Монолитный алмазный ΔE-Е детектор

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ядерных излучений. Область применения - эксперименты ядерной, ускорительной физики и дозиметрические приложения, требующие идентификации тяжелых заряженных частиц.
++
++
++
++
Известен интегральный ΔЕ-Е детектор с M/n-/n/n-/M структурой [Kim С. et al. «Epitaxial integrated E-dE silicon detector with a buried low-resistive diffused layer», IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 27, NO. 1, pp. 258-265, 1980]. С рабочей стороны высокоомной (8 кОм⋅см) кремниевой подложки толщиной 200 мкм проводится диффузия Sb при температуре 1250°С для создания n-слоя толщиной порядка 8 мкм. Поверх n-слоя выращивается эпитаксиальный n-слой толщиной 8-10 мкм. Контакты к обеим поверхностям подложки и торцевой поверхности (n-слою) создаются с использованием Au. Основным недостатком данной конструкции является невоспроизводимость технологии создания контакта к торцевой поверхности подложки.
+
+
2
Известна конструкция тонкого ΔЕ детектора для спектроскопических применений [ G., Westerberg L., Spohr R., Petersson С.S. ((Fabrication and characterization of thin ΔЕ detectors for spectroscopic application)), Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, vol. 546, pp. 312-318, 2005], который предназначен для работы в качестве первой ступени ΔЕ-Е детектора. Изготовление детектора производится на основе высокоомных подложек кремния n-типа ориентации (100) с удельным сопротивлением от 1000 до 5000 Ом⋅см и толщиной 380 мкм. Утонение активной области с обратной стороны производится анизотропным травлением. Затем с рабочей стороны пластины из нанесенного на поверхность оксида фосфора при 900°С в течение 30 минут производится диффузия фосфора для создания n-слоя толщиной 0.6 мкм. В качестве маски используется оксид кремния. Затем с обратной стороны в предварительно нанесенном SiO производится вскрытие окон площадью 4 мм квадратной формы. Затем проводится легирование бором путем диффузии из твердого источника оксида бора при 950°С в течение 30 минут в атмосфере азота для создания р-области. Сразу после этого к обеим сторонам формируются контакты на основе алюминия толщиной 0.1 мкм. Используемая технология позволяет изготовить активную область детектора толщиной не менее 4.5 мкм.
Недостатком представленной конструкции является сложность технологических операций по утонению активной области детектора, сложности получения однородной толщины по всей активной площади. Также к серьезным недостаткам стоит отнести повышенную хрупкость детектора при увеличении размеров активной области и высокую стоимость по причине использования операций трудно воспроизводимых в промышленном производстве.
+
14
-3
Известен монолитный ΔЕ-Е детектор, изготовленный на основе планарной кремниевой технологии [Cardella G. et al. «А monolithic silicon detector telescope», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, V. 378, pp. 262-266, 1996], а также детекторы, изготовленные на основе данной конструкции [Agosteo S. et al. «А feasibility study of a solid-state microdosimeter», Applied radiation and isotopes, V. 63, pp. 529-535, 2005; Amorini F. et al. ((Performance and perspectives of silicon detector telescopes», Nuclear Physics В, V. 150, pp. 227-230, 2006]. Детектор изготавливается на высокоомной кремниевой подложке, контакт к обратной стороне подложки изготавливается с использованием имплантации мышьяка с последующей диффузией при низкой температуре (900°С). Далее, вокруг области скрытого анода (заглубленная p-область) создаются р-окна с использованием низкоэнергетической имплантацией бора с последующей высокотемпературной (1050°С) диффузией до глубины 2 мкм. Анод формируется имплантацией бора с высокой энергией (900 кэВ) с флюенсом 10 см. Верхний ΔЕ-контакт изготавливается с использованием имплантации фосфора. На следующем этапе производится пассивация структуры и создание контактов к активным областям прибора. Представленная конструкция лишена недостатков описанных ранее приборов: во-первых ее производство основано на основе стандартной планарной кремниевой технологии, что делает ее значительно более дешевой; во-вторых она позволяет создавать ΔЕ слои порядка 1 мкм, что не возможно для ранее рассмотренных конструкций; в-третьих, решается проблема создания воспроизводимого контакта к нижнему электроду ΔЕ-детектора.
Недостатком кремниевой технологии является более низкая (на один-два порядка) радиационная стойкость по сравнению с материалами с большей шириной запрещенной зоны, а также значительное ухудшение характеристик кремниевых приборов при температурах выше комнатной.
