Гуров Телескопические полупроводниковые детекторы 2012

детектора выходит в область электрического пробоя практически при нулевом напряжении смещения.

Таблица 2.5. Параметры образцов HPGe

Величина разностной концентрации указывает на чистоту и наличие примесей в исходном материале. Однако наиболее существенное влияние на качество детекторов оказывает величина неоднородности этого параметра. В табл. 2.5 для всех кристаллов наряду с паспортным значением разностной концентрации Nпасп представлены средняя разностная концентрация < Nсвч> и ее неоднородность δ( Nсвч), измеренные с помощью установки для бесконтактного измерения удельного сопротивления (разностной концентрации) СВЧ-резонаторным методом.

На всех образцах анализ распределения разностной концентрации проводился на глубину 2 мм, равную диаметру кольцевого измерительного отверстия использованной установки. Измерения проводились при температуре жидкого азота. Для примера на рис. 2.17 показаны распределения неоднородности разностной концентрации на кристаллах №1, №2 и № 7. Погрешность измерений этого параметра в каждой точке составляла 5%. Величина δ( Nсвч) оценивалась из формулы для относительного среднеквадратичного отклонения измеряемого параметра. Анализ полученных результа-

41

тов по неоднородности разностной концентрации указывает на то, что величина разброса этого параметра для детекторного сверхчистого германия не должна превышать 20 %.

в

Рис. 2.17. Распределение разностной концентрации на кристаллах:

а – № 1 (δ( Nсвч) = 16 %); б – № 2 (δ( Nсвч) = 14 %); в – № 7 (δ( Nсвч) = 33 %)

Таким образом, в ходе тестирования HPGe-монокристаллов был отобран материал с параметрами, необходимыми для получения качественных детекторов. Было установлено, что для изготовления детекторов с высоким энергетическим разрешением исходные кристаллы должны иметь следующие параметры:

(Na – Nd) ≤ 3×1010см-3, δ( N) < 20 %;

μ ≥ 4,0×104 см2/В с; ND ≤ 1,5×103 см-2.

В качестве примера на рис. 2.18 представлены спектры, измеренные с помощью таких детекторов с различными геометрическими размерами (S – рабочая площадь, W – чувствительная толщина).

42

2.2.2. Метод изготовления имплантированных HPGe-детекторов

Многокристальные установки, состоящие из HPGe-детекторов, как правило, используются в двух областях экспериментальной ядерной физики:

1)спектрометрия частиц в режиме совпадения, например, спектрометры TGV для изучения редких ядерных процессов (двойной бета-распад, двойной электронный захват). Исследуемые изотопы расположены в спектрометрах в виде тонких источников электронов между планарными HPGe-детекторами;

2)измерение энергии длиннопробежных заряженных частиц (p, d, t, 3,4He) с энергиями до нескольких сотен МэВ.

Как в первом, так и во втором случаях использования HPGeспектрометров их точность растет с уменьшением толщин нечувствительных слоев (входных окон, «мертвых» слоев) детекторов с фронтальной и тыльной сторон (n+- и p+-контактов). Кроме этого, важным фактором, влияющим на точность измерений, является постоянство величины «мертвого» слоя с течением времени.

Создание HPGe-детекторов по традиционной технологии, которая включает в себя термодиффузию лития (температура Т = = 320–360 °С, время диффузии 5–10 мин) в германий p-типа проводимости для образования n-p-перехода приводит к достаточно большой глубина залегания n-p-перехода (толщина «мертвого» слоя), которая составляет величину 0,5÷1,0 мм. При этом аномально большой коэффициент диффузии лития ведет к увеличению толщины входного окна, особенно, в процессе термоциклирования (охлаждения и нагревания при тестовых измерениях) детекторов. Это в свою очередь вызывает необходимость постоянного пребывания детекторов при температуре жидкого азота (77 К), что не всегда выполнимо в процессе подготовки и реализации экспериментов. Для решения указанной проблемы наиболее предпочтительным является использование метода ионной имплантации для изготовления выпрямляющих и омических контактов толщиной

0,05 ÷ 0,3 мкм.

Рассмотрим результаты по разработке планарных детекторов из HPGe с тонкими входными окнами (< 0,1 мкм), полученными с помощью ионной имплантации бора и фосфора.

44

Для изготовления детекторов из сверхчистого германия с имплантированными контактами используются подходы, которые, в основном, различаются значениями доз внедренных ионов (фосфора, бора) и температурными режимами отжига радиационных дефектов. Поэтому были выполнены исследования с целью оптимизации указанных параметров.

