книги из ГПНТБ / Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений

Детекторы с ионным легированием

Ионное легирование производится облучением пластины по­ лупроводника ионами, ускоренными до высоких энергий. Техно­ логия ионного легирования позволяет сохранить исходные пара­ метры материалов в процессе изготовления приборов и предо­ ставляет большие возможности для создания требуемого рас­ пределения вводимых примесей [82—84]. В частности, эти воз­ можности использованы для изготовления на одной пластине кремния двух отдельных детекторов, расположенных последо­ вательно: толстого — для определения энергии и тонкого — для определения линейных потерь энергии [84].

Визготавливаемых по технологии мойного легирования ФЭП

идетекторах с р—«-переходом [83, 85, 86] практически сохра­ няются исходные времена жизни неравновесных носителей, так как отжиг после облучения ионами (единственная операция, связанная с высокотемпературной обработкой) производится

всего при 400—600° С. Токи утечки и толщина мертвого слоя у этих детекторов меньше, чем у обычных, и в то же время они стабильны в работе [86]. Разброс параметров, изготовленных по такой технологии детекторов, не превышает ±5% по срав­ нению с ±25% для детекторов, изготовленных по обычной диффузионной технологии.

Диффузионно-дрейфовые Р — і — «-детекторы

Технология изготовления кремниевых р—і—и-детекторов [17, 30, 87, 88] основана на использовании аномально большой подвижности атомов лития (на четыре — семь порядков по срав­ нению с другими элементами) в кремнии при температурах до 500° С. Это обусловлено малым радиусом иона Li, в результате чего возможно перемещение лития в кремнии между атомами [89]. На поверхности подготовленного образца кремния р-типа диффузией лития формируется «-слой толщиной 0,1—0,2 мм. Ионы лития под действием приложенного внешнего электриче­ ского поля дрейфуют в сторону p-слоя, компенсируя акцептор­ ную примесь. Образуется слой с проводимостью, близкой к соб­ ственной (/-слой).

Дрейф продолжается непрерывно, так как со стороны «-слоя в обедненную область входят ионы лития, которые тут же под­

80

Темновой ток в р—Z—«-детекторах определяется в основном генерационным током носителей, возникающих в /-слое (/г;) и током утечки по поверхности. В диодном режиме диффузион­ ная составляющая /дпф<С/гг-, и ее обычно не учитывают.

В «идеальном» р—і—«-детекторе толщина і-области не долж­ на зависеть от напряжения смещения при //> 0,025 в, и ток генерации In при полном собирании носителей равен [90]

В действительности сопротивление /-области меньше собст­ венного сопротивления кремния и изменяется с толщиной [91,. 92]. В слабых электрических полях в полупроводнике с собст­ венной проводимостью скорость дрейфа одновременно возникаю­ щих дырок и электронов не зависит от напряжения смещения

(и) и определяется величиной коэффициента биполярной диф­

нов (дырок) /-области. Физический смысл этого уравнения за­ ключается в том, что число носителей, разделяемых на і — р- и « — /-переходах, экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния от места их образования до переходов.

Из изложенного выше ясны причины появления участка «на­ сыщения» тока / т на обратной ветви в. а. х. только при ///>20 в (см. рис. 4.5,6, кривые 2, 8). Если ток /п сравним с током In, то /т на в. а. х. увеличивается с ростом напряжения смещения быстрее чем /У0’5 (см. рис. 4.5,6, кривая 7). Уменьшение то­ ка /т достигается за счет выбора исходного материала и гео­ метрии детектора. Параметры материала определяют в основ­ ном величину тока Ігі, а геометрия детектора и обработка боко­ вой поверхности — величину тока утечки. Материал для изготов­ ления ППД с малым током In должен быть высокоомным Тн~10_3 сек [90]. Для уменьшения поверхностной составляю­ щей тока /п детектору придают специальную форму («чашеоб­ разная» /-область в середине пластинки с р-проводимостыо, при­ меняют кольцевые выемки).

Инжекция носителей из контактов в /-слой и изменение вре­ мени жизни носителей в нем обусловливают [95—97] отличие прямой ветви в. а. х. приборов с р—Z—«-структурой от описы­ ваемой уравнением (4.21) при //<0,025 в. Поэтому значения

81

Шумы в детекторах с в. а. х., имеющей участок насыщения тока /т, связаны с генерацией пар в объеме и на поверхности.

Из числа специальных типов детекторов с р—I—«-перехода­ ми в дозиметрии используются [98—100] так называемые ми- 'ниатюрные р—і—«-детекторы (см. табл. 4.1). Их изготавливают по обычной технологии или путем разрезания на элементы ■стандартных детекторов (SÄ H см2), с последующей обработкой боковых поверхностей известными приемами полупроводниковой технологии. В миниатюрных р—і—«-детекторах ток /,г сравним

Поверхностно-барьерные детекторы

Поверхностно-барьерные детекторы изготавливаются нанесе­ нием металла на предварительно обработанную пластинку по­ лупроводника (базу).

