ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ
NEUTRON DETECTOR

Изобретение относится к твердотельным детекторам ионизирующих излучений.
Твердотельные детекторы являются элементной базой диагностических систем физики высоких энергий, геологоразведки и атомных производств, связанных с обогащением радиоактивных руд.
Известны детекторы ионизирующих излучений, принцип действия которых основан на ионизации рабочего газа и пропорциональном преобразовании энергии кванта (частицы) в ток упомянутых ионов [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.
Известен детектор барьерного типа [2]. Он представляет собой дискретный либо многоэлементный детектор, выполненный на барьерной кремниевой p-i-n структуре, наличие внутренних полей в которой обеспечивает возможность устранения рекомбинационных каналов внутри i-слоя и практически обеспечивает 100% разделение информативных неравновесных носителей, со считыванием их в виде тока во внешнюю цепь. Пороговая чувствительность таких детекторов ограничивается токами утечек обратно смещенного р-i перехода и уровнем собственных шумов (в частности, уровнем генерационно-рекомбинационного шума). Кроме того, исполнение такого детектора в виде многоэлементной конструкции позволяет существенно повысить при диагностике пространственное разрешение (до 10 мкм), что дает возможность активно использовать Si p-i-n детекторы для детектирования протяженных объектов, в частности для задач, связанных с позиционированием пучка, с медицинской диагностикой, и для дефектоскопии.
Однако, в ряде задач, в частности при решении задач, связанных с регистрацией потока нейтронов, пороговой чувствительности и этих детекторов оказывается недостаточно. Связано это с крайне малыми сечениями взаимодействия нейтронов с полупроводниковыми материалами.
6
10
6
10
В качестве прототипа настоящего изобретения предлагается использовать детектор нейтронов [3], представляющий гибридную конструкцию из собственного детектора на основе кремниевой p-i-n структуры и расположенного в непосредственной близости от него слоя, преобразующего нейтроны в α-частицы (например, литий либо изотоп бора-10). Собственно детектор представляет собой подложку с омическим контактом к ее тыльной стороне, несущую многослойную структуру, из последовательно расположенных друг на друге слоев: изотипного подложке полупроводникового слоя, высокоомного полупроводникового слоя, полупроводникового слоя противоположного подложке типа проводимости с выполненным к нему контактным слоем, при этом последние два слоя выполнены в виде гальванически не связанных областей. Преобразовательный слой расположен в непосредственной близости с контактным слоем собственно детекторной части устройства и выполнен из изотопов лития (Li) либо изотопов бора (В) на прозрачной для потока нейтронов подложке. Таким образом, прототип представляет собой единое устройство с функцией детектора нейтронов, выполненное посредством гибридного соединения собственно детектора - расположенной на подложке кремниевой (Si) p-i-n структуры, и расположенного на прозрачной для нейтронов подложке слоя из изотопов лития (Li), либо изотопов бора (В). Указанное устройство выполняет функцию детектора нейтронов, благодаря высокому значению сечения взаимодействия изотопов лития либо бора с нейтронами, и рождения в процессе такого взаимодействия α-частиц, которые поглощаются i-слоем кремниевой p-i-n структуры, отдавая свою кинетическую энергию процессам рождения неравновесных электронно-дырочных пар. Неравновесные пары разделяются полем обратного смещенного p-i перехода и считываются в виде информационного тока во внешнюю цепь детектора.
17
19
3
17
19
3
13
-3
17
19
3
Толщины и уровни легирования (уровни концентраций доминирующих равновесных носителей) указанных кремниевых слоев устройства - прототипа задают исходя из условий конкретных решаемых задач (типа и энергии детектируемых излучений) и лежат обычно в следующих диапазонах: несущая подложка толщиной 300…700 мкм легирована донорами до концентраций 10…10 см, n-слой толщиной 0,5…10,0 мкм с уровнем легирования донорной примесью ~10…10 см; i-слой (приемно-преобразовательный слой) толщиной от 5 мкм до 500 мкм, при уровне загрязнения фоновой примесью не выше 10 см; р-слой толщиной от 0,1 мкм до 0,5 мкм при легировании примесью акцепторного типа до уровня ~10…10 см.
Данный детектор (прототип) эффективно регистрирует потоки нейтронов, однако в силу гибридной сборки обладает недостаточным пространственным разрешением. Кроме того, процесс выделения нужного изотопа бора трудоемок, его нанесение на подложку реализуется при высоких температурах, сам процесс не относится к групповым микроэлектронным технологиям и технология его нанесения не интегрируется в микроэлектронные технологии. Все это приводит, как правило, к удорожанию устройства, снижает его пространственное разрешение и препятствует изготовлению интегральной однокристальной схемы регистрации нейтронов.
