RU2386982C1 - Detector of ionising radiations - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: in solid-state detector of ionising radiations, comprising semiconductor substrate with ohm contact to its rear side, with semiconductor layer arranged on its front side as isotopic to substrate, with semiconductor high-ohm layer arranged on this layer, with a layer of conductivity type that is opposite to substrate arranged on high-ohm layer and contact layer arranged on the latter, - besides the last two layers are arranged in the form of galvanically non-related areas, - additionally a microstructured layer of diamond C* is added as weakly alloyed with acceptors and arranged on above mentioned contact layer, and the second contact layer arranged on face side of specified diamond microstructured layer.

EFFECT: improves sensitivity of detector.

3 dwg

Description

Изобретение относится к твердотельным детекторам ионизирующих излучений.The invention relates to solid-state detectors of ionizing radiation.

Твердотельные детекторы ионизирующих излучений являются элементной базой диагностических систем атомных предприятий, геологической разведки, экологического мониторинга окружающей среды и медицинской техники.Solid-state detectors of ionizing radiation are the elemental base of the diagnostic systems of nuclear plants, geological exploration, environmental monitoring of the environment and medical equipment.

Известны детекторы ионизирующих излучений, принцип действия которых основан на ионизации рабочего газа и пропорциональном преобразовании энергии кванта (частицы) в ток упомянутых ионов [1].Known ionizing radiation detectors, the principle of which is based on the ionization of the working gas and the proportional conversion of the energy of a quantum (particle) into the current of the mentioned ions [1].

Основным достоинством таких детекторов является высокая стойкость к дозовым радиационным нагрузкам. К их недостаткам относится неудовлетворительное пространственное разрешение, что препятствует их использованию в системах позиционирования пучка и распознавания плоских изображений.The main advantage of such detectors is their high resistance to radiation dose rates. Their disadvantages include poor spatial resolution, which prevents their use in systems for beam positioning and recognition of flat images.

В качестве прототипа изобретения предлагается использовать кремниевый твердотельный детектор барьерного типа [2]. Он представляет собой многоэлементный детектор, выполненный на основе барьерной кремниевой p-i-n структуры, использование которой обеспечивает возможность устранения рекомбинационных каналов внутри i-слоя посредством обратного смещения структуры и практически обеспечивает 100% разделение информативных неравновесных носителей со считыванием заряда во внешнюю цепь. Конструкция такого детектора представляет кремниевую подложку с омическим контактом к ее тыльной стороне, несущую многослойную структуру из последовательно расположенных друг на друге следующих полупроводниковых кремниевых слоев: изотипного подложке слоя (например, для подложки n-типа проводимости, слоя n-типа проводимости), высокоомного слоя с проводимостью, близкой к собственной, и высоколегированного слоя, противоположного подложке типа проводимости, с омическим контактом к нему; при этом высоколегированный слой противоположного подложке типа проводимости вместе с контактным слоем разделен на гальванически несвязанные области изолирующими областями (например, разделен воздушным промежутком посредством травления «мез»). Толщины и уровни легирования (уровни концентраций доминирующих равновесных носителей) слоев задают исходя из условий конкретных решаемых задач (типа и энергии детектируемых излучений), и диапазоны их составляют обычно следующие величины: несущая подложка толщиной 300…700 мкм легирована донорами до концентраций As a prototype of the invention, it is proposed to use a silicon solid-state detector of the barrier type [2]. It is a multi-element detector based on a silicon p-i-n barrier structure, the use of which provides the ability to eliminate recombination channels inside the i-layer by reverse biasing the structure and practically provides 100% separation of informative nonequilibrium carriers with charge sensing into an external circuit. The design of such a detector is a silicon substrate with an ohmic contact to its rear side, carrying a multilayer structure of the following semiconductor silicon layers sequentially arranged on top of each other: an isotype layer substrate (for example, for an n-type conductivity substrate, an n-type conductivity layer), a high-resistance layer with conductivity close to intrinsic, and a highly doped layer opposite the conductivity type substrate, with ohmic contact to it; in this case, the highly doped layer of the type of conductivity opposite to the substrate, together with the contact layer, is divided into galvanically unconnected regions by insulating regions (for example, it is separated by an air gap by means of “mes” etching). The thicknesses and doping levels (concentration levels of the dominant equilibrium carriers) of the layers are determined on the basis of the conditions of the specific problems being solved (the type and energy of the detected radiation), and their ranges are usually the following values: a carrier substrate 300–700 μm thick is doped with donors to concentrations

