Гуров Телескопические полупроводниковые детекторы 2012

2.РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИХ ДЕТЕКТОРОВ БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ

Развитие методов измерений с помощью многослойных полупроводниковых спектрометров идет как по линии использования кремниевых (Si) детекторов, так и детекторов из сверхчистого гер-

мания (High Purity Germanium – HPGe) или их сочетаний [1,3].

Преимуществами германиевых телескопов относительно кремниевых являются большая толщина чувствительного объема детекторов и более высокая тормозная способность для ионизационных потерь энергии заряженных частиц. Однако необходимость охлаждения HPGe-детекторов до температуры кипения жидкого азота (–195,8 °C) в значительной степени затрудняет их использование в конкретных физических экспериментах и является решающим аргументом в пользу выбора кремния в качестве материала детекторов.

Отметим, что фактор, связанный с охлаждением детекторов, является особенно существенным для многоплечевых экспериментальных установок, предназначенных для проведения корреляционных измерений, в связи с их относительно большими геометрическими размерами [3].

Спектрометрические свойства ППД-телескопов в большей степени зависят от таких параметров детекторов, как толщина и площадь чувствительного слоя, а также толщина нечувствительного слоя. Здесь рассмотрим методы изготовления телескопических Si- и HPGe-детекторов большой площади, разработанные учеными НИЯУ МИФИ совместно с сотрудниками Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ. Эти методы позволили минимизировать нечувствительные области детекторов и сохранять стабильность эксплуатационных параметров ППД в течение долговременных измерений на ускорителях. Отметим, высокую технологичность этих методов, что позволило изготавливать не единичные образцы, а партии ~100 детекторов с устойчивыми характеристиками.

11

2.1. Кремниевые детекторы

Кремниевые детекторы для многослойных спектрометров технологически и функционально можно разделить на две основные группы. К первой относятся поверхностно-барьерные (Si(Au)) и имплантированные ионами бора или фосфора (Si(B,P)) детекторы с толщинами чувствительной области от 10 до 1500 мкм. Эти детекторы предназначены для идентификации и спектрометрии заряженных частиц и ядерных фрагментов с помощью ППДтелескопов, а также для их использования в качестве мониторирующих элементов для пучков частиц на ускорителях и логических счетчиков в экспериментальных установках.

Ко второй группе относятся литий-дрейфовые детекторы (Si(Li)) с толщинами чувствительной области от 2 до 6 мм, которые являются основными спектрометрическими элементами при регистрации длиннопробежных заряженных частиц с энергиями ~ 100 МэВ

[3].

Изготовление кремниевых детекторов с помощью широко известных стандартных технологических методов сталкивается с серьезным недостатком – отсутствием специальных требований на ограничение нечувствительных слоев полупроводниковых детекторов. Это связано с тем, что в классической ядерной полупроводниковой спектрометрии традиционно применяются детекторы полного поглощения и, поэтому, нечувствительная область с тыльной стороны детектора не оказывает влияния на энергетическое разрешение приборов. В силу этого, надежно работающие стандартные Si(Au)-детекторы, как правило, имеют неравномерно распределенный нечувствительный слой, обусловленный неоднородностью удельного сопротивления исходного кремния. Отметим, что толщины нечувствительных слоев Si(Li)-детекторов, изготовленных по традиционной технологии, достигают нескольких сот микрон.

2.1.1. Si(Au)-детекторы в режиме полного обеднения

Кремниевые поверхностно-барьерные детекторы используются в многослойных полупроводниковых спектрометрах для идентификации заряженных частиц и измерения их энергии. Такие детекторы должны эксплуатироваться в режиме растяжки чувствитель-

12

ной области на полную толщину образца, что позволяет фиксировать геометрию детектора и устранить нечувствительный слой со стороны заднего электрода. Для обеспечения высокой точности измерений, выполняемых с помощью ППД-телескопов, геометрические параметры детекторов-идентификаторов должны быть точно определены.

Толщина чувствительной области Si(Au)-детекторов пропорциональна величине (ρU)1/2, где ρ - удельное сопротивление исходного материала, U - приложенное к детектору напряжение смещения. В режиме полного обеднения на Si(Au)-детекторов необходимо подать напряжение, при котором область объемного заряда достигнет тыльного (омического) контакта. Вследствие неоднородности удельного сопротивления это условие должно быть выполнено, прежде всего, для областей с минимальным значением ρ.

