ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
DETECTOR OF IONISING RADIATIONS

Изобретение относится к твердотельным детекторам ионизирующих излучений.
Твердотельные детекторы ионизирующих излучений являются элементной базой диагностических систем атомных предприятий, геологической разведки, экологического мониторинга окружающей среды и медицинской техники.
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.
В качестве прототипа изобретения предлагается использовать кремниевый твердотельный детектор барьерного типа [2]. Он представляет собой многоэлементный детектор, выполненный на основе барьерной кремниевой p-i-n структуры, использование которой обеспечивает возможность устранения рекомбинационных каналов внутри i-слоя посредством обратного смещения структуры и практически обеспечивает 100% разделение информативных неравновесных носителей со считыванием заряда во внешнюю цепь. Конструкция такого детектора представляет кремниевую подложку с омическим контактом к ее тыльной стороне, несущую многослойную структуру из последовательно расположенных друг на друге следующих полупроводниковых кремниевых слоев: изотипного подложке слоя (например, для подложки n-типа проводимости, слоя n-типа проводимости), высокоомного слоя с проводимостью, близкой к собственной, и высоколегированного слоя, противоположного подложке типа проводимости, с омическим контактом к нему; при этом высоколегированный слой противоположного подложке типа проводимости вместе с контактным слоем разделен на гальванически несвязанные области изолирующими областями (например, разделен воздушным промежутком посредством травления «мез»). Толщины и уровни легирования (уровни концентраций доминирующих равновесных носителей) слоев задают исходя из условий конкретных решаемых задач (типа и энергии детектируемых излучений), и диапазоны их составляют обычно следующие величины: несущая подложка толщиной 300…700 мкм легирована донорами до концентраций
17
19
-3
17
19
-3
10…10 см, слой, изотипный подложке (например, n-слой), толщиной 0,5…10,0 мкм с уровнем легирования донорной примесью ~10…10 см; i-слой (приемный слой) толщиной от 5 мкм до 500 мкм при уровне загрязнения фоновой примесью не выше
13
-3
17
19
-3
10 см; p-слой имеет толщину от 0,1 мкм до 0,5 мкм при легировании примесью акцепторного типа до уровня ~10…10 см.
Пороговая чувствительность таких детекторов ограничивается токами утечек барьерных контактов и уровнем собственных шумов (в частности, уровнем генерационно-рекомбинационного шума). Исполнение такого детектора в виде многоэлементной конструкции позволяет существенно повысить пространственное разрешение (до 10 мкм), что дает возможность активно использовать Si p-i-n детекторы для задач, связанных с позиционированием пучка, и для дефектоскопии.
-10
Однако в ряде задач, пороговой чувствительности даже этих детекторов оказывается недостаточно. В частности, это характерно при попытках их использования в системах экологического мониторинга либо в системах медицинской диагностики. Причина тому - необходимость работы с чрезвычайно слабыми потоками ионизирующих излучений. Так, при экологическом мониторинге местности, в силу загрязнения остаточными радионуклидами самого материала датчика (кремния), при дозиметрических измерениях детектор, подчас, начинает регистрировать собственный радиационный фон. Те же требования к повышению чувствительности возникают и в медицинских применениях, например при техническом обеспечении диагностических методик радиологических центров. В частности, при типичных для полупроводниковых детекторов (ППД) на основе кремния токах утечки ~5·10 A на ячейку в дозиметрических системах контроля с постоянной времени обработки информации ~1 мкс возможна регистрация одиночных квантов лишь в области энергий, превышающих 20 кэВ. Очевидно, что для безопасности пациентов и обслуживающего персонала предпочтительным является воздействие на них малых доз и энергий.
Указанный недостаток прототипа предлагается устранить посредством изготовления однокристальной конструкции, схематически представленной на фиг.1-3, позволяющей перед регистрацией входного потока ионизирующего излучения приемно-преобразовательным высокоомным i-слоем Si p-i-n структуры производить полное либо частичное его преобразование в алмазном слое в поток вторичных электронов с умножением их числа и последующим вводом вторичных электронов в высокоомный i-слой Si p-i-n детекторной структуры.
Предлагается в детектор ионизирующих излучений, содержащий полупроводниковую подложку 1 с омическим контактом 2 к ее тыльной стороне, с расположенными на ее лицевой стороне последовательно друг на друге изотипным подложке полупроводниковым слоем 3, полупроводниковым высокоомным слоем 4, полупроводниковым слоем 5 противоположного подложке типа проводимости, контактным слоем 6, при этом последние два из упомянутых слоев 5 и 6 выполнены в виде гальванически не связанных областей (например, отделены воздушными промежутками 7 посредством травления «мез»), дополнительно ввести микроструктурированный (например, выполненный в виде сетки с ячейками микронного либо субмикронного размера) слой 8 из алмаза (С*), слаболегированный акцепторами и расположенный на упомянутом контактном слое 6, и второй контактный слой 9, расположенный на лицевой стороне слоя 8.
На фиг.1-3 представлены схематическое изображение предлагаемого детектора (фиг.1) и его проекции в направлениях А-А (фиг.2) и ВВ (фиг.3), где введены следующие обозначения:
1 - полупроводниковая подложка, 2 - омический контакт к тыльной стороне подложки, 3 - изотипный подложке полупроводниковый слой, 4 - высокоомный приемно-преобразовательный слой, 5 - полупроводниковый слой противоположного подложке типа проводимости, 6 - контактный слой, 7 - воздушные зазоры (изолирующие промежутки), 8 - микроструктурированный слой из алмаза, С*, 9 - второй контактный слой, 10 - межэлектродная изоляция.
Положительный эффект (повышение чувствительности детектора по сравнению с прототипом) обеспечивается тем, что область микроструктурированного слоя из алмаза