ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ ПРИЕМНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
COMBINED SEMICONDUCTOR RECEIVER OF ELECTROMAGNETIC EMISSION

Изобретение относится к области техники детектирования сигналов с помощью полупроводниковых фотоприемников и может использоваться для регистрации электромагнитного излучения со сложным спектральным составом, содержащим излучение оптического и рентгеновского диапазонов для применения в астрономии, медицинской диагностике, средствах контроля за ядерными испытаниями и радиационной обстановки на местности, в датчиках исполнительных устройствах робототехники и т.д.
x
1-x
Полупроводники обладают чувствительностью к электромагнитному излучению как оптического, включая инфракрасный (ИК), так и жесткого - рентгеновского и гамма-диапазонов спектра. Принцип действия полупроводниковых приемников основан на сборе носителей заряда - электронов и дырок, рождаемых поглощенным квантом излучения. В силу значительного различия энергии квантов оптического и рентгеновского диапазонов механизмы их взаимодействия с поглощающим веществом различны: кванты оптического излучения взаимодействуют с валентными электронами кристаллов, в то время как рентгеновские - с электронами внутренних электронных оболочек атомов. Тем ни менее известны полупроводниковые материалы, обладающие чувствительностью одновременно в обоих указанных диапазонах, например CdTe, ZnCdTe и другие. Однако использование одного кристалла для регистрации излучения сразу в двух указанных областях спектра невозможно из-за принципиальных ограничений, накладываемых требованиями к конструкции этих детекторов.
g1
1
g1
2
g2
Известны полупроводниковые фотоприемники, способные регистрировать излучение одновременно в двух и более спектральных диапазонах, состоящие из нескольких фоточувствительных полупроводников. Например, в [1] представлена принципиальная схема такого приемника, содержащего две фоточувствительные площадки из полупроводниковых материалов. Причем первая из них имеет большую ширину запрещенной зоны E, благодаря чему на вторую чувствительную полупроводниковую площадку попадает излучение с длинами волн λ>hc/E (с - скорость света в вакууме, h - постоянная Планка), которое содержится в спектре регистрируемого широкополосного сигнала. Поглощенное в чувствительных площадках излучение преобразуют в электрический сигнал, либо одним общим для площадок, либо независимыми электронными блоками обработки. Такой фотоприемник способен регистрировать излучение в диапазонах, простирающихся от длины волны λ=hc/E в коротковолновую область. Однако указанный выше и подобные им приемники регистрируют излучение в достаточно близких или вообще перекрывающихся областях спектра, как правило - оптических, и не обладают чувствительностью в жестком - рентгеновском и гамма-диапазонах, хотя последние содержат информацию, недоступную для оптического диапазона.
Известны также способы регистрации рентгеновского и гамма-излучения с помощью полупроводниковых приемников [2]. Для этих целей используют полупроводниковые материалы, в состав которых входят атомы, характеризующиеся высокими значениями сечений поглощения рентгеновских и гамма-квантов, например CdTe [3]. На основе этих полупроводников создают устройства как фоторезистивного, так и фотодиодного типов [4]. При этом для исключения срабатывания приемника ионизирующего излучения от квантов оптического диапазона на чувствительную поверхность полупроводника наносят фильтр в виде тонкой металлической пленки, например из бериллия [5].
При одновременной регистрации излучения от источника, содержащего как жесткую компоненту электромагнитного излучения, так и излучение оптического диапазона, используют детекторы различных типов, что приводит к необходимости создания независимых каналов с собственными фокусирующими системами и средствами регистрации, что усложняет конструкцию. При этом из-за наличия угла между осями каналов они имеют различающиеся поля наблюдения.
Более близок по конструкции к предлагаемому многоканальный полупроводниковый приемник излучения, регистрирующий излучение в нескольких диапазонах, детекторы которого имеют общую оптическую ось [6]. Указанный приемник состоит из нескольких (трех) дискретных полупроводниковых детекторов различной толщины и из определенного материала, расположенных друг за другом, каждый из которых соединен с зарядочувствительным усилителем, компаратором, стречером-усилителем и аналогово-цифровым преобразователем. Регистрация сигналов автоматизировано за счет использования ЭВМ для индикации, запоминания и управления устройством.