10¹⁷…10¹⁹ см^-3, слой, изотипный подложке (например, n-слой), толщиной 0,5…10,0 мкм с уровнем легирования донорной примесью ~10¹⁷…10¹⁹ см^-3; i-слой (приемный слой) толщиной от 5 мкм до 500 мкм при уровне загрязнения фоновой примесью не выше 10 ¹⁷ ... 10 ¹⁹ cm ^-3 , a layer isotypic to the substrate (for example, the n-layer), 0.5 ... 10.0 microns thick with a doping level of donor impurity of ~ 10 ¹⁷ ... 10 ¹⁹ cm ^-3 ; i-layer (receiving layer) with a thickness of 5 μm to 500 μm with a level of contamination of the background impurity not higher

10¹³ см^-3; p-слой имеет толщину от 0,1 мкм до 0,5 мкм при легировании примесью акцепторного типа до уровня ~10¹⁷…10¹⁹ см^-3.10 ¹³ cm ^-3 ; The p-layer has a thickness of 0.1 μm to 0.5 μm when doped with an acceptor-type impurity to a level of ~ 10 ¹⁷ ... 10 ¹⁹ cm ^-3 .

Пороговая чувствительность таких детекторов ограничивается токами утечек барьерных контактов и уровнем собственных шумов (в частности, уровнем генерационно-рекомбинационного шума). Исполнение такого детектора в виде многоэлементной конструкции позволяет существенно повысить пространственное разрешение (до 10 мкм), что дает возможность активно использовать Si p-i-n детекторы для задач, связанных с позиционированием пучка, и для дефектоскопии.The threshold sensitivity of such detectors is limited by the leakage currents of the barrier contacts and the level of intrinsic noise (in particular, the level of generation-recombination noise). The design of such a detector in the form of a multi-element design can significantly increase the spatial resolution (up to 10 μm), which makes it possible to actively use Si p-i-n detectors for tasks related to beam positioning and for flaw detection.

Однако в ряде задач, пороговой чувствительности даже этих детекторов оказывается недостаточно. В частности, это характерно при попытках их использования в системах экологического мониторинга либо в системах медицинской диагностики. Причина тому - необходимость работы с чрезвычайно слабыми потоками ионизирующих излучений. Так, при экологическом мониторинге местности, в силу загрязнения остаточными радионуклидами самого материала датчика (кремния), при дозиметрических измерениях детектор, подчас, начинает регистрировать собственный радиационный фон. Те же требования к повышению чувствительности возникают и в медицинских применениях, например при техническом обеспечении диагностических методик радиологических центров. В частности, при типичных для полупроводниковых детекторов (ППД) на основе кремния токах утечки ~5·10^-10 A на ячейку в дозиметрических системах контроля с постоянной времени обработки информации ~1 мкс возможна регистрация одиночных квантов лишь в области энергий, превышающих 20 кэВ. Очевидно, что для безопасности пациентов и обслуживающего персонала предпочтительным является воздействие на них малых доз и энергий.However, in a number of tasks, the threshold sensitivity of even these detectors is not enough. In particular, this is characteristic of attempts to use them in environmental monitoring systems or in medical diagnostic systems. The reason for this is the need to work with extremely weak flows of ionizing radiation. So, during environmental monitoring of the area, due to contamination with the residual radionuclides of the sensor material itself (silicon), during dosimetric measurements, the detector sometimes starts to register its own radiation background. The same requirements for increasing sensitivity arise in medical applications, for example, with the technical support of diagnostic methods of radiological centers. In particular, with leakage currents ~ 5 × 10 ^-10 A per cell typical for silicon-based semiconductor detectors (PDDs) in dosimetric monitoring systems with an information processing time constant of ~ 1 μs, it is possible to register single quanta only in the energy region exceeding 20 keV. Obviously, for the safety of patients and caregivers, exposure to low doses and energies is preferable.

