ПЛАНАРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР
PLANAR SEMICONDUCTOR DETECTOR

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам ионизирующего излучения и может быть использовано для регистрации излучений в ядерной физике, физике высоких энергий, а также в цифровых аппаратах, регистрирующих заряженные частицы, гамма-кванты и рентгеновское излучение.
Область техники
Типичный пленарный полупроводниковый детектор ионизирующих частиц [1, 2], схематически изображенный на Фиг. 1, представляет собой одиночный кристалл из кремния или германия (реже используются арсенид галлия или теллурид кадмия), который работает в качестве диода при подаче на него высокого обратного напряжения. Неравновесные электронно-дырочные пары, образующиеся внутри полупроводника при прохождении или поглощении ионизирующего излучения, разводятся к противоположным электродам электрическим полем. Получающийся токовый импульс интегрируется предусилителем, который создает выходной импульс напряжения с амплитудой, пропорциональной энергии, выделенной частицей в полупроводниковом материале детектора. Для создания электрического поля внутри планарного детектора обе его стороны подвергаются металлизации - покрываются слоем металла (как правило, алюминия или никеля) толщиной в несколько микрон. Эти слои образуют электроды, к которым и прикладывается высокое напряжение.
Наиболее близкий аналог - патент пиксельного полупроводникового детектора элементарных частиц (US 20140332691 А1) - "Однослойный полупроводниковый детектор трехмерных изображений (3D)”[3].
Детектор состоит монолитного слоя полупроводникового материала (сенсора), в котором рождаются электронно-дырочные пары в результате прохождения или поглощения частицы. Сенсор имеет контактные электроды в виде сплошной лицевой (внешней) и пиксельной обратной (внутренней) металлизации с размером пикселя 45 мкм и с шагом 55 мкм, как схематически показано на Фиг. 2. К сенсору последовательно, с помощью метода перевернутого кристалла, подсоединена матричная микросхема считывания семейства Medipix [4], которая регистрирует сигнал от зарядов, дрейфующих под действием приложенного электрического напряжения. Напряжение смещения подается на лицевой и обратный контактные электроды сенсора.
Недостатком этого, а также и других известных планарных полупроводниковых детекторов является то, что, хотя толщина электродов сенсора невелика, в материале лицевого электрода, в зависимости от типа ионизирующего излучения и его энергии, может поглощаться существенный процент квантов излучения (в частности, мягкого рентгеновского) или существенная часть энергии частиц (в частности, α-частиц). Подобные потери приводят к ухудшению общих характеристик детектора, таких как эффективность и энергетическое разрешение.
Сущность изобретения
Технической задачей изобретения является как увеличение эффективности регистрации ионизирующего излучения (в частности, мягкого рентгеновского), так и улучшение измерения энергии тяжелых заряженных частиц (в частности, α-частиц) пленарными детекторами на основе полупроводниковых материалов, путем уменьшения поглощения ионизирующего излучения в материале лицевого электрода при несущественном изменении электрического поля внутри детектора.
Техническая задача решается за счет того, что металлизацию лицевого электрода предлагается наносить не в виде сплошного слоя, а виде некоторой сетки малой площади, как показано на Фиг. 3. Хотя при такой металлизации несколько изменится конфигурация электрического поля внутри детектора, как показывает моделирование, эти изменения напряженности электрического поля незначительны и не могут привести к ухудшению сбора заряда.
Существенным признаком изобретения является лицевой (находящийся на поверхности планарного детектора, обращенной к источнику ионизирующего излучения) контактный электрод с металлизацией, выполненной в виде сетки малой площади с шириной стрипа 3-10 мкм и шагом в 30-100 мкм, что уменьшает вероятность поглощения и потери энергии ионизирующих частиц в материале лицевого электрода при несущественном изменении электрического поля внутри детектора.
Перечень фигур:
Фиг. 1 Схема типичного планарного полупроводникового детектора ионизирующего излучения.
Фиг. 2 Топология стандартной металлизации лицевого и обратного контактных электродов планарного полупроводникового детектора под микросхему считывания Medipix.
