Радиационные повреждения детекторов

При облучении детекторов ионизирующим излучением кроме полезного эффекта – создания электронно-дырочных пар – существует и много других, вызванных разнообразными взаимодействиями заряженных частиц, нейтронов и γ-квантов с решеткой детектора и в подавляющем большинстве случаев ухудшающих свойства детектора, а при больших дозах облучения делающих его совершенно непригодным к работе.

Вообще говоря, облучение в больших дозах портит все детекторы, а не только полупроводниковые, однако заметные изменения свойств последних наступают уже при интегральных потоках, которые сравнимы с числом частиц, проходящих через детектор за время эксперимента, а это означает, что характеристики детектора изменяются во время эксперимента.

Разнообразные взаимодействия (упругие и неупругие ядерные столкновения, кулоновское взаимодействие, ядерные реакции) в основном приводят к выбиванию атомов полупроводника из решетки и образованию вакансий в ней. В большинстве случаев эти изменения необратимы, т.е. по мере облучения число нарушений возрастает пропорционально дозе облучения. Обычно процесс многоступенчатый, т.е. атом, выбитый из решетки первичной частицей, обладает достаточной энергией, чтобы, в свою очередь, создать дефекты. Полное число дефектов, созданных в решетке, зависит от энергии и типа первичной частицы. Гамма-кванты создают в полупроводнике электроны с энергией, близкой к начальной энергии γ-квантов, следовательно, и повреждения в этом случае определяются электронами. Быстрые нейтроны имеют малое сечение взаимодействия с ядрами полупроводника, но при каждом взаимодействии ядру передается большая энергия. Ядра отдачи, в свою очередь, создают много вторичных дефектов, а вся картина повреждений в детекторе характеризуется малыми областями с высокой плотностью дефектов, отделенных друг от друга неповрежденным материалом. Иная картина повреждений при облучении заряженными частицами, основной процесс взаимодействия которых с атомами решетки как целым – рассеяние кулоновским полем. При этом создается большое число выбитых атомов с малой энергией, в подавляющем большинстве случаев недостаточной для создания вторичных нарушений. Повреждения, созданные быстрыми электронами, характерны тем, что в среднем электрон передает атомам решетки слишком мало энергии, чтобы создать дефекты, и только очень малая часть атомов покидает узлы решетки. Для того чтобы выбить атом кремния из узла решетки, требуется энергия 25…30 эв. Электроны низких энергий (менее 150 кэв в Si и менее 400 кэв в Ge) не создают дефектов.

Более трудно поддаются анализу из-за их большой плотности повреждения, созданные осколками деления пли тяжелыми ионами. В этом случае существенны как процессы прямых столкновений, так и передача энергии кулоновским полем. При бомбардировке тяжелыми частицами типа осколков деления смещаются почти все атомы, расположенные на пути частицы. Такая частица оставляет за собой сильно разупорядоченный объем, называемый клином смещений. Вычисление концентрации дефектов, создаваемых в таких условиях, представляет собой очень трудную задачу.

Очевидно, что существенно изменяются свойства детектора после облучения в том случае, когда число повреждений разного сорта в полупроводнике будет по порядку величины близко к числу примесных атомов. Для кремния р‑типа число акцепторов равно 2·10¹³ атом/см³. Число повреждений, близкое к этой величине, будет создано в детекторе при попадании в него приблизительно 10¹¹ α-частиц/см² (с энергией 10 Мэв); 10¹¹ быстрых нейтронов/см²; 5·10¹¹ протонов/см² (с энергией 10 Мэв) или 10¹⁴ быстрых электронов/см². На практике влияние повреждений сказывается при существенно меньших дозах облучения.

В результате облучения изменяется сопротивление материала, что вызывает искажение электрических полей, увеличиваются токи утечки, увеличиваются вероятности захвата в ловушки и рекомбинации. Т.к. нарушения создаются неравномерно по чувствительному объему, то ухудшается разрешение, и появляются дополнительные пики в амплитудном распределении импульсов, что является одним из признаков существенных повреждений. Для детекторов с р-i-n-переходом, которые более чувствительны к облучению, чем детекторы с р-n-переходом, одним из последствий облучения является уменьшение глубины обедненного слоя. Например, для создания с помощью дрейфа лития обедненного слоя глубиной 3 мм при U = 300 в в кремниевом детекторе максимально допустимое число акцепторов около 10¹⁰ атом/см³. Следовательно, существенные нарушения работы такого детектора произойдут при интегральных потоках нейтронов и α-частиц порядка 10⁸ см^-2. С увеличением дозы ухудшается и энергетическое разрешение детектора.

Определенный тип полупроводникового детектора выбирается для конкретного эксперимента не только по физическим, но и операционным свойствам детектора, т.е. по удобству работы с ним, что не всегда можно сделать легко и однозначно.

Детекторы с р-n-переходом, образованные окислением поверхности основного материала, характеризуются очень высокой радиационной стойкостью, обусловленной прочностью оксидного покрытия. В них можно создать обедненный слой почти по всей глубине, в них нерабочая (мертвая) область спереди и сзади кристалла становится очень тонкой. Это очень важно, если детектор используется как dE/dx-детектор для идентификации вида частиц.

Если обедненный слой не занимает всей толщины образца, то его глубина может меняться при изменении напряжения смещения. Это очень полезное свойство для дискриминации длиннопробежных и короткопробежных заряженных частиц.

Диффузионные детекторы имеют наиболее высокую радиационную устойчивость из всех типов полупроводниковых детекторов, что является следствием высокой степени легирования. Почти всегда барьерные детекторы работают при комнатной температуре, а значит, без сложных криогенных устройств. Их недостаток заключается в малой глубине чувствительной области и большой емкости перехода, приводящей к малому отношению сигнал/шум и, следовательно, плохому энергетическому разрешению. Диффузионные детекторы используются в ядерной физике для детектирования α-частиц из естественных источников и прогонов низких энергий в опытах на ускорителях, осколков деления и тяжелых ионов. В последнем случае очень важной оказалась радиационная устойчивость детекторов. Хорошие кремниевые детекторы выдерживали до 10⁸…10⁹ осколок/см².

Литий-дрейфовые кремниевые детекторы с большой глубиной чувствительной области и, следовательно, низкой емкостью нашли применение для работы на ускорителях (α-частицы с энергией до 120 Мэв). При больших энергиях первичных частиц эти детек­торы работают при комнатных температурах.

Литий-дрейфовые германиевые детекторы должны всегда использоваться при низкой температуре (обычно Т = 77 °К) для уменьшения тока утечки и связанного с ним шума. Однако высокий атомный номер германия, сравнительная легкость получения толстого чувствительного слоя и малая энергия, требуемая для образования электронно-дырочной пары, позволяют применять германиевые детекторы как гамма-спектрометры с очень хорошей разрешающей способностью и высокой эффективностью регистрации.