Указанный недостаток прототипа предлагается устранить посредством изготовления однокристальной конструкции, схематически представленной на фиг.1-3, позволяющей перед регистрацией входного потока ионизирующего излучения приемно-преобразовательным высокоомным i-слоем Si p-i-n структуры производить полное либо частичное его преобразование в алмазном слое в поток вторичных электронов с умножением их числа и последующим вводом вторичных электронов в высокоомный i-слой Si p-i-n детекторной структуры.This disadvantage of the prototype is proposed to be eliminated by manufacturing a single-chip structure, schematically shown in FIGS. 1-3, which allows, before registering the input stream of ionizing radiation with a high-resistance i-layer Si pin structure, to fully or partially convert it in a diamond layer to a stream of secondary electrons with by multiplying their number and then introducing secondary electrons into the high-resistance Si pin i-layer of the detector structure.

Предлагается в детектор ионизирующих излучений, содержащий полупроводниковую подложку 1 с омическим контактом 2 к ее тыльной стороне, с расположенными на ее лицевой стороне последовательно друг на друге изотипным подложке полупроводниковым слоем 3, полупроводниковым высокоомным слоем 4, полупроводниковым слоем 5 противоположного подложке типа проводимости, контактным слоем 6, при этом последние два из упомянутых слоев 5 и 6 выполнены в виде гальванически не связанных областей (например, отделены воздушными промежутками 7 посредством травления «мез»), дополнительно ввести микроструктурированный (например, выполненный в виде сетки с ячейками микронного либо субмикронного размера) слой 8 из алмаза (С*), слаболегированный акцепторами и расположенный на упомянутом контактном слое 6, и второй контактный слой 9, расположенный на лицевой стороне слоя 8.It is proposed in an ionizing radiation detector comprising a semiconductor substrate 1 with an ohmic contact 2 to its rear side, with a semiconductor layer 3, a semiconductor high-resistance layer 4, a semiconductor layer 5 opposite to a conductivity type substrate, a contact layer located on its front side sequentially on another isotype substrate 6, while the last two of the said layers 5 and 6 are made in the form of galvanically unconnected areas (for example, separated by air gaps 7 by means of herbs Mez), additionally introduce a microstructured (for example, made in the form of a grid with micron or submicron size cells) layer 8 of diamond (C *), lightly doped with acceptors and located on the said contact layer 6, and the second contact layer 9, located on front side of layer 8.

На фиг.1-3 представлены схематическое изображение предлагаемого детектора (фиг.1) и его проекции в направлениях А-А (фиг.2) и ВВ (фиг.3), где введены следующие обозначения:Figure 1-3 presents a schematic representation of the proposed detector (figure 1) and its projection in the directions aa (figure 2) and BB (figure 3), where the following notation is introduced:

1 - полупроводниковая подложка, 2 - омический контакт к тыльной стороне подложки, 3 - изотипный подложке полупроводниковый слой, 4 - высокоомный приемно-преобразовательный слой, 5 - полупроводниковый слой противоположного подложке типа проводимости, 6 - контактный слой, 7 - воздушные зазоры (изолирующие промежутки), 8 - микроструктурированный слой из алмаза, С*, 9 - второй контактный слой, 10 - межэлектродная изоляция.1 - semiconductor substrate, 2 - ohmic contact to the back side of the substrate, 3 - semiconductor layer isotypic to the substrate, 4 - high-resistance receiving and converting layer, 5 - semiconductor layer opposite the conductivity type of the substrate, 6 - contact layer, 7 - air gaps (insulating gaps ), 8 — microstructured diamond layer, C *, 9 — second contact layer, 10 — interelectrode insulation.

Положительный эффект (повышение чувствительности детектора по сравнению с прототипом) обеспечивается тем, что область микроструктурированного слоя из алмаза (С*) р-типа проводимости, в силу отрицательного значения энергии сродства у алмаза к электрону, будет вести себя по отношению к потоку ионизирующих излучений как умножитель потока частиц. Действительно, согласно [3] существует простая связь между количеством вторичных (δ-электронов) электронов и энергией первичной частицы