Основное влияние на стабильную работу поверхностнобарьерных детекторов в режиме полного обеднения оказывают свойства омического контакта. В традиционной технологии изготовления детекторов тыльный контакт получают термическим напылением слоя алюминия толщиной ~40 мкг/см2 или двухкомпонентного слоя из германия (~50 мкг/см2) и алюминия (~30 мкг/см2). Однако в первом случае контакт достаточно быстро становится инжектирующим: при приложении к детектору обратного напряжения из области тыльного контакта начинается генерация неравновесных носителей заряда (для кремния n-типа происходит инжекция дырок). Поскольку в полностью обедненных детекторах отсутствует базовая область, в которой могла бы происходить рекомбинация инжектированных дырок, они попадают в область электрического поля и дают вклад в обратный ток. Результатом инжекции носителей заряда с омического контакта является резкое увеличение шумов детектора при выходе обедненной области непосредственно к тыльному контакту. Наиболее заметно этот эффект проявляется на детекторах большой площади (>1 cм2) и с чувствительной областью превышающей 100 мкм. Недостатком второго метода является увеличение контактных шумов из-за диффузии алюминия через слой германия. При этом скорость диффузии пропорциональна сопротивлению исходного материала, что приводит к заметному ухудшению характеристик детекторов уже при ρ ≥ 1 кОм·см.

13

Заметим, что толщины детекторов обычно измеряются в мкм, а толщины напыленных слоев в мкг/см2. Переход от одних единиц к другим происходит с помощью соотношения: х [мкг/см2] = 10–2ρх [мкм], где ρ – плотность вещества, измеряемая в г/см2.

С целью улучшения стабильности работы полностью обедненных Si(Au)-детекторов была разработана технология их изготовления, в которой омический контакт формируется термическим напылением слоя алюминия большей толщины (~200 мкг/см2) по сравнению со стандартной технологией. Ниже приводятся результаты исследований телескопических Si(Au)-детекторов с такими контактами.

В качестве исходного материала был выбран кремний n-типа диаметром 30 мм и удельным сопротивлением 5 кОм·см. Из пластин этого кристалла вырезались шайбы диаметром 20 мм, из которых затем изготавливались детекторы с различными по толщине алюминиевыми электродами. Детекторы имели чувствительную площадь ~2 см2 и толщину ~300 мкм. Отметим, что ограничение в толщине Al-контакта (~200 мкг/см2) обусловлено техническими возможностями напылительных установок, используемых в технологическом процессе изготовления детекторов.

Одним из основных эксплутационных параметров телескопических Si(Au)-детекторов является напряжение полного обеднения Uо, которое определялось с помощью α-источника 238Pu при облучении ППД со стороны тыльного контакта. В качестве примера на рис. 2.1 показано изменение формы амплитудного распределения сигналов от α-частиц 238Pu в зависимости от приложенного напряжения для детектора с толщиной Al-контакта 200 мкг/см2. Зависимость скорости счета α-частиц от напряжения смещения представлена на рис. 2.2. Суммирование импульсов выполнялось в ограниченном интервале каналов анализатора, которому соответствовал диапазон энергий 5,3−5,6 МэВ. Учет ионизационных потерь α-частиц показал, что этот энергетический диапазон соответствует нечувствительному слою Si толщиной 1 мкм – величине, сравнимой с толщиной слоя Al 200 мкг/см2.

Напряжение, при котором рассматриваемая зависимость выходила на плато насыщения, считалось напряжением полного обеднения Uо. Для полностью обедненных Si(Au)-ППД величина Uо

14

оказалась равной 90 В. Следует отметить, что полное собирание заряда по всей поверхности тыльного контакта (см. рис. 2.1) достигается при напряжении U = 120 В. Следовательно, при эксплуатации телескопических Si(Au)-детекторов желательно, чтобы нижняя граница диапазона рабочих напряжений этих детекторов превышала указанное напряжение.

Рис. 2.1. Аппаратурные спектры, полученные при облучении α-частицами 238Pu Si(Au)-детектора со стороны омического контакта (Al толщиной 200 мкг/см2), для нескольких значений приложенного напряжения U

15

Видно, что резкое ухудшение разрешения для Si(Au)- детекторов с омическим контактом Ge+Al (кривая 1) начинается сразу после выхода объемного заряда на заднюю сторону детектора (U = 40 В), а для детекторов с алюминиевым контактом толщиной40 мкг/см2 (кривая 2) – при величине напряжения U = 100 В, которая незначительно превышает напряжение полного обеднения Uо.

Как отмечалось выше, такое ухудшение разрешения объясняется инжекцией дырок со стороны омического контакта в чувствительную область, что является причиной отсутствия участка насыщения для этих двух случаев. В то же время для детекторов с толщинами омических контактов больше 40 мкг/см2 (кривые 3–5) диапазоны рабочих напряжений достаточно протяженны, а следовательно, эти детекторы могут эксплуатироваться без заметного изменения разрешения Е при напряжениях, в 2÷4 раза превышающих Uо. Полученный результат дает основание говорить о надежной работе полностью обедненных Si(Au)-детекторов с контактами из Al толщиной 200 мкг/см2.

Для кремниевых структур, имеющих только омические контакты, на рис. 2.4 приведены вольт-амперные характеристики (ВАХ) (1-4), измеренные в прямом и обратном направлении. Они позволяют определить значения отношения φ+/φ- (φ+ и φ- – углы наклона линейных участков измеренных характеристик к осям +U и –U соответственно).