Физические процессы, обусловливающие образование поверх­ ностного барьера между металлом и полупроводником, покры­

(с обратной проводимостью) слоя. В дырочном кремнии «-слой на поверхности образуется в результате травления, причем силь­ ный инверсионный слой существует только несколько часов после травления [103].

Этим обусловлена и последовательность операций при изго­ товлении детекторов: золото наносят на пластинку «-типа, вы­ держанную несколько десятков часов на воздухе *, напыление -алюминия при изготовлении детектора из кремния p-типа про­ изводят непосредственно после травления.

В настоящее время изготовление детекторов из кремния р- тнпа значительно сложнее по сравнению с детекторами из крем­ ния «-типа [104—107]. Однако детекторы на дырочном кремнии имеют повышенную радиационную стойкость, высокоомный кремний p-типа однородней и более доступен.

Достаточно сложной задачей при изготовлении поверхност­ но-барьерных детекторов является получение на высокоомном кремнии малошумящих и стабильных контактов. В детекторах AuSi-типа хорошим контактом считается никелевый или алю­ миниевый, в детекторах на основе кремния p-типа удовлетво­

* В литературе поверхностно-барьерные детекторы с золотым передним контактом и базой «-типа часто обозначают термином «детекторы AuSi-типа».

рительные результаты получают при использовании эвтектики

ZnGa [103].

Прямая ветвь в. а. х. поверхностно-барьерных детекторов (см. рис. 4.5, а) удовлетворительно описывается уравнением (4.21) при напряжении U<L0,2 в. Аномально большие сопротив­ ления Ro и низкие токи утечки свидетельствуют о превращении тыльного контакта в выпрямляющий (см. рис. 4.5, о, кривая 6). Детекторы с такой прямой ветвыо в. а. х. обычно непригодны для работы в вентильном режиме.

Обратный ток поверхностно-барьерных детекторов обычно в несколько раз превышает рассчитанный по формулам (4.11), (4.12) из-за токов утечки. Объемная составляющая тока утечки коррелирует с плотностью дислокаций и, по-видимому, обуслов­ лена возникновением микроплазм [108]. Уточненный расчет

рального электрода, являющегося измерительным, наносят за­ щитное кольцо, на которое напряжение смещения подается че­

[111—ИЗ], выдерживающие обратное напряжение до 2000— 4000 в (d0 = 2—4 мм). Однако детекторы с таким толстым обед­ ненным слоем изготавливают сравнительно с малой площадью- (0,5—1 см2) из-за неоднородности исходного кремния с боль­ шим сопротивлением. В обычных поверхностно-барьерных ППД поглощением фотонного излучения при £ .> 1 0 кэв в золоте- (толщина 50—100 мг/см2) можно пренебречь, так как оно не

генерационно-рекомбинационной и диффузионной составляющи­ ми тока. Дополнительным источником шумов являются контак­ ты. Избыточный шум Еши обратно пропорционален частоте и коррелирует с током утечки, который зависит от количества ди­ слокаций. Энергия Диш~70 кэв/мка [108].

Из специальных типов поверхностно-барьерных детекторов в дозиметрии используются тонкие (до 20—50 мкм) детекторы [114] и фоточувствительные ППД, работающие в сочетании со сцинтилляторами (см .гл .5).

Поверхностно-барьерные детекторы на основе кремния, ком­ пенсированного литием, близки по своим свойствам к р—і—п- детекторам.

Поверхностно-барьерные ППД по сравнению с другими типа­ ми детекторов относительно просты в изготовлении, им легко придать нужную форму. Ширину чувствительной области можно изменять за счет напряжения U. К числу недостатков следует отнести нестабильность в работе и повышенный шум на кон­ тактах.

83-

§4.4. ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕТЕКТОРОВ

Ср — «-ПЕРЕХОДОМ

Измерение сигналов

альной схеме. Кроме стандартных методов измерения указан­ ных величин используется метод преобразования импульсов тока ППД в последовательность прямоугольных импульсов, дли­ тельность которых пропорциональна амплитуде [ 1J5, 116]. При нулевом пороге дискриминации среднее значение тока на вы­ ходе схемы с амплитудно-временным преобразованием про­ порционально току детектора. Преимущество этой схемы — сни­ жение порога чувствительности на один, два порядка по срав­ нению со стандартными схемами [117, 118].

При вентильном включении ППД ток (напряжение) на на­ грузочном резисторе RH измеряется одним из стандартных ме­ тодов или используется компенсационная схема [119].