(здесь ε~10 эВ, есть энергия образования по ионизационному механизму в алмазе δ-электронов). Так, при энергии первичной частицы ~1 МэВ, одной первичной частицей в микроструктурированной алмазной пленке будет рождено 100000 вторичных электронов. Поэтому вторичные электроны, родившиеся в алмазной сеткообразной пленке, в случае если расстояние между порами (ячейками) сетки не превышает диффузионной длины электрона в алмазе с вероятностью, близкой к единице, покинут пленку, выйдя в воздушный промежуток (в поры микроструктурированного слоя из алмаза). Ускоряясь в направлении к р-слою p-i-n структуры и дополнительно умножаясь, массив из вторичных электронов внедряется в высокоомный i-слой кремния, порождает электронно-дырочные пары, ток которых и будет считан во внешнюю цепь. С целью уменьшения потерь, контактный слой 6 может быть выполнен по топологическому рисунку микроструктурированного алмазного слоя, например, в виде сетки (в частности, например, сетки из молибдена, сформированной в одном фотолитографическом процессе на стадии формирования сетчатого рисунка из нанокристаллических зародышей для роста алмазного С* слоя 8).A positive effect (increasing the sensitivity of the detector compared to the prototype) is ensured by the fact that the region of the microstructured layer of diamond (C *) of p-type conductivity, due to the negative value of the affinity of the diamond for the electron, will behave with respect to the flow of ionizing radiation as particle flow multiplier. Indeed, according to [3], there is a simple relationship between the number of secondary (δ-electrons) electrons and the energy of the primary particle

(here ε ~ 10 eV, is the energy of formation of δ electrons in the diamond by the ionization mechanism). So, at a primary particle energy of ~ 1 MeV, 100,000 secondary electrons will be generated by one primary particle in a microstructured diamond film. Therefore, secondary electrons born in a diamond network-shaped film, if the distance between the pores (cells) of the network does not exceed the diffusion length of the electron in the diamond with a probability close to unity, leave the film, leaving the air gap (into the pores of the microstructured layer of diamond). Speeding up towards the p-layer of the pin structure and further multiplying, the array of secondary electrons is embedded in the high-resistance i-layer of silicon, generating electron-hole pairs, the current of which will be read into the external circuit. In order to reduce losses, the contact layer 6 can be made according to the topological pattern of the microstructured diamond layer, for example, in the form of a grid (in particular, for example, a molybdenum grid formed in one photolithographic process at the stage of forming a network pattern of nanocrystalline nuclei for diamond C growth * layer 8).

Таким образом можно достичь повышения чувствительности (понижения порога чувствительности детектора) за счет умножения первичного потока в микроструктурированном слое из алмаза, С*, детекторной структуры, не увеличивая при этом ток от компонентов собственных шумов детектора (его тепловой, генерационно-рекомбинационной и дробовой компонент). Многоэлементность конструкции, обусловленная разделением воздушными промежутками слоев 5 и 6 на локальные области, позволяет детектировать плоские изображения в слабых потоках частиц либо ионизирующих γ-излучений.Thus, it is possible to achieve an increase in sensitivity (lowering the sensitivity threshold of the detector) by multiplying the primary flux in the microstructured layer of diamond, C *, the detector structure, without increasing the current from the components of the detector's noise floor (its thermal, generation-recombination, and shot components) . The multi-element design, due to the separation of layers 5 and 6 by local air gaps, allows the detection of plane images in weak particle fluxes or ionizing γ-radiation.

Работа заявляемого детектора осуществляется следующим образом.The operation of the inventive detector is as follows.