6
6
3
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является детектор на основе CVD алмазных слоев [Marinelli М. et al. «High performance LiF-diamond thermal neutron detectors», Applied physics letters, vol. 89, №. 14, p.143509, 2006], используемый в качестве сенсора продуктов взаимодействия по реакции Li(n,α)H. В качестве подложки используются монокристаллические пластины, полученные методом НРНТ типа Ib толщиной около 400 мкм. На рабочей поверхности с использованием CVD метода формируется алмазный буферный слой толщиной 15 мкм и удельным сопротивлением 5 Ом⋅см, в дальнейшем CVD методом осаждается пленка нелегированного алмаза толщиной от 15 до 20 мкм. Этот этап проводится в отдельном CVD-реакторе, чтобы избежать непреднамеренного загрязнения внутреннего слоя бором. Затем к торцевым поверхностям формируется контакт на основе Ag, а к рабочей поверхности создается алюминиевый контакт толщиной 100 нм. Описанная выше геометрия необходима для того, чтобы отделить отклик от высококачественного собственного CVD слоя от сигнала, возникающего от материала подложки НРНТ, если таковой имеется, без необходимости ее механического удаления.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является достижение возможности идентификации тяжелых заряженных частиц с использованием алмазных детекторов.
Технический результат достигается тем, что детектор заряженных частиц на основе CVD алмазных слоев, содержащий НРНТ-подложку типа На, либо подложку на основе нелегированного CDV алмаза, на рабочей стороне которой последовательно сформированы сильнолегированный слой алмаза р-типа, к которому сформирован омический контакт с торцевой стороны подложки, и эпитаксиальный нелегированный слой алмаза, к которому сформирован выпрямляющий контакт, дополнительно содержит выпрямляющий контакт к обратной стороне подложки. Добавление нижнего контакта позволяет использовать такой детектор, как двухканальный для идентификации частиц по схеме ΔЕ-Е.
Полезная модель поясняется приведенным ниже чертежом.
На фиг. 1 показана принципиальная конструкция монолитного алмазного ΔЕ-Е детектора, содержащего высокоомную алмазную подложку 1 толщиной от 50 до 500 мкм, на рабочей стороне которой последовательно сформированы сильнолегированный слой алмаза p-типа 2, к которому сформирован омический контакт с торцевой стороны подложки 3, и эпитаксиальный нелегированный слой алмаза 4, к которому сформирован выпрямляющий контакт 5, к обратной стороне высокоомной алмазной подложки 1 сформирован выпрямляющий контакт 6.
Принцип работы монолитного алмазного ΔЕ-Е детектора состоит в следующем: заряженная частица попадает в детектор со стороны эпитаксиального нелегированного слоя алмаза 4 и создает электронно-дырочные пары вдоль своего пробега. В слое эпитаксиального нелегированного слоя алмаза 4 частица теряет часть своей кинетической энергии (ΔЕ), тогда как оставшуюся часть (Е) она полностью теряет в сильнолегированном слое алмаза р-типа 2 и высокоомной алмазной подложке 1. Создав сильнолегированный слой р-типа 2 достаточно тонким, для снижения потерь энергии в нем, заряженную частицу можно идентифицировать исходя из зависимости потерь энергии ΔЕ от полных потерь ΔЕ+Е.
Далее представлен один из примеров реализации предлагаемой полезной модели. Детектор изготавливается с помощью стандартных технологических операций микроэлектроники. На рабочей стороне высокоомной алмазной подложки 1 толщиной от 50 до 500 мкм типа IIa, выращенной НРНТ методом, либо выращенной методом CVD последовательно с использованием CVD метода выращиваются сильнолегированный слой алмаза р-типа 2, к которому формируется омический контакт с торцевой стороны подложки 3 на основе системы Ti/Au, и эпитаксиальный нелегированный слой алмаза 4, к которому изготавливается выпрямляющий контакт 5 на основе Pt, к обратной стороне высокоомной алмазной подложки 1 изготавливается выпрямляющий контакт 6 на основе Pt/Au.
Основные технологические операции изготовления детектора:
1) Выращивание на рабочей стороне высокоомной алмазной подложки толщиной от 50 до 500 мкм, полученной НРНТ методом (IIa), либо методом CDV сильнолегированного слоя р-типа толщиной от 1 до 5 мкм;
2) Рост нелегированного CVD алмазного слоя толщиной от 1 до 10 мкм в отдельном реакторе;
3) Создание контакта к торцевой стороне подложки с использованием системы Ti/Au с последующим отжигом при температуре 850°С;
4) Формирование контакта обратной стороне подложки на основе системы Pt/Ti/Au с использованием магнетронного и термического распыления;
5) Формирование контакта к рабочей стороне подложки на основе Pt толщиной 20 нм с использованием магнетронного напыления.