Фиг. 3 Схема планарного полупроводникового детектора с сетчатым лицевым электродом.
Фиг. 4 Пример топологии контактных электродов планарного полупроводникового детектора под микросхему считывания Medipix с лицевой металлизацией в виде сетки.
Фиг. 5 Карта электрического поля внутри планарного детектора с сетчатым лицевым электродом с шириной стрипа 1 мкм.
Фиг. 6 Карта электрического поля внутри планарного детектора с сетчатым лицевым электродом с шириной стрипа 5 мкм.
Фиг. 7 Карта электрического поля внутри планарного детектора со сплошным лицевым электродом.
Описание фигур:
На Фиг. 1 представлена схема типичного планарного полупроводникового детектора ионизирующего излучения, где:
1 - Обратный (внутренний) электрод (сплошной, стриповый или пиксельный);
2 - Монолитный слой полупроводникового материала (сенсора);
3 - Сплошной лицевой (внешний) электрод;
4 - Поток ионизирующего излучения.
На Фиг. 2 представлена схема стандартной металлизации сенсора планарного полупроводникового детектора с микросхемой считывания семейства Medipix, где:
5 - Пиксельный обратный электрод (размер пикселя 45 мкм с шагом 55 мкм);
2 - Монолитный слой полупроводникового материала (сенсора);
3 - Сплошной лицевой электрод.
На Фиг. 3 схематически представлен пример реализации сетчатого лицевого электрода на планарном детекторе, где:
1 - Обратный электрод (сплошной, стриповый или пиксельный);
2 - Монолитный слой полупроводникового материала (сенсора);
6 - Сетчатый лицевой электрод;
4 - Поток ионизирующего излучения.
На Фиг. 4 представлен пример реализации сетчатого лицевого электрода на сенсоре планарного детектора с микросхемой считывания семейства Medipix при моделировании карты электрического поля внутри детектора, где:
5 - Пиксельный обратный электрод (размер пикселя 45 мкм с шагом 55 мкм);
2 - Монолитный слой полупроводникового материала (сенсора);
6 - Сетчатый лицевой электрод с шириной стрипов 5 мкм и с шагом 55 мкм.
На Фиг. 5 представлен результат моделирования карты электрического поля внутри планарного детектора с сетчатым лицевым электродом с шириной стрипа 1 мкм, где:
- По оси X - расстояние вдоль поверхности детектора,
- По оси D - расстояние по толщине детектора,
- Цветовая шкала справа - электрический потенциал внутри детектора при напряжении смещения 100 вольт.
На Фиг. 6 представлен результат моделирования карты электрического поля внутри планарного детектора с сетчатым лицевым электродом с шириной стрипа 5 мкм, где:
- По оси X - расстояние вдоль поверхности детектора,
- По оси D - расстояние по толщине детектора,
- Цветовая шкала справа - электрический потенциал внутри детектора при напряжении смещения 100 вольт.
На Фиг. 7 представлен результат моделирования карты электрического поля внутри планарного детектора со сплошным лицевым электродом, где:
- По оси X - расстояние вдоль поверхности детектора,
- По оси D - расстояние по толщине детектора,
- Цветовая шкала справа - электрический потенциал внутри детектора при напряжении смещения 100 вольт.
Осуществление изобретения
В качестве конкретного примера было проведено моделирование карты электрического поля внутри полупроводникового планарного детектора из кремния с пиксельной металлизацией обратного электрода (размер пикселя 45 мкм с шагом 55 мкм, для соединения с микросхемой считывания семейства Medipix) и металлизацией лицевого электрода в виде сетки с тем же шагом и шириной стрипа от 1 до 10 мкм, как показано на Фиг. 4. При моделировании использовался программный пакет ARCHIMEDES 2.0.1 [5]. На Фиг. 5 и Фиг. 6 показаны смоделированные карты электрического поля для сетчатых электродов с шириной стрипа 1 и 5, соответственно, а на Фиг. 7 для сравнения показана карта электрического поля для сплошного электрода, при подаче напряжения смещения в 100 вольт. Как видно из рисунков, для сетки с шириной стрипа 5 мкм напряженность электрического поля в центре ячеек сетки вблизи поверхностного слоя лицевого электрода уменьшается всего на несколько процентов, что не влияет на сбор заряда и на работоспособность детектора. Моделирование показывает, что это изменение напряженности электрического поля не превышает 10% при варьировании ширины стрипа и шага сетки в пределах 3-10 мкм и 30-100 мкм, соответственно.