Ионы бора и фосфора имплантировались с энергиями 10–30 кэВ и дозами 1013–1015 ион/см2. Имплантация проводилась при комнатной температуре. Ошибка в определении дозы не превышала 5 %. Для измерений использовались образцы из HPGe p-типа проводимости с разностной концентрацией (Na − Nd) = 3·1010 см-3, толщиной 2 мм и диаметром 20 мм.

Перед имплантацией образцы подвергались кратковременному травлению в смеси плавиковой и азотной кислот (HF:HNO3) и промывке в деионизованной воде. Отжиг радиационных дефектов выполнялся в вакууме (10-6 Па), при температурах 100−400 оС, длительностью 30 мин. Охлаждение образцов после отжига проводилась со скоростью 2 °С/мин. После имплантации пластины снова кратковременно травились и промывались. При этом имплантированные поверхности защищались кислотостойкой пленкой. Поверхностное сопротивление R на образцах измерялось методом Ван-дер-Пау.

Известно, что термообработка германия существенно изменяет электрические и структурные свойства этого материала. Как показали наши исследования, нагрев сверхчистого германия при температурах выше 400 °С приводит к конверсии типа проводимости и значительному снижению удельного сопротивления. По-видимому, при таком режиме термообработки возникают дополнительные акцепторные и донорные примеси, сильно снижающие время жизни до значений порядка нескольких микросекунд, и указанные изменения определяются медью, диффундирующей с поверхности или ранее осажденной на дислокациях, агрегатах вакансий и других дефектах структуры. Поэтому для определения оптимальной температуры исследуемые образцы нагревались не выше 400 °С.

Было установлено, что качество имплантированных контактов определяется распределением внедренных ионов по глубине и нарушениями структуры кристалла. В свою очередь, нарушения кри-

45

сталлической решетки зависят от энергии, дозы, массы и от температуры отжига радиационных дефектов. Значительные дозы могут приводить к образованию аморфного слоя, расположенного над областью с локальными нарушениями решетки. Для восстановления нарушенного слоя требуется более высокая температура, чем для восстановления областей с локальными нарушениями. Более того, даже при высоких температурах аморфный слой часто не восстанавливается из-за существования предела растворимости.

На рис. 2.19 и 2.20 показаны зависимости поверхностного сопротивления R имплантированных слоев от температуры отжига для разных доз и энергий внедренных ионов. Эти зависимости для бора и фосфора существенно различаются. Из представленных данных видно, что на поверхности, облученной ионами бора в различных режимах, величина сопротивления остается практически постоянной.

Рис. 2.19. Зависимость поверхностного сопротивления имплантированного слоя (а – бор, б – фосфор) от температуры отжига для разных доз ( – 1013 см-2,

– 1014 см-2, • – 1015см-2) при энергии имплантации 30 кэВ

Температурная обработка приводит лишь к незначительным изменениям R при T ≥ 250 °С. Это объясняется тем, что средний пробег ионов бора относительно велик из-за их малой массы, поэтому распределение этих ионов по глубине имеет длинный

46

«хвост». При дозах 1016 см-2 разрушения решетки так малы, что аморфный слой не образуется. Следовательно, после имплантации бора при энергиях 40 кэВ и дозах до 1015 см-2 отжиг радиационных дефектов можно не проводить.

Рис. 2.20. Зависимость поверхностного сопротивления имплантированного слоя (а – бор, б – фосфор) от температуры отжига для разных энергий внедрения

( – 15 кэВ, – 30 кэВ, • – 40 кэВ) при доза имплантации 1014 см-2

Для ионов фосфора при дозах не более 1014 см-2 и энергиях до 40 кэВ наблюдается минимум сопротивления при температуре 350 °С. Это обусловлено тем, что средний пробег и длина «хвоста» распределения ионов фосфора в 3 раза меньше по сравнению с бором, и уже доза 1015 см-2 приводит к образованию аморфного слоя. Поэтому при внедрении фосфора оптимальным является следующий режим: энергия ионов ≤ 35 кэВ, доза ≤ 1014 см-2, температура отжига ≤ 350 °С. Кроме того, для получения качественных детекторов большой площади ( 10 см2) желательно выполнить повторную имплантацию при высоких дозах и нанести металлизацию имплантированных слоев. Это позволит значительно увеличить поверхностное сопротивление выпрямляющих и омических контактов, а следовательно, уменьшить обратный ток детектора.