Рис. 2.4. ВАХ кремниевых структур с различными омическими контактами:

1 – Ge+Al, 2 – Al (40 мкг/см2), 3 – Al (100 мкг/см2), 4 – Al (200 мкг/см2)

17

Из сравнения полученных значений 13.2 (кривая 1), 1.2 (2), 0.71 (3) и 0.97 (4) следует, что увеличение толщины алюминиевого слоя (кривая 4) улучшает "омичность" самого контакта

На практике омические контакты представляют собой приближение к идеальному случаю. Идеальный омический контакт должен быть невыпрямляющим и неинжектирующим, т.е. его ВАХ должна иметь линейный и симметричный вид. Другими словами, его особенности состоят в отсутствии потенциального барьера (следовательно, асимметрия отсутствует) и очень высокой скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда, что обеспечивает линейность. Этим требованиям в наибольшей степени соответствует алюминиевый контакт толщиной 200 мкг/см2 (кривая 4). По-видимому, при такой толщине напыления металлическая пленка близка по своим свойствам к алюминию с монолитной структурой.

Следует также отметить соотношение между минимальными значениями Е, полученными при облучении α-частицами со стороны золотого ( EAu) и алюминиевого ( EAl) электродов. Для детекторов с контактом из Al толщиной 200 мкг/см2 величины EAu и EAl равны соответственно 28 и 34 кэВ, а энергетический сдвиг (EAu – EAl) в положении α-линий составил 110 кэВ.

Расчеты, выполненные с учетом этих величин, показывают, что ухудшение энергетического разрешения со стороны Al (( E2Al –

– E2Au) = 19 кэВ) полностью определяется вкладом от флуктуаций ионизационных потерь α-частиц в этом слое металла ( 20%).

На основании полученных результатов при изготовлении светосильных поверхностно-барьерных детекторов (8 см2) с протяженной чувствительной областью (100÷1200 мкм), предназначенных для комплектации многослойных спектрометров, в качестве омического контакта напылялся алюминий толщиной 200 мкг/см2. Это обеспечивало возможность работы с этими детекторами при напряжениях в 2–3 раза, превышающих напряжение полного обеднения. Возможность работы с такими перенапряжениями заметно улучшает сбор заряда форму импульса.

С целью оптимизации контактного шума изучались зависимости энергетического разрешения и обратного тока от напряжения сме-

18

щения при двух способах образования контакта: электрический вывод к заднему электроду детекторов клеился с помощью серебряной проводящей пасты на травленную (1) и шлифованную (2) поверхности вне чувствительной площади детектора. Полученные результаты представлены на рис. 2.5. Видно, что клейка контакта на шлифованную поверхность приводит к уменьшению контактного шума (обратного тока) и, как следствие, улучшению энергетического разрешения.

Рис. 2.5. Зависимость энергетического разрешения (а) и обратного тока (б) от напряжения смещения (Uо = 140 В) для Si(Au)-детекторов с чувствительной площадью 8 см2. Электрический вывод к омическому контакту выполнен на травленную (1) и шлифованную (2) поверхности

Телескопические Si(Au)-детекторы большой площади с тыльными контактами из Al толщиной 200 мкг/см2 использовались в экспериментах на пучках частиц ускорителей ПИЯФ РАН (Гатчина), ЛЯР ОИЯИ (Дубна), ИЯИ РАН (Троицк) и LAMPF (Лос Аламос) без заметного изменения своих параметров за время ~ 1000 часов в течение 3 лет с момента их изготовления.

19

2.1.2. Si(Li)-детекторы с тонкими нечувствительными слоями

Спектрометрические характеристики ППД-телескопа на основе Si(Li)-детекторов в значительной степени определяются толщинами их нечувствительных, так называемых «мертвых», слоев (wмс). В качестве примера на рис. 2.6 представлена, расчетная зависимость энергетического разрешения (σмс) телескопа из кремниевых детекторов от величины W1/2, где W = ∑wмс – сумма толщин «мертвых» слоев ППД, через которые проходит частица до остановки в чувствительном объеме одного из детекторов. Каждый детектор имел толщину 3 мм с «мертвыми» слоями в диапазоне от 0,1 до 1,2 мм. Рассматривался случай регистрации однозарядных частиц (p, d, t) c энергией 50−100 МэВ.

Рис. 2.6. Расчетная зависимость вклада в энергетическое разрешение телескопа из кремниевых детекторов от величины W1/2

Полученную зависимость приближенно можно представить в виде: σмс = 9·W1/2, где σмс измеряется в кэВ, а W – в мкм.

При изготовлении стандартных детекторов с помощью диффузии лития глубина залегания р-n-перехода составляет 300−500 мкм. Например, для телескопа, состоящего из десяти Si(Li)-детекторов (wмс = 300 мкм, разрешение 50 кэВ), вклады в его суммарное разрешение от шумов детекторов и от потерь в мертвых слоях соста-

20