Как будет показано в дальнейшем, для обеспечения линей­ ной зависимости между мощностью дозы Р и током /„ необхо­ димо, чтобы напряжение U на р—«-переходе не превышало 5— 10 мв. В компенсационной схеме ток /к определяется при U-С <С5 мв. Поэтому компенсационная схема имеет преимущества при измерении большой мощности дозы.

Входное окно и чувствительный объем

Непосредственно за мертвым слоем толщиной dM(см. рис. 4.1) расположен слой полупроводника, в котором неравновесные но­ сители рекомбинируют [ПО] до их разделения на р—/г-перехо­ де (dM1 на рис. 4.1). Эти слои образуют входное окно ППД с эф­ фективной толщиной ^м.эф= ^м-г ^мь поглощение излучения в котором уменьшает дозовую чувствительность. Практически ■dM.эф максимальна у р—і—«-детекторов, где она может дости­ гать 0,2 мм (0,5—5 мкм у ППД других типов). Поэтому нали­ чие входного окна необходимо учитывать только при Еу < <15 кэв. Отметим, что толщина efM.эф уменьшается с ростом напряжения смещения U из-за увеличения d0 в соответствии с уравнениями (4.3) и (4.4). Эффективную толщину мертвого слоя dM.эф определяют по зависимости амплитуды импульсов от ори­

либо электронами различной энергии [129].

Чувствительный объем состоит из областей ППД, образова­ ние неравновесных носителей в которых приводит к появлению

84

фототока /ф. Величина чувствительного объема может быть оп­ ределена расчетно (по известным значениям L„, LP и d0) или экспериментально скеннированием ППД «узким» пучком излу­ чения [123—125J. Данные о толщине чувствительного слоя можно получить и из зависимости параметров детекторов от напряжения смещения [126, 127].

Чувствительный объем зависит от площади входного окна,

Эффективная толщина чувствительного слоя зависит от геомет­ рии ППД, скорости поверхностной рекомбинации и коэффициен­ та щ. Она равна толщине чувствительного слоя ППД с полным собиранием носителей при других параметрах, таких же как у рассматриваемого ППД.

Если ап = 1; ар—1 и /ігД.<СІ, эффективная толщина L r равна

зависит от схемы включения ППД. Максимальная дозовая чув­ ствительность не зависит от схемы включения ППД и дости­

пользовать в качестве критерия при оценке чувствительности ППД к ионизирующему излучению.

При облучении ППД пучком, направленным перпендикуляр­ но к р—/і-переходу (см. рис. 4.1), фототок /ф, согласно (4.15) — (4.17), с учетом (3.21) пропорционален мощности дозы Р толь­ ко тогда, когда Lr не зависит от энергии квантов излучения Еу.

При вентильном включении ППД толщина d0 меньше или сравнима с диффузионными длинами Еи, обычно не превышаю­ щими у кремниевых ППД 0,5 мм, т. е. условие pzLH<cl выпол­

где /im — линейный коэффициент поглощения.

85

Для кремниевых ППД 5 — площадь, см2; Рэ— мощность дозы, р]сек\ Iф — ток, мка при со = 3,5 эв; множитель е87/со = 2,48.

Фототок детекторов с асимметричным р—я-переходом, тол­ стой базой (для определенности р-типа см. рис. 4.1) при незна­ чительном поглощении в переднем и обедненном слоях (это условие обычно выполняется при Еѵ >15 кэв) и при отсутствии

При приближенном учете рекомбинации на поверхностном контакте расчетное значение сіп в (4.37) принимается несколько

Рис. 4.6. Зависимость тока короткого замыкания / к. 3 от толщины алюминиевого фильтра при различной энергии.

меньше глубины расположения р—я-перехода (0,5—-0,8 см. рис. 4.1).

Для большинства кремниевых ППД с Д.<1 мм значение /ф, определенное по приближенной формуле (4.37) при Еу >15 кэ& будет отличаться не более чем на 5% по сравнению с рассчи­ танным по уравнению (4.36).

Необходимо отметить, что значения /ф, рассчитанные по уравнению (4.37), могут существенно отличаться от экспери­ ментально измеренных. Это обусловлено погрешностями в опре­ делении чувствительного объема детектора. Отклонение расчета от эксперимента возникает также при отсутствии электронного равновесия. На рис. 4.6 приведена зависимость тока /к.3 от тол­ щины алюминиевого фильтра йф, помещенного непосредственно на чувствительной поверхности диффузионного детектора (Lr^300 мкм). Рост /к.з с увеличением толщины йф [вместо егоэкспоненциального падения, согласно (4.36)] происходит в ре­ зультате поглощения в чувствительном объеме ППД электронов и рассеянного излучения, возникающих в фильтре. Увеличение-

зтем больше, чем выше энергия падающего излучения. При

Е=1,25 Мэв ток / к. з достигает максимума, возрастая в 2,3 раза;

86

при dt])~2 мм. Методика расчета Іф при отсутствии электронного равновесия приведена в работе [128].