Целью настоящего изобретения является разработка эффективного детектора нейтронов с повышенным пространственным разрешением, выполненного в виде интегрального однокристального устройства с помощью групповых микроэлектронных технологий.
+
*
Предлагается детектор нейтронов (см. фиг.1), содержащий полупроводниковую подложку 1 с омическим контактом 2 к ее тыльной стороне, и последовательно расположенные на лицевой стороне подложки друг на друге: изотипный подложке полупроводниковый слой 3, расположенный на нем полупроводниковый высокоомный слой 4, расположенный на последнем полупроводниковый слой 5 противоположного подложке типа проводимости, и расположенный на этом слое контактный слой 6, причем последние два слоя 5 и 6 выполнены в виде гальванически не связанных областей (отделены, например, посредством травления мез, воздушными зазорами 7), дополнительно снабженный микроструктурированным (например, выполненным в виде сетки с ячейками микронного либо субмикронного размера) слоем 8 из алмаза С*(В), расположенным на упомянутом выше контактном слое 6 и легированным бором до вырождения (р-тип), и вторым контактным слоем 9, расположенным на лицевой стороне слоя 8. Для уменьшения потерь контактный слой 6 может быть выполнен в виде сетки из, например, молибдена, сформированной в одном литографическом процессе при формировании сетчатого рисунка из нанокристаллических зародышей для роста алмазного С(В) слоя 8. Для возможности эффективного встраивания предлагаемого детектора в электронные измерительные системы на пассивных участках конструкции упомянутые воздушные промежутки заполнены твердотельным диэлектриком (поз.10).
На фиг.1-3 представлены: схематическое изображение общего вида предлагаемого детектора (фиг.1) и его проекций в направлениях АА (фиг.2) и ВВ (фиг.3). На указанных чертежах введены следующие обозначения:
1 - полупроводниковая подложка, 2 - омический контакт к тыльной стороне подложки, 3 - изотипный подложке полупроводниковый слой, 4 - высокоомный полупроводниковый слой, 5 - полупроводниковый слой противоположного подложке типа проводимости, 6 - контактный слой, 7 - изолирующие промежутки (разделяющие слои 5 и 6, а значит, при последующем формировании структуры, слои 8 и 9, на гальванически не связанные области), 8 - микроструктурированный слой из легированного бором до вырождения алмаза, С*(В), 9 - второй контактный слой, 10 - межэлектродная изоляция.
Для уменьшения потерь ионизирующих излучений при вводе в структуру второй контактный слой 9, на активном участке структуры, может быть выполнен в форме «кольца» (см. фиг.1 и 2). На пассивном участке детекторной структуры (на фиг.1 это область электродов 9 сплошной формы) в межэлектродную область (область воздушных зазоров) вводится твердотельный диэлектрик (например, плазмохимический оксид кремния). Это позволяет планиризовать пассивную часть структуры, с целью обеспечения возможности эффективного подключения детектора к внешним устройствам либо посредством специализированного электрического разъема (контакты которого контактируют с электродами 9 детектора), либо посредством зондовой разварки контактных площадок, сформированных на пассивной планиризованной части структуры детектора (п.10) и имеющих гальваническую связь с контактами 9.
Достигается положительный эффект (высокое пространственное разрешение при высокой чувствительности к потоку нейтронов) посредством изготовления интегральной однокристальной схемы в виде многослойной гетероструктуры, позволяющей производить преобразование потока нейтронов в поток α-частиц, с последующим усилением и преобразованием последних во вторичные электроны, их эффективного вывода в поры микроструктурированного алмаза (в силу отрицательного электронного сродства алмаза) и последующего ввода в высокоомный приемно-преобразовательный слой Si p-i-n детекторной структуры, с последующим рождением в этом слое по ионизационному механизму неравновесных электронно-дырочных пар и их считыванием в виде тока во внешнюю цепь.
