ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 1, с. 67-71
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.1.07
ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ НЕЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СЛОЕВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ
© 2008 г. Ю. Б. Гуров, И. В. Исаков, В. С. Карпухин, С. В. Лапушкин, В. Г. Сандуковский*, Б. А. Чернышев
Московский инженерно-физический институт (государственный университет) Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 * Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 Поступила в редакцию 06.02.2007 г. После доработки 14.05.2007 г.
Представлены способы измерения толщины "мертвых" слоев Si(Li)- и HPGe-детекторов с помощью радиоактивных источников электронов, у-квантов и a-частиц. Разработанная методика позволяет определять толщину этих слоев с погрешностью не хуже 1%.
PACS: 29.40.Wk
ВВЕДЕНИЕ
Использование в эксперименте многослойных спектрометров на основе полупроводниковых детекторов (п.п.д.-телескопов) способствует решению широкого круга ядерно-физических задач. Вместе с тем, требования, возникшие в ходе исследований, привели к необходимости усовершенствования технологии получения п.п.д., методов их калибровки и измерения геометрических параметров. Одной из основных задач является реализация высокого разрешения п.п.д.-телескопов при измерениях энергии длиннопробежных заряженных частиц. В этих устройствах регистрируемая частица проходит несколько детекторов. Для восстановления ее начальной энергии [1] необходимо знать толщину нечувствительных областей, так называемых "мертвых" слоев. Энергия частиц определяется методом суммирования потерь энергии в детекторах с учетом средних энергопотерь в их "мертвых" слоях. Знание толщины чувствительных и "мертвых" слоев необходимо также для идентификации частиц и выделения событий, в которых произошло значительное энерговыделение, связанное с ядерными взаимодействиями в веществе детектора [2].
В настоящее время известно несколько способов определения толщины чувствительных и нечувствительных слоев полупроводниковых детекторов. Наиболее точный метод основан на использовании пучков ускоренных частиц [3, 4]. Однако необходимость длительных измерений на ускорителе ограничивает возможность применения такого подхода. Поэтому обсуждаемые ниже измерения были выполнены с применением радиоактив-
ных источников электронов, у-квантов и а-частиц.
Многокристальные полупроводниковые установки комплектуются детекторами различных типов из кремния и сверхчистого германия (НРОе), которые изготавливаются как с использованием традиционных, так и усовершенствованных технологий. Основными регистрирующими элементами п.п.д.-телескопов являются кремниевые литий-дрейфовые детекторы (Б1(Ы)) и НРве-детекто-ры с полной толщиной (Щ) 1.5-7 и 5-10 мм соответственно. В зависимости от способов изготовления толщина "мертвых" слоев Б1(Ы)-детекто-ров может составлять 300-500 мкм [5] и 20-40 мкм [6], а для НРве-детекторов 400-1000 мкм [7] и ~0.1 мкм [8]. Полная толщина рассматриваемых п.п.д. контролируется методом контактных измерений с погрешностью в определении средней толщины не хуже 10 мкм. В основном этот разброс связан с нарушением плоскопараллельности детектора в результате механической обработки и неравномерности процесса травления. Необходимо отметить, что контактные измерения не приводят к ухудшению энергетического разрешения исследуемых детекторов.
Спектрометрические характеристики многодетекторных спектрометров улучшаются с уменьшением "мертвых" слоев детекторов [9]. При этом важно отметить, что энергетическое разрешение п.п.д.-телескопа, вследствие флуктуации потерь энергии, может в большой степени зависеть от значений толщины самих нечувствительных слоев, чем от точности их измерения. Поэтому нами были выполнены работы по совершенствованию
67
5*
К
Ф Д мс
И
N
Рис. 1. Схема расположения детекторов и источника при измерении толщины "мертвых" слоев стандартных детекторов с использованием источников электронов и у-квантов. И - источник, К - коллиматор, Ф - Бь или ве-фильтр, Д- Б1(Ь1)- или ИРве-детектор, мс - "мертвый" слой.
технологии создания Б1(Ы)- и ИРве-детекторов с целью минимизации этих слоев.
В данной работе выполнены измерения толщины "мертвых" слоев для кремниевых и германиевых детекторов, изготовленных по обычной и усовершенствованной технологиям.
Схема измерений для определения толщины нечувствительных слоев Б1(Ы)- и ИРве-детекто-ров, созданных по традиционной технологии с помощью высокотемпературной диффузии лития [5, 7], представлена на рис. 1. В эксперименте использовались наборы калиброванных Бь и ве-фильтров, для которых плоскопараллельность была не хуже 5 мкм, а точность измерения их толщины составляла 1 мкм. В такой постановке опыта, как будет показано ниже, параметры измеряемых спектров (положение линии, число событий под пиком) с высокой точностью определяются толщиной фильтра.
В случае детекторов с тонкими "мертвыми" слоями [6, 8] глубина их залегания определялась по сдвигу в положении а-пика при облучении п.п.д. со стороны переднего и заднего контактов.
КРЕМНИЕВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
Измерения толщины "мертвых" слоев стандартных 81(Ы)-детекторов [5] выполнялись с помощью электронов внутренней конверсии (э.в.к.) источника 207В1 с энергией 975 кэВ. В качестве примера на рис. 2 показаны спектры, зарегистрированные Б1(Ы)-детектором, при прохождении электронов через кремниевые пластины различной толщины. Видно, что положение пика э.в.к. зависит от толщины фильтра. При этом даже для достаточно большой толщины фильтров (~600 мкм) форма аппаратурной линии дает возможность вычислить ее положение с высокой точностью. Толщина "мертвых" слоев стандартных Б1(Ы)-детекто-ров определялась следующим образом. Для каждого п.п.д. строилась калибровочная зависимость (рис. 3). Затем исследуемый детектор поворачивал-
N 103 15
10
5
0
10
975 кэВ
N канал
Рис. 2. Электронные спектры 207В1, измеренные 81(Ы)-детектором при использовании Бьфильтров различной толщины wмс: а - без поглотителя, б -wмс = 280 мкм, в - wмс = 540 мкм.
N канал 320
300
280 -
260 -
200
400
Рис. 3. Зависимость положения пика э.в.к. с Е = = 975 кэВ (207Б1) от толщины Бьфильтра.
0
мкм
ся нечувствительной областью (я+-контактом) к источнику. По смещению пика э.в.к. определяли значение ^мс, пользуясь полученной калибровкой. Необходимо указать, что отклонение от прямой линии зависимости, представленной на рис. 3, объясняется наличием у источника э.в.к. защитного покрытия (пленки из майлара толщиной 100 мкм). Расчеты показывают, что энергопотери электронов с E = 975 кэВ в таком слое оказывают заметное влияние на поведение измеренной зависимости для Si-фильтров толщиной в диапазоне 0-150 мкм.
Как отмечалось в работе [10], для спектрометров заряженных частиц на основе Si(Li)-детекто-ров, работающих при комнатной температуре (T ~ ~ 300 К), важным является выбор оптимального значения постоянной времени формирования т спектрометрического тракта. Учет параметра т весьма существенен при определении глубины залегания диффузионного литиевого слоя - нечувствительной области. Это связано с тем, что в Si(Li)-детектораx, изготовленных по стандартной технологии, между чувствительной областью и "мертвым" слоем существует переходная область [5]. Поскольку для дрейфовых детекторов диффузионный слой не имеет четкой границы, следует говорить об эффективной толщине этого слоя. Коэффициент собирания заряда в такой области может быть существенно меньше 1, что ведет к увеличению времени собирания дырочной составляющей сигнала при ионизации вблизи «^контакта. Следует отметить, что на протяженность переходной области влияет большое число факторов: удельное сопротивление исходного материала и его однородность по площади образца, температура и время диффузии, параметры "горячего" и "восстановительного" дрейфа лития.
Для изучения рассматриваемого эффекта на 12 стандартных Si(Li)-детектораx была измерена толщина их "мертвых" слоев для значений постоянных времени формирования 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 мкс. На рис. 4 приведены типичные зависимости для двух п.п.д. толщиной W ~ 3 мм. Видно, что для этих образцов кривые приближаются к плато при т = 1.5 мкс (рабочее напряжение смещения исм = = 500 В). При изменении постоянной формирования от 1.5 до 2.0 мкс погрешность в определении эффективной границы диффузионного слоя не превышает 5 мкм, что меньше разброса в величине W. Необходимо указать, что аналогичные результаты были получены для 8^0-детекторов большей толщины. Так, например, для п.п.д. с W ~ ~ 4.5 мм исследуемая характеристика также практически не меняется при т = 1.5 мкс, но при напряжении исм = 750 В. Следовательно, толщину "мертвого" слоя на стандартных Si(Li)-детектораx, работающих при T ~ 300 К, необходимо измерять при постоянной времени формирования т > 1.5 мкс.
^мс, мкм 500
450
400
350
300
т, мкс
Рис. 4. Зависимость толщины нечувствительной области двух стандартных 81(Ь1)-детекторов толщиной Ж = 3.3 мм (1) и 3.1 мм (2) от времени формирования т.
исм = 500 в.
В случае 81(Ы)-детекторов, изготовленных по усовершенствованной технологии с использованием импульсов теплового излучения [6], глубина залегания диффузионного слоя не превышает 50 мкм (Т ~ 300 К). Для оценки толщины таких слоев использовались а-частицы с энергией ~7.7 МэВ источника 226Яа. Облучение п.п.д. проводилось со стороны переднего и заднего контактов (входного окна и "мертвого" слоя). Это позволяло оценить энергетический сдвиг в положении а-пика относительно его исходного положения. Затем, используя зависимости пробег-энергия и удельных ионизационных потерь в кремнии, вычислялось значение ^мс.
Для примера на рис. 5 представлены спектры а-частиц 226Яа, измеренные с помощью двух п.п.д. с тонкими литиевыми слоями при облучении со стороны входного (рис. 5а) и тыльного (рис. 56, 5в) окон. Поскольку детекторы имели одинаковые толщину Ж = 2.7 мм и энергетическое разрешение АЕа = 50 кэВ, их спектры, измеренные со стороны входного окна, идентичны. В качестве исходного спектра на рис. 5а представлено распределение с п.п.д. № 1. Применение описанной в
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.