Увеличение /ф за счет поглощения в ППД характеристиче­ ского излучения от близко расположенного фильтра не превы­ шает обычно 10—30%. Для кремниевых ППД такое увеличе­ ние /ф имеет место при 30 кэв<Еѵ <115 кэв и фильтрах на ос­

диффузией. Для определения фототока при равномерном рас­ пределении неравновесных носителей по объему р—і—л-детек-

Расчетное значение Іфі, по (4.38) [9] приблизительно вдвое

.меньше Іфі, согласно (4.39), если d,-/Li~0,1; при больших зна­ чениях di/Li это отличие уменьшается и при 1 расчет­ ные значения токов по обеим формулам практически совпадают. Если при вычислении Іфі учесть ослабление в /-слое и использо-

.вать модель, предложенную в работе [93], то вместо уравне­ ния (4.39) получаем:

Диффузионные составляющие токов в р—/—/г-детекторах ■определяют по уравнению (4.36) или (4.37) без учета состав­ ляющей тока /ф от обедненного слоя do.

Необходимо также отметить следующую особенность JP—/—и-детекторов. Из формул (4.23), (4.40) следует, что изме­ нение коэффициента поглощения излучения должно приводить только к изменениям Іфі. При фотовольтаическом включении детектора связь между /ф и напряжением холостого хода одно­ значна и не зависит от величины цг. Экспериментально это под­ тверждается для всех рассмотренных ППД, за исключением р—/—/г-детекторов. В частности, при облучении этих детекто-

87

ляющая тока Л|>; «г*— показатель степени, равный 0,5 при сту­ пенчатом и 0,33 — при плавном р—«-переходах.

Увеличение / ф с ростом U происходит до тех пор, пока от­ ношение dn/ L v^> 1. Приближение границы Диффузионного соби­

которой с осью ординат при U t= —1 происходит при Іф — Іф. д. Это позволяет по экспериментальным данным раздельно изучать поведение каждой составляющей тока, определить отношение толщины обедненного слоя к диффузионной длине неравновес­ ных носителей. Увеличение /ф с ростом U# у детекторов с диф­ фузионным р—«-переходом не превышает 15—30% при пре­ дельно допустимых значениях U даже у ППД на основе относи­ тельно высокоомного кремния [ 129J.

У детекторов, хранившихся длительное время при комнатной температуре, напряжение U, соответствующее участку насыще­ ния Іфі, больше, по сравнению с таким же напряжением у не­ давно изготовленных детекторов. Это можно объяснить сле­ дующим. В области малых напряжений ток Іфі обусловлен би­

растает, это приводит к увеличению тока по амплитуде. На рис. 4.7, б показана зависимость Ли от положения узкого (0,1 мм) пучка рентгеновского излучения, направленного парал­ лельно р—і—я-переходу при различных U. В «старом» детек­ торе из-за диффузии ионов лития толщина і-слоя может умень­ шиться. Однако рядом с г-слоем находится материал с высоким удельным сопротивлением. В результате подачи напряжения толщина г-слоя увеличивается, аналогично рассмотренному ранее ППД с р—«-переходом. На рис. 4.7, б видно смещение области уменьшения Ліи вправо. Более подробно зависимость сигнала на выходе р—і—«-детектора от положения зонда рас­ смотрена в работах [123—125].

Таким образом, увеличение Ліи с ростом U существенно только для р— і—«-детекторов.

Счетный режим. Скорость счета на единицу мощности дозы излучения определяется формулой (1.56). Если pzd„<§Cl, то дозовая чувствительность в счетном режиме определяется объемом обедненной области, так как время дрейфа существенно меньше времени диффузии (см. § 4.7) и диффузионная составляющая

88

тока Iф практически не участвует в формировании амплитуды импульса.

В отсутствие электронного равновесия скорость счета на единицу мощности экспозиционной дозы нелинейно зависит от чувствительного объема, возрастая с его уменьшением; при рав­ ных объемах она зависит от отношения площади к толщине обедненной области [131].

при облучении квантами с Еу >200 кэв число импульсов умень­ шается приблизительно линейно с ростом их амплитуды [132, 133]. С увеличением напряжения смещения чувствительность увеличивается за счет роста d0. Зависимость чувствительности от толщины обедненной области практически линейна. Одновре­ менно с ростом чувствительности увеличиваются и шумы. Ско-

89