Исходным материалом для изготовления имплантированных детекторов служил монокристаллический HPGe p- и n-типа проводимости с разностной концентрацией: (Na − Nd ) = 0,7·1010 см-3 и

47

0,5·1010 см-3 соответственно. Размеры образцов: диаметр 26 мм, толщина 3 мм (p-тип) и 6 мм (n-тип). Плоскости образцов ориентированы перпендикулярно кристаллографической оси [100]. Перед имплантацией проводилась механическая и химическая подготовка образцов, которая включала следующие этапы: вырезку охранных колец (канавок, глубиной 2/3 толщины образца), последовательную шлифовку поверхностей, травление в смеси кислот HF:HNO3 (1:3), обезжиривание и отмывку в деионизованной воде.

Структуры опытных образцов с имплантированными контактами показаны на рис. 2.21.

Рис. 2.21 Структура имплантированных HPGe-детекторов

Следует отметить, что непосредственно перед имплантацией кристаллы подвергались кратковременному травлению в смеси кислот HF:HNO3. Параметры ионного внедрения приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6. Параметры ионного внедрения

Размер пучка в плоскости имплантации: ширина 10 мм (неоднородность ≤1 %), высота 120 мм (неоднородность ≤10 %). Для получения однородности распределения дозы по поверхности осуществлялось сканирование пучка за счет постоянного механического

48

движения образцов в процессе имплантации. Для исключения эффектов каналирования кристаллы располагались так, что угол между направлением пучка и кристаллографической осью [100] был 8о.

Отметим, что сначала проводилось внедрение фосфора в образцы как p-типа, так и n-типа проводимости. В одном случае создавался n+n-p-переход, в другом – омический n+-контакт. После имплантации образцы помещались на 15 минут в водный раствор плавиковой кислоты (HF:H2O (1:7)) для снятия окисной пленки. Отжиг радиационных дефектов выполнялся в вакууме при Т = = 350 °С в течение 30 мин. Скорость охлаждения образцов после отжига поддерживалась на уровне 2 °С/мин.

Перед имплантацией бора кристаллы снова кратковременно травились. При этом имплантированные фосфором поверхности защищались кислотостойкой пленкой. В результате внедрения ионов бора формировался p+p-n-переход на n-типе и омический p+- контакт на p-типе. Важно отметить, что отжиг дефектов после внедрения бора не проводился.

Завершающий этап изготовления детекторов включал кратковременное травление охранных колец, промывку в деионизованной воде и метиловом спирте. Образцы упаковывались в капсулы с прижимными электрическими контактами, позволяющими выполнять измерения электрических и спектрометрических характеристик детекторов при охлаждении до температуры жидкого азота.

Первоначальными показателями качества полупроводникового детектора являются его вольт-амперная (V–I) и вольт-фарадная (V– C) характеристики, представленные на рис. 2.22. Видно, что полное обеднение для детекторов из p-типа наступает при V = 30 В, а для детекторов из n-типа – при V = 65 В. Как показали измерения, изготовленные детекторы выдерживают напряжения, значительно превышающие напряжения полного обеднения (в 3 раза для p-типа и в 5 раз для n-типа), без заметного ухудшения спектрометрических параметров. Это важный факт для экспериментов, где требуются хорошие временные свойства детектора.

Оценка толщины входных окон была выполнена из измерений спектров α-частиц 238Pu (Еα 5,5 МэВ). Облучение α-частицами проводилось со стороны p-n-переходов и со стороны омических контактов детекторов. Отметим, что пробег α-частиц 238Pu в герма-

49

нии составляет 16 мкм. Расчетные оценки глубины залегания имплантированных ионов, сделанные согласно теории Линдхарда, дают величины 0,04 мкм для фосфора и 0,05 мкм для бора. Измерения с помощью α-частиц показали, что толщина входных окон исследованных детекторов не превышает 0,1 мкм.

Рис. 2.22. Зависимости обратных токов и емкости имплантированных HpGe-детекторов

от приложенного напряжения

На рис. 2.23 представлено характерное поведение спектров α- частиц при облучении со стороны омического контакта в зависимости от приложенного к детектору напряжения. Рис. 2.24 демонстрирует спектры α-частиц, полученные при облучении детекторов со стороны выпрямляющего контакта.

Исследования характеристик детекторов показали, что они обладают также и хорошими спектрометрическими параметрами при измерениях γ-квантов. В отличие от опытов с α-частицами эти измерения проводились с охлаждаемым первым каскадом предусилителя. Энергетическое разрешение Е имплантированных детекторов в из- меренияхсγ-квантамипоказановтабл. 2.7.

Таблица 2.7. Энергетическое разрешение имплантированных детекторов

50