Высокоэнергетические частицы, либо гамма-кванты, взаимодействуют с ионами решетки объема микроструктурированного слоя из алмаза (С*) 8 по одному из известных механизмов, преобразуя энергию ионизирующего излучения в неравновесные электроны [3], с последующим выходом неравновесных электронов в поры алмазного слоя, ускорением их во внешнем поле в направлении р-слоя кремниевой p-i-n структуры с последующим внедрением в высокоомный i-слой. В i-слое происходит преобразование потока вторичных электронов в неравновесные электронно-дырочные пары, заряд которых в поле обратно смещенной p-i-n структуры и будет считан во внешнюю цепь в виде информационного тока. Таким образом, можно осуществить эффективное умножение первичного потока, особенно малых потоков (тяжелых частиц либо медленных электронов). Толщина алмазного слоя С* 8 определяется условиями конкретной задачи (энергией и типом детектируемых высокоэнергетических частиц либо квантов). В частности, для потока первичных электронов с энергией ~1 кэВ оптимальная толщина слоя 8 составит ~3…5 мкм, а для α-частиц с энергией 5 МэВ она составит 50…60 мкм.High-energy particles, or gamma rays, interact with the lattice ions of the volume of the microstructured layer of diamond (C *) 8 according to one of the known mechanisms, converting the energy of ionizing radiation into nonequilibrium electrons [3], followed by the release of nonequilibrium electrons into the pores of the diamond layer, by acceleration them in an external field in the direction of the p-layer of the silicon pin structure with subsequent introduction into the high-resistance i-layer. In the i-layer, the flux of secondary electrons is converted to nonequilibrium electron-hole pairs, the charge of which in the field of the reverse biased p-i-n structure will be read into the external circuit in the form of an information current. Thus, it is possible to carry out effective multiplication of the primary flux, especially of small fluxes (heavy particles or slow electrons). The thickness of the diamond layer C * 8 is determined by the conditions of a specific task (energy and type of detectable high-energy particles or quanta). In particular, for a flux of primary electrons with an energy of ~ 1 keV, the optimal layer thickness 8 will be ~ 3 ... 5 μm, and for α-particles with an energy of 5 MeV it will be 50 ... 60 μm.

Назначение контактных слоев 6 и 9 - обеспечить гальваническую связь для задания на структуре разности потенциалов, создающей ускоряющее в слое С* поле, а в i-слое - поле, разделяющее неравновесные электроны и дырки.The purpose of the contact layers 6 and 9 is to provide a galvanic connection for setting the potential difference on the structure, which creates an accelerating field in the C * layer, and in the i-layer - a field separating nonequilibrium electrons and holes.

Размер локальной области (ячеек приемопреобразовательных областей многоэлементных детекторов) снизу ограничен диффузным размывом изображения, в силу малости времени пролета (~10^-9 с) и незначительности градиента концентрации неравновесных носителей (для энергий детектируемых α-частиц ~5 МэВ, не превышает величины 10⁶ шт/мкм), он не превышает 1-2 мкм, что делает детектор актуальным для регистрации с высоким пространственным разрешением плоских изображений в потоках ионизирующих излучений. С учетом пространственного разнесения элементов разрешение изображения в плоскости пластины будет зависеть от толщины приемного слоя 3, а значит будет варьироваться в зависимости от типа регистрируемого излучения и его энергетических характеристик.The size of the local region (cells of the transducer regions of multi-element detectors) below is limited by diffuse image blurring, due to the small transit time (~ 10 ^-9 s) and insignificance of the concentration gradient of nonequilibrium carriers (for energies of detected α particles ~ 5 MeV, does not exceed 10 ⁶ pcs / μm), it does not exceed 1-2 μm, which makes the detector relevant for registration with high spatial resolution of flat images in flows of ionizing radiation. Given the spatial diversity of the elements, the image resolution in the plane of the plate will depend on the thickness of the receiving layer 3, and therefore will vary depending on the type of detected radiation and its energy characteristics.

Заметим, альтернативам материалу Si p-i-n структуры может быть p-i-n структуры из арсенида галлия, теллурида кадмия и т.д. Использование этих материалов позволит, помимо указанных выше преимуществ, реализовать существенно большую (на полтора-два порядка) чем у прототипа стойкость приборов к дозовым радиационным нагрузкам.Note that alternatives to Si p-i-n structure material can be p-i-n structures of gallium arsenide, cadmium telluride, etc. The use of these materials will allow, in addition to the above advantages, to realize significantly greater (by one and a half to two orders of magnitude) than the prototype resistance of devices to dose radiation loads.

Изготовить предлагаемую Si p-i-n/C* гетероструктуру возможно с использованием групповых процессов микроэлектронных технологий, плазмохимического травления и плазмостимулированного газофазного метода (PECVD) роста по заданному рисунку на выбранной p-i-n структуре поликристаллических алмазных пленок.It is possible to fabricate the proposed Si p-i-n / C * heterostructure using group processes of microelectronic technologies, plasma-chemical etching and plasma-stimulated gas-phase growth (PECVD) growth according to a given pattern on the selected p-i-n structure of polycrystalline diamond films.

