Детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ядерных излучений. Область применения - эксперименты ядерной и ускорительной физики, в том числе регистрация нейтронного излучения при использовании совместно с конвертером.
++
+
+
Известна конструкция ядерного детектора [R. Horisberger, «The bipolar silicon microstrip detector: a proposal for a novel precision tracking device», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, V. 288, pp. 87-91, 1990], объединяющая технологию полностью обедненных кремниевых микростриповых детекторов, изготовленных на кремнии, с концепцией биполярного транзистора. Это достигается путем добавления n-«кармана» внутрь p-имплантированной области p-i-n диода, которая представляет собой стрип либо пиксель координатного детектора. Самая простая схема считывания с биполярной матрицы пикселей с помощью алюминиевой шины также дает биполярный микростриповый детектор. Полученная структура обладает усилением и является по сути биполярным транзистором с высокоомным коллектором.
Известны различные конструкции координатно-чувствительных детекторов, содержащих двухмерную матрицу из полупроводниковых одно- и двухэмиттерных биполярных транзисторов и их различные варианты исполнения [Патент РФ 2133524 С1, «Координатно-чувствительный детектор (варианты)», Мурашев В.Н. и др., опубликовано 20 июля 1999 г.].
12
-2
++
12
-2
4
-1
Известен одиночный детектор на основе кремниевого биполярного транзистора, имеющий выскокий коэффициент усиления [D.J. Hana, G. Batignani, A. Del Guerra, G.-F. Dalla Betta, M. Boscardin, L. Bosisio, M. Giorgi, F. Forti, «High-gain bipolar detector on float-zone silicon», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, V. 512, pp. 572-577, 2003]. Детектор изготовлен на подложке высокочистого кремния, полученного зонной плавкой, толщиной 280 мкм, к обратной стороне которой изготовлен омический контакт на основе геттерированного слоя аморфного кремния, легированного фосфором, для сохранения высоких времен жизни неравновесных носителей в используемом материале. База формировалась имплантацией бора с энергией 400 кэВ и дозой 1⋅10 см с последующей разгонкой. Последующее формирование n-эмиттера проводилось имплантацией фосфора с энергией 400 кэВ (доза 7⋅10 см) и дальнейшей диффузией. Эмиттер имел круговую геометрию диаметром 2 мм. При этих параметрах детектор демонстрировал высокий коэффициент усиления: 3820 для 22 кэВ-ных рентгеновских квантов источника Cd (поток 7.77⋅10 с) и 4400 для инфракрасного излучения с длиной волны 0.83 мкм и мощностью 0.17 нВт.
2
Известен координатный микростриповый детектор [G. Batignani, S. Bettarini, М. Bondioli, М. Boscardin, L. Bosisio, G.-F. Dalla Betta, S. Dittongo, F. Forti, G. Giacomini, M.A. Giorgi, P. Gregori, C. Piemonte, I. Rachevskaia, S. Ronchin, and N. Zorzi «Functional Characterization of a High-Gain BJT Radiation Detector», IEEE Transactions on Nuclear Science, V. 52, NO. 5, 2005] в котором каждый стрип представляет собой биполярный детектор. Эмиттер такого транзистора площадью 18×18 мкм расположен в конце длинной базовой области (4.8 мм), которая и является стрипом. Детектор содержит 25 стрипов шириной 30 мкм и шагом 100 мкм. Типичный коэффициент усиления такого прибора составил 600.
Недостатком всех перечисленных выше конструкций на основе Si является низкая тепловая устойчивость и невысокая эффективность регистрации гамма-излучения с энергией более 20 кэВ.
+
-
++
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является детектор на основе гетеробиполярного транзистора [G.I. Ayzenshtat, D.Y. Mokeev, О.P. Tolbanov, V.A. Khan «Modeling of characteristics of ionizing radiation detector based on AlGaAs-GaAs heterostructure», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, V. 494, pp. 229-232, 2002]. Детектор работает по принципу, описанному выше и представляет собой гетеробиполярный транзистор с высокоомным коллектором. Конструкция имеет следующую последовательность слоев n-AlGaAs-эмиттер/p-GaAs база/ n-GaAs-коллектор/ n-GaAs-коллектор. Использование широкозонного эмиттера позволяет создать дополнительный потенциальный барьер для дырок, связанный с разрывом энергетических зон. Этот барьер препятствует «уходу» дырок из базы в эмиттер, что увеличивает коэффициент инжекции эмиттера и соответственно коэффициент усиления. Использование GaAs в качестве материала детектора значительно повышает эффективность регистрации гамма-квантов в сравнении с кремнием.
Особенностью данного класса приборов (детекторов с внутренним усилением на основе биполярного или гетеробиполярного транзистора) является то, что падение потенциала, создаваемое дырками на эмиттере обратно пропорционально его емкости. Таким образом, для увеличения коэффициента усиления детектора необходимо уменьшать площадь эмиттерного перехода.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение чувствительности детекторов с усилением на основе гетеробиполярного транзистора.
