-1 см2, толщина 5 мм, толщина литиевого
ра
п+-слоя 600 мкм; р
контакт детектора получен окислением ве в смеси И202 + ОТ с последующим напылением золота.
Съем спектрометрической информации с детекторов осуществлялся с помощью стандартного тракта (предусилитель 0RTEC 120F, усилитель 0RTEC 450, многоканальный анализатор и э.в.м.). Для контроля стабильности работы тракта использовался генератор точной амплитуды 0RTEC 419.
Температура, К
Рис. 3. Зависимость амплитуды сигнала Б^Ь^-детек-торов от температуры при различных напряженно-стях поля (значения у кривых).
Цифровой осциллограф ЬеСгоу 9361 позволял детально исследовать форму сигнального импульса.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
В этом разделе обсуждаются результаты наших измерений (рис. 3-6) и данные более ранних измерений [5-16].
ЗЦЫ)-детектор
Анализ результатов предыдущих работ, посвященных исследованию работы Б^Ь^-детекторов при криогенных температурах [5-9], показывает, что эти детекторы не способны нормально функционировать при температуре ниже 40 К. Это связано с появлением "медленной компоненты" сигнала с большой длительностью переднего фронта (>2 мкс) и снижением амплитуды сигнала. При Т < 20 К время нарастания импульса увеличивалось настолько, что сигнал практически пропадал из-за ограниченности формировок усилителя.
Зависимость амплитуды сигнала от температуры, полученная в нашем исследовании, представлена на рис. 3. Поскольку детектор облучался со стороны ^-контакта, а съем сигнала производился со стороны я+-контакта, измерялась, в основном, электронная составляющая сигнала. Заметное уменьшение амплитуды сигнала при низкой напряженности поля в детекторе соответствует данным [8, 9] (две нижние кривые). При Е = 6000 В/см изменение амплитуды уже не столь значительно. При максимально возможной в нашем случае напряженности 12500 В/см уменьше-
20 мВ /
1111 мм 1 1 1 1 1 1 1 мм мм 1111 мм 1 1 1 1 1 1 1 1
II II мм мм 1 1 1 мм 1111 1111 1111 е = : 1111 3000 I 1111 В/см
5 мкс
г-
1Г^
Г
20 мВ
1 1 1 1 1 1 м 1 II 1 1 1 1 1 м 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
м м мм 1111 1 1 1 1 мм мм мм мм Е = 1 1 1 м 2500 мм В/см
1 мкс
Рис. 4. Изменение формы сигнала Б^Ь^-детектора в
зависимости от напряженности поля при Т = 30 К.
ние амплитуды составляет <30%, и сигнал не исчезает вплоть до 1.5 К.
Снижение температуры до 40 К не приводит к появлению медленной компоненты сигнала. Ниже 26 К ее вклад становится настолько большим, что амплитуда итогового сигнала из-за ограниченности формировок усилителя (10 мкс) сильно уменьшается. В интервале 38-26 К время нарастания сигнала меняется от 0.5 до 30 мкс. Повышение напряженности поля в детекторе приводит к подавлению медленной компоненты (рис. 4), и, соответственно, к росту амплитуды (три верхние кривые на рис. 3). Таким образом, нормальная эксплуатация Б^Ь^-детектора при сверхнизких температурах возможна только при Е > 12000 В/см. В наших измерениях при Е = 12500 В/см энергетическое разрешение в диапазоне 25-77 К практически не менялось и соответствовало 18 кэВ. При
Амплитуда, отн. ед.
Температура, К
Рис. 5. Зависимость амплитуды сигнала имплантированного 8ЦВ,Р)-детектора, изготовленного из п-8^ от температуры при различных напряжениях (значения у кривых).
температуре <10 К оно также не менялось, но несколько ухудшилось - до 25 кэВ.
Детекторы из
В ранних исследованиях [6] отмечался ряд особенностей работы поверхностно-барьерных детекторов в условиях низких температур. При Т < 30 К наблюдалась аномалия в отклике детектора - появление медленной компоненты в форме сигнала (при Т < 26 К) и соответствующее уменьшение амплитуды сигнала. Увеличение напряжения на детекторе позволило уменьшить аномалию при Т < 14 К, но авторам [6] не удалось полностью избавиться от этого эффекта. В работ
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.