Недостатками аналога являются:
1. Устройство предназначено для регистрации только ионизирующего излучения и не содержит канала регистрации оптического излучения, что существенно сокращает объем анализируемой с его помощью информации.
2. Детектор построен на пространственно разнесенных пластинах различных полупроводниковых чувствительных материалов, что значительно увеличивает массогабаритные характеристики всего устройства и снижает его функциональность.
Наиболее близким по конструкции к заявляемому изобретению является полупроводниковый детектор [7], регистрирующий излучение одновременно в нескольких оптических диапазонах. Детектор [7] содержит несколько слоев эпитаксиально согласованных полупроводниковых материалов, которые наносят последовательно на общую подложку и располагают их по одну ее сторону. Подложка прозрачна для регистрируемого излучения, поэтому освещение детектора производят через нее. Ширина запрещенной зоны чувствительных слоев последовательно уменьшается по направлению от подложки. Поэтому первый чувствительный слой регистрирует излучение с максимальной энергией кванта. Чувствительные к излучению слои чередуют с контактными элементами. Последние имеют также электрический контакт с тыльной стороной чувствительных слоев. Напряжение смещения подают на подложку и контактные слои в виде индиевых столбиков. Такая конструкция контактов обеспечивает электронной схеме считывания сигнала независимый доступ к любому чувствительному элементу.
Недостатками прототипа являются:
1. Отсутствие канала регистрации ионизирующего излучения и невозможность использовать в этих целях существующие фоточувствительные слои, т.к. для надежной регистрации жесткого электромагнитного излучения необходимы полупроводниковые приемники толщиной в несколько миллиметров, в то время как для регистрации оптического излучения достаточны толщины в 10-20 микрометров. Известные технологии не позволяют выращивать чувствительные слои необходимого качества столь различной толщины в последовательной композиции в рамках единого технологического цикла.
2. Последовательное расположение фоточувствительных слоев приводит к возникновению перекрестного влияния электрического смещения, подаваемого на отдельные слои. При регистрации ионизирующего излучения типичные значения напряжений смещения на полупроводниковых детекторах составляет десятки вольт, поэтому их использование совместно с полупроводниковыми детекторами видимого и инфракрасного диапазонов в конфигурации прототипа представляется невозможным из-за электрических наводок на последние.
Настоящее изобретение направлено на упрощение конструкции и расширение возможностей существующих систем регистрации электромагнитного излучения и устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Полупроводниковый комбинированный приемник электромагнитного излучения, регистрирующий как в инфракрасное, так и жесткое электромагнитное излучение, создают по планарной технологии с использованием эпитаксиально согласованных слоев. В отличие от известных технических решений детекторы ионизирующего и оптического излучения в настоящем приемнике располагают соосно на противоположных поверхностях подложки, обладающей диэлектрическими свойствами. Кроме того, в отличие от прототипа напряжение смещения на приемнике ионизирующего излучения прилагают параллельно поверхности подложки к торцам достаточно толстого чувствительного слоя. Такая конструкция аналогична плоскому конденсатору, благодаря чему стационарное электрическое поле не проникает в объем подложки. В результате достигают электрической развязки между приемниками оптического и ионизирующего излучения путем исключения взаимного влияния электрических смещений, которые подают на приемники. Кроме того, в предлагаемом многоканальном приемнике реализована оптическая развязка между каналами регистрации путем выбора в качестве материала для детектора оптического излучения узкозонного полупроводника с малым значением ширины запрещенной зоны. Благодаря этому оптическое излучение поглощается в узкозонном слое и не достигает детектора ионизирующего излучения, что предотвращает его ложное срабатывание от квантов оптического диапазона. Материал оптического детектора выбирают, в свою очередь, нечувствительным к ионизирующему излучению, в частности за счет существенно меньшей его толщины по сравнению с толщиной приемника ионизирующего излучения. Заявляемое устройство фактически осуществляет первичное спектральное разложение сигнала по различным диапазонам длин волн без использования диспергирующего элемента.
