научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР SI-SI(LI) Физика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР SI-SI(LI)»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 1, с. 38-40

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 621.376.234

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР aSi-Si(Li)

© 2013 г. Р. А. Муминов, А. К. Саймбетов, E. К. Тошмуродов

Физико-технический институт НПО "Физика-Солнце" АНРУз

Узбекистан, 10008, Ташкент, ул. Бодомзор йули, 2Б

E-mail: detector@uzsci.net

Поступила в редакцию 08.02.2012 г. После доработки 12.04.2012 г.

Рассмотрена технология получения детекторов ядерного излучения на основе гетероструктур aSi-Si(Li). Показано, что по сравнению с традиционными p-n-структурами такие детекторы более эффективны благодаря малой толщине приповерхностного ("мертвого") слоя.

DOI: 10.7868/S0032816213010096

Прогресс техники ядерной спектроскопии в значительной мере обусловлен созданием полупроводниковых детекторов (п.п.д.) ядерного излучения [1, 2], в частности кремниевых детекторов на основе 81(Ы) р—/—и-структур относительно малых размеров (с диаметром чувствительной поверхности d < 50 мм, толщиной Ж = 1.5—2 мм) [3—5]. Однако современные требования к таким детекторам приводят к необходимости увеличения их размеров до d > 50—100 мм и Ж > 2 мм. При этом физические, технологические и конструкционные решения должны учитывать свойства исходного кристалла больших размеров при стремлении удовлетворить требованиям обеспечения оптимальных электрических, радиометрических и спектрометрических характеристик детекторов [6—9].

В данной работе рассматриваются особенности технологии получения высокоэффективных полупроводниковых детекторов ядерного излучения больших размеров ^ > 50 мм и Ж = 1.5—4 мм) на гетероструктурах аморфный кремний-кремний а81-81(Ы). Особенностью такой гетерострук-туры является высокий и резкий относительно диффузионного 81(Ы) ^-«-перехода потенциальный барьер гетероконтакта. Это важно для обеспечения в п.п.д. тонкого входного окна ("мертвого слоя"), оптимальных электрофизических и спектрометрических характеристик.

Гетероструктуры а8ь81(Ы) формировались на пластинах из монокристаллического кремния р-типа диаметром 50 мм и толщиной >2 мм. Удельное сопротивление исходного кристалла варьировалось в диапазоне р = 1000—5000 Ом • см при времени

жизни неравновесных носителей тока т > 300 мкс. После ряда механо-химических обработок кристаллов осуществлялась диффузия ионов лития, которая проводилась в вакууме на глубину ~300 мкм при температуре 450°C. Глубина диффузии контролировалась методом шар-шлифа.

После травления полирующим травителем в смеси кислот HF:HNO3:CH3COOH и в анилиновом травителе обратные токи образцов составляли <10 мкА. Далее проводили процесс дрейфа ионов лития сначала при температуре T = 70—80°С и напряжении U = 100—400 В, затем при Т= 60°С и U = 200 В. Дополнительный низкотемпературный процесс дрейфа способствовал выравниванию степени компенсации по всему объему кристалла.

После окончания всех процессов дрейфа ионов лития диффузионную область полностью сошли-фовывали и на эту поверхность со стороны выведенной полностью /-области (компенсированного литием кремния) проводили напыление a-Si (толщина слоя составляла ~500 Á). Для получения омических металлических контактов были использованы золотое и алюминиевое покрытия: алюминиевое — на чувствительной поверхности структуры с a-Si-слоем (куда падает ионизирующее излучение), золотое — на противоположной стороне (рис. 1).

Полученные по данной методике детекторы имели следующие параметры: при обратном напряжении смещения иоб ~ 20—300 В темновой ток был равен ~0.5—1.2 мкА, емкость ~40—200 пФ, энергетический шум Еш ~ 25—60 кэВ.

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ

39

(a)

(б)

3 2 1

Рис. 1. Конструкция детектора на основе а81-81(Ь1): а — детектор, вид сверху; б — общий вид детектора. 1 — монокристаллический кремний, компенсированный методом дрейфа ионов лития; 2 — аморфный слой; 3 — алюминиевый контакт; 4 — контакт из золота.

(a)

1000

6Ra

65 кэВ

(б)

Tib,

207Bi

Ла, )

1626 1000 Номер канала

38 кэВ

1750

Рис. 2. Энергетические спектры гетероструктуры aSi-Si(Li): а — по a-частицам 226Ra (Еа = 7.65 МэВ); б — по ß-части-цам 207Bi (Еß = 1 МэВ).

1

1

Энергетическое разрешение измеряли с помощью источников а-частиц 226Яа и Р-частиц 207В1. Регистрацию амплитудных спектров проводили с помощью обычного спектрометрического тракта. На рис. 2 показаны энергетические спектры детектора по а-частицам 226Яа (Еа = 7.65 МэВ) — Ra = = 65 кэВ и по Р-частицам (электронам внутренней конверсии) 207В1 (Ер ~ 1 МэВ) - Rв = 38 кэВ. Как видно из энергетических спектров, для п.п.д. на основе гетероструктур а81-81(Ь1) в случае а-частиц влияние толщины слоя аморфного кремния на формирование энергетического спектра незначительно, так как глубина поглощения а-ча-стиц очень мала (0.25 мкм). В случае Р-частиц влияние толщины слоя аморфного кремния также невелико, но при этом проявляется влияние степени компенсации толщины чувствительной области кремния на формирование энергетического спектра Р-частиц, так как глубина поглощения Р-частиц доходит до 2 мм. В результате энергетическое разрешение п.п.д. для а-частиц составляет Ra < 1%, а для Р-частиц — Rp > 1% и определяется полушириной энергетического спектра частиц.

Полученные результаты показали, что детекторы ядерного излучения на основе гетероструктур а81-81(Ь1) по сравнению с традиционными

Si(Li) p-i—n-детекторами являются более эффективными на 0.5—1.5% по электрическим (токовым, емкостным), радиометрическим (шумовым, по толщине "мёртвого слоя") и спектрометрическим (энергетическому разрешению, формированию амплитудного спектра) характеристикам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акимов Ю.К., Игнатьев О.В., Калинин А.И., Кушнирук В.Ф. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. М.: Энергоатомиздат, 1989.

2. Дирнли Д., Нортроп Д. Полупроводниковые счетчики ядерных излучений. М.: Мир, 1966.

3. Строкан Н.Б., Тиснек Н.И., Афанасьев В.Ф. // ПТЭ. 1968. № 5. С. 211.

4. Афанасьев В.Ф., Строкан Н.Б., Тиснек Н.И. // ПТЭ. 1970. № 2. С. 66.

5. Азимов С.А., Муминов Р.А., Яфасов А.Я. и др. // В сб. Динамические характеристики неоднородных полупроводниковых структур. Ташкент: ФАН, 1975. С. 58.

6. Акимов ЮЖ. // ПТЭ. 2007. № 1. С. 5.

7. Азимов С.А., Муминов Р.А., Шамирзаев С.Х., Яфасов А.Я. Кремний-литиевые детекторы ядерного излучения. Ташкент: Фан, 1981.

8. Muminov R.A., Radzhapov S.A., Sagyndykov N.A., Nurbaev K.M. //Atomic Energy, 2005. V. 98. № 1. P. 69.

9. Раджапов А.С. // ПТЭ. 2007. № 4. С. 29. (Radzhapov S.A. // IET. 2007. V. 50. № 4. P. 452.)

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 1 2013

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.

Показать целиком