Изменение интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через слой вещества описывается формулой:
0
m
I=I⋅ехр(-μρх),
0
m
m
m
где I - интенсивность прошедшего излучения, I - начальная интенсивность, μ - массовый коэффициент ослабления, ρ - плотность вещества, х - толщина слоя. Исходя из этой формулы, коэффициент поглощения излучения слоем вещества равен k=1-exp(-μρx) и он зависит от энергии падающего излучения, поскольку энергетическую зависимость имеет массовый коэффициент ослабления μ(Е). Обширные сведения о массовых коэффициентах ослабления рентгеновского излучения для всех химических элементов, собранные за много лет Национальным Институтом Стандартов и Технологий США (NIST), доступны на ресурсе [6]. Из таблиц NIST следует, что сплошной лицевой электрод из никеля толщиной 2 мкм (типичная металлизация для полупроводниковых сенсоров из арсенида галлия) будет поглощать 16% рентгеновских фотонов с энергией 1 кэВ. Применение сетчатой металлизации с шириной стрипа 5 мкм и шагом 55 мкм вместо сплошной, уменьшает площадь поглощающей поверхности лицевого электрода со 100% до 17,3% и, тем самым, снижает коэффициент поглощения с 16% до 2,8%, что улучшает общую эффективность детектора.
При использовании планарных детекторов для измерения энергии заряженных частиц топология металлизации лицевого электрода влияет на энергетическое разрешение детектора, поскольку проходящие частицы будут терять в нем энергию вследствие ионизационных потерь, а низкоэнергетические электроны могут потерять всю энергию и остановиться в электроде. На ресурсе [7] доступны таблицы NIST удельных энергетических потерь электронов, протонов и α-частиц при их прохождении через вещество, из которых видно, что в сплошном лицевом электроде из никеля толщиной 2 мкм α-частицы с энергией 5 МэВ (типичная для радиоактивных распадов) будут терять около 20% энергии, а почти все электроны с энергией 1 кэВ остановятся. Применение сетчатой металлизации, уменьшающей площадь поглощающей поверхности лицевого электрода, позволит сократить эти потери и улучшить энергетическое разрешение детектора для α-частиц и эффективность регистрации для электронов.
Изобретение может быть использовано в тех областях науки и техники, где требуется повышенная эффективность регистрации мягкого рентгеновского излучения (например, в фотоэлектронной спектроскопии и электронной Оже-спектроскопии) или повышенная разрешающая способность по энергии для α-частиц (например, при восстановлении цепочек радиоактивных распадов).
Список литературы
1. Iniewski, К. (2010). Semiconductor Radiation Detection Systems. CRC Press.
2. Кляинкнехт, К. (1994). Детекторы корпускулярных излучении. Москва: Мир.
3. Патент США US9297912 “Однослойный полупроводниковый детектор трехмерных изображений (3D)” от 29.03.2016 года.
4. Medipix3 collaboration (2005). Получено из Medipix collaboration: https://medipix.web.cern.ch/collaboration/medipix3-collaboration.
5. Sellier, J. M., Fonseca, J. E., & Klimeck, G. (2012). Archimedes, the Free Mone Carlo Simulator: A GNU Package for Submicron Semiconductor Devices on nanoHUB. 15th International Workshop on Computational Electronics (IWCE) (стр. 893). Birck and NCN Publications.
6. NIST. (1996). X-Ray Mass Attenuation Coefficients. Получено из Physical Reference Data: https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html.
7. NIST. (2005). Stopping-Power & Range Tables for Electrons, Protons, and Helium Ions. Получено из Physical Reference Data: https://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ESTAR.html.