Для этого на контактный электрод 6 к верхнему слою детекторной p-i-n структуры наносят слой зародышей из нанокристаллитов алмаза и под слоем маски (например, наноразмерной толщины слоя из ванадия и субмикронной толщины слоя алюминия) с помощью фотолитографии и плазмохимического травления формируют требуемый рисунок из упомянутых зародышей и разделительные промежутки в контактном слое и в р-слое, затем снимают маску из алюминия и с помощью PECVD метода выращивают [4] микроструктурированный алмазный слой, слаболегированный акцепторами и требуемой толщины, затем под острым углом (для предотвращения шунтирования умножительных алмазных областей) напыляют верхний контактный электрод к алмазному слою.To this end, a layer of nuclei made of diamond nanocrystallites and a layer of a mask (for example, nanoscale layer thicknesses of vanadium and submicron thicknesses of aluminum layers) are deposited onto the contact electrode 6 to the upper layer of the detector pin structure using photolithography and plasma-chemical etching to form the required pattern of the mentioned nuclei and separation the gaps in the contact layer and in the p-layer, then remove the mask from aluminum and using the PECVD method grow [4] a microstructured diamond layer, lightly doped with acceptors and required thickness, then at an acute angle (to prevent shunting of the multiplying diamond regions), the upper contact electrode to the diamond layer is sprayed.

Источники информацииInformation sources

1. Прайс В. // Регистрация ядерного излучения. Изд. «Издательство иностранной литературы», Москва, 1960.1. Price V. // Registration of nuclear radiation. Ed. "Publishing house of foreign literature", Moscow, 1960.

Беллини Дж., Фоа А., Джоржи М. // Успехи физических наук. 1984, т.142. С.476-503.Bellini J., Foa A., George M. // Successes in physical sciences. 1984, vol. 142. S.476-503.

2. J.C.Bourgoin, N. de Angelis, K.Smith, R.Bates, C.Whitehill, A.Meikle. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A458 (2001) 344-347. - прототип.2. J.C. Bourgoin, N. de Angelis, K.Smith, R. Bates, C. Whitehill, A. Meikle. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A458 (2001) 344-347. - prototype.

3. В.Б.Берестецкий, Е.М.Лившиц, Л.П.Питаевский. // Релятивистская квантовая теория. ч.1. Изд. «Наука», Москва 1968.3. V. B. B. Berestetskiy, E. M. Livshits, L. P. Pitaevsky. // Relativistic quantum theory. part 1. Ed. "Science", Moscow 1968.

4. Dvorkin V.V., Dzbanovsky, Suetin V.N., Poltoratcky E.A., Rychkov G.S., Ilichev E.A., Gavrilov S.A. Secondary electron emission from CYD diamond films. // Diamond and Related Materials, 12 (2003), p.2208-2218.4. Dvorkin V.V., Dzbanovsky, Suetin V.N., Poltoratcky E.A., Rychkov G.S., Ilichev E.A., Gavrilov S.A. Secondary electron emission from CYD diamond films. // Diamond and Related Materials, 12 (2003), p. 2208-2218.

Claims (1)

Детектор ионизирующих излучений, содержащий полупроводниковую подложку с омическим контактом к ее тыльной стороне, последовательно расположенные на лицевой стороне подложки друг на друге: изотипный подложке полупроводниковый слой, полупроводниковый высокоомный слой, полупроводниковый слой противоположного подложке типа проводимости и расположенный на этом слое контактный слой, при этом последние два слоя выполнены в виде гальванически не связанных областей, отличающийся тем, что он дополнительно содержит микроструктурированный слой из алмаза (С*), слабо легированный акцепторами и расположенный на упомянутом контактном слое, на лицевой стороне которого расположен второй контактный слой. An ionizing radiation detector comprising a semiconductor substrate with an ohmic contact to its rear side, sequentially located on the front side of the substrate on top of each other: an isotype semiconductor layer, a semiconductor high-resistance layer, a semiconductor layer opposite to the conductivity type substrate and a contact layer located on this layer, wherein the last two layers are made in the form of galvanically unconnected areas, characterized in that it additionally contains microstructured with oh of diamond (C *), weakly doped acceptors and disposed on said contact layer, on the front side of which is a second contact layer.

Images