+
+
+
+
+
Технический результат достигается тем, что детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора, содержащий n-подложку, на обратной стороне которой сформирован омический контакт, на рабочей стороне подложки последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой высокоомного коллектора, эпитаксиальный р-слой базы, толщина которого много меньше диффузионной длины электронов, гетероэпитаксиальный n-слой широкозонного полупроводника и узкозонный контактный n-слой гетероэмиттера, к узкозонному контактному n-слою гетероэмиттера сформирован омический контакт, между эпитаксиальным p-слоем базы и n-слоем гетероэмиттера дополнительно содержит эпитаксиальный i-слой гетероэмиттера толщиной много меньше длины амбиполярной диффузии. Введение эпитаксиального i-слоя гетероэмиттера позволяет снизить барьерную емкость гетероперехода и, тем самым, увеличить создаваемый зарядом дырок в базе потенциал, открывающий гетероэмиттер.
Полезная модель поясняется приведенным ниже чертежом.
+
+
+
+
+
На фиг. 1 показана принципиальная конструкция детектора с усилением, содержащего n-подложку 1, на обратной стороне которой сформирован омический контакт коллектора 2; на рабочей стороне n-подложки 1 последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой высокоомного коллектора 3, эпитаксиальный p-слой базы 4, эпитаксиальный i-слой гетероэмиттера 5 и гетероэпитаксиальный n-слой широкозонного полупроводника 6, узкозонный контактный n-слой гетероэмиттера 7, к узкозонному контактному n-слою гетероэмиттера 7 сформирован омический контакт гетероэмиттера 8; поверхность полупроводниковой структуры закрыта пассивирующим покрытием 9; к омическому контакту гетероэмиттера 8 последовательно сформирована контактная площадка 10.
Принцип работы детектора аналогичен вышеописанному: генерированные в области эпитаксиального i-слоя высокоомного коллектора 3 электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем; далее дырки, попадая в квазинейтральную область эпитаксиального p-слоя базы 4, создают падение потенциала на гетероэмиттере, вызывая инжекционный ток. Толщины эпитаксиального i-слоя гетероэмиттера 5 и эпитаксиального р-слоя базы 4 выбираются таким образом, чтобы инжектируемые электроны из гетероэмиттера полностью «попадали» в коллектор, то есть толщина эпитаксиального i-слоя гетероэмиттера 5 должна быть много меньше длины амбиполярной диффузии, а толщина эпитаксиального р-слоя базы 4 должна быть значительно меньше диффузионной длины электронов.
11
-3
+
18
-3
18
19
-3
+
+
+
17
18
-3
+
19
-3
x
1-x
0.5
0.5
Далее представлен один из примеров реализации предлагаемой полезной модели. Детектор изготавливается с помощью стандартных технологических операций микроэлектроники. В настоящем патенте представлен пример создания предложенной конструкции на GaAs, однако данная меза-планарная технология может быть также реализована и на других широкозонных полупроводниковых соединениях, таких как GaN, SiC и др. Эпитаксиальный i-слой высокоомного коллектора 3 толщиной 40-120 мкм с концентрацией носителей на уровне 3⋅10 см выращивается методом хлоридной эпитаксии на n-подложке 1 из GaAs, легированной до концентрации 2⋅10 см. Сверху эпитаксиального i-слоя высокоомного коллектора 3 методом МОС-гидридной эпитаксии выращивается эпитаксиальный р-слой базы 4 толщиной до 0.3 мкм и уровнем легирования 1⋅10-5⋅10 см; далее методами МОС-гидридной или молекулярно-пучковой эпитаксии последовательно выращиваются: эпитаксиальный i-слой гетероэмиттера 5; гетероэпитаксиальный n-слой широкозонного полупроводника 6 на основе твердого раствора AlGaAs и узкозонный контактный n-слой гетероэмиттера 7 на основе твердого раствора InGaAs Уровень легирования гетероэпитаксиального n-слоя широкозонного полупроводника 6 выбирается на уровне 2⋅10-2⋅10 см, уровень легирования узкозонного контактного n-слоя гетероэмиттера 7 - не ниже 1⋅10 см.
Основные технологические операции изготовления детектора:
+
1) Формирование омического контакта коллектора 2 на основе системы Ni/AuGe/Au к n-подложке 1 методом термического напыления;
+
2) Формирование рисунка металлизации омического контакта гетероэмиттера 8 на основе Ni/AuGe/Au к узкозонному контактному n-слою гетероэмиттера 7 посредством термического напыления и «взрывной» фотолитографии;
3) Формирование двойной меза-структуры методом реактивного ионно-лучевого травления;
+
-6
4) Вжигание омических контактов коллектора 2 и гетероэмиттера 8 к n-слоям в течение 1.5 мин при температуре 450°С в атмосфере азота или вакууме при остаточном давлении не ниже 2⋅10 мм. рт.ст;
5) Осаждение пассивирующего покрытия 9, например полиимида, и вскрытие окон под контакты;
6) Формирование контактных площадок 10 с помощью гальванического осаждения золота.
Представленная технология позволяет создавать как дискретные, так и координатные детекторы.