10
10
10
11
Действительно, микроструктурированный слой алмаза, легированный бором до вырождения, будет вести себя как преобразователь потока нейтронов в поток α-частиц (содержит 18% изотопов В). При этом рожденные α-частицы, взаимодействуя с матрицей слоя С*(В), будут генерировать вторичные электроны. При этом согласно [4] генерация вторичных электронов из С*(В) сопровождается умножением числа частиц в соотношении N=E/ε, где ε - энергия образования по ионизационному механизму электронно-дырочной пары. Так, при энергии первичной частицы ~1 кэВ (разность потенциалов на электродах 9 и 6 будет порядка 200 В) одной частицей в микроструктурированной алмазной пленке будет рождено ~100 вторичных электронов, что с лихвой перекроет потери при преобразовании потока нейтронов. Частичная потеря (в ~5 раз) эффективности преобразования за счет использования не изотопов В, а смеси изотопов бора (18% В и 80% B) при легировании до вырождения микроструктурированного слоя алмаза С*(В), компенсируется внутренним умножением δ-электронов в слое С*(В). Вторичные электроны, родившиеся в алмазной сетчатообразной (микроструктурированной) 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 ее поры. Ускоряясь в С*(В) слое при движении к р-слою и при столкновении размножаясь, вторичные электроны проходят в i-слой обратно смещенной p-i-n структуры и возбуждают в нем электронно-дырочные пары, ток которых и будет зарегистрирован во внешней цепи.
При этом пространственное разрешение предлагаемого детектора относительно прототипа будет улучшено, в силу реализации интегральной однокристальной конструкции. Многоэлементный вариант предлагаемой конструкции, обеспеченный упомянутым выше разделением части слоев гетероструктуры воздушными промежутками на локальные области, позволяет детектировать плоские изображения в потоках нейтронов.
Работа заявляемого детектора нейтронов осуществляется следующим образом. Поток нейтронов взаимодействует с ионами решетки объема микроструктурированного алмазного слоя С*(В) 8 и порождает α-частицы; последние взаимодействуют с объемом алмазного слоя и порождают вторичные (δ-) электроны, с их выходом, в частности и из-за отрицательного электронного сродства, в поры микроструктурированного алмазного слоя, последующим их ускорением в направлении р-слоя кремниевой p-i-n структуры и с их внедрением в ее i-слой. В i-слое p-i-n структуры происходит преобразование потока вторичных электронов в неравновесные электронно-дырочные пары, заряд которых в поле обратного смещения р-i перехода p-i-n структуры и будет считан во внешнюю цепь в виде информационного тока. Таким образом, можно осуществить эффективную регистрацию тепловых нейтронов, особенно малых их потоков. Толщина вновь введенного микроструктурированного слоя 8 из легированного до вырождения алмаза, С*(В), определяется условиями конкретной задачи. Назначение контактных слоев 6 и 9 - обеспечить возможность задания на умножительной части структуры разности потенциалов, создающей ускоряющее поле в порах слоя С*(В), а в i-слое p-i-n структуры - поле, разделяющее неравновесные электроны и дырки.
-9
Минимальный размер локальной области многоэлементного детектора связан с диффузным размывом изображения, и в силу малости времени пролета (~10 с) и незначительности градиента концентрации неравновесных носителей он не превышает 2…5 мкм, что делает детектор актуальным при регистрации с высоким пространственным разрешением плоских изображений в потоках нейтронов. С учетом пространственного разнесения элементов разрешение изображения в плоскости пластины будет зависеть от толщины приемного (высокоомного полупроводникового) слоя 4, а значит будет варьироваться в зависимости от энергетических характеристик регистрируемого потока нейтронов.
Заметим, альтернативным материалом структуры собственно детектора может быть арсенид галлия, теллурид кадмия и др. Это позволит, помимо указанных преимуществ, реализовать большую, чем в случае кремния (на полтора-два порядка), стойкость приборов к дозовым радиационным нагрузкам.
Изготовить предлагаемую Si p-i-n/C*(В) 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 легированных бором до вырождения пленок.
Для этого на контактный электрод 6 к верхнему слою детекторной p-i-n структуры наносится 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 формируется 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 [5] микроструктурированный алмазный слой, легированный бором до вырождения и требуемой толщины, затем под острым углом (для предотвращения шунтирования умножительных алмазных областей) напыляют верхний контактный электрод к алмазному слою.
Источники информации
1. Прайс В. // Регистрация ядерного излучения. Изд. «Издательство иностранной литературы», Москва 1960.
Беллини Дж., Фоа А., Джоржи М. // Успехи физических наук. 1984, т.142. С.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.
3. Гулый В.Г., Глыбин Ю.Н., Майнаков В.Д., Щевченко А.П. О результатах разработки кремниевых детекторов тепловых нейтронов. // Ядерные измерительно-информационные технологии 99. Труды научно-инженерного центра, 1999, с.151-152, изд. Москва (прототип).
4. В.Б.Берестецкий, Е.М. Лившиц, Л.П. Питаевский. // Релятивистская квантовая теория, ч.1. Изд. «Наука», Москва 1968.
5. 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.