0.15
0.85
x
1-x
Пример реализации. Полупроводниковый комбинированный приемник рентгеновского и инфракрасного излучения получен путем осаждения соответствующим методом (например, вакуумным термическим осаждением) слоя ZnCdTe (точное значение химического состава x выбирают исходя из необходимости подгонки, либо удельного сопротивления, либо параметра решетки) на одну из сторон эпитаксиально согласованной подложки из CdTe. Этот приемник регистрирует рентгеновское излучение в диапазоне до 60 кэВ. С другой стороны подложки выращивают фоторезистивную структуру инфракрасного фотоприемника на основе твердого раствора CdHgTe толщиной 10-20 мкм, молярный состав x которого выбирают в соответствии с задачами регистрации инфракрасного излучения: для диапазона 3-5 мкм используют состав с x=0.3, для диапазона 8-12 мкм - с x=0.2. Этот приемник может быть создан с использованием какого-либо иного технологического метода, например молекулярно-лучевой эпитаксией. Полупроводниковый комбинированный приемник освещают со стороны приемника ИК (оптического) излучения, который образует таким образом фильтр для оптического диапазона по отношению к детектору ионизирующего излучения.
x
1-x
0.15
0.85
Принципиальная схема комбинированного приемника представлена на фиг. 1. Толщина подложки (1) составляет 0.6-0.8 мм, толщина слоя твердого раствора теллуридов кадмия-цинка 1-1.5 мм (2), омические контакты из золота к нему (3) наносят на торцевую часть так, чтобы направление смещения было параллельно поверхности подложки. Благодаря такому выбору конфигурации приемника (аналог плоского конденсатора) стационарное электрическое поле из него не проникает в подложку. Толщина чувствительной структуры фоторезистора на основе CdHgTe (4) составляет не более 30 мкм, поэтому поглощением ионизирующего излучения в нем можно пренебречь по сравнению со слоем ZnCdTe. Освещение приемника (5) производят со стороны оптического приемника.
Т.о. достигают полной независимости регистрации излучения в каналах, принадлежащих различным диапазонам, что создает возможность для одновременного и независимого их функционирования и сравнительного анализа сигналов.
Для повышения чувствительности приемник охлаждают до температуры кипения жидкого азота путем помещения в криостат, причем крепление приемника осуществляют путем механического и теплового контакта подложки с охлаждаемой криогенной системой площадкой, имеющей отверстие, через которое проходит оптическая ось системы.
Путем выбора подходящих комбинаций чувствительных полупроводниковых материалов можно получить и другие варианты комбинированного приемника, регистрирующего излучение как в различных оптических диапазонах, так и в диапазонах жесткого ЭМ излучения.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Norton P. Opto-Elecn. Review, 2002, v. 10, №3, p. 159-174.
2. Бараночников M.A. Приемники и детекторы излучений. 2012, ДМК Пресс, 634 с.
3. Полупроводниковый элемент-детектор излучения. Патент РФ 2281531 C2.
4. Дворянкин В.Ф., Дворянкина Г.Г., Иванов Ю.М., Кудряшов А.А., Петров А.Г., Фотовольтаические детекторы рентгеновского излучения на основе кристаллов CdTe с p-n переходом. ЖТФ, 2010, т. 88, №7, с. 156-158.
5. Кульчицкий А.Н., Кульчицкий Н.А., Мельников А.А., Мельников О.А. Неохлаждаемые детекторы рентгеновского и гамма-излучения на основе кристаллов ZnCdTe. Труды XXII международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. 22.05.2012, М., 2012 г., с. 261-263.
6. Спектрометр-дозиметр. Патент РФ 2029316 C1.
7. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. Пер. под ред. А.В. Войцеховского. Новосибирск. «Наука», 636 с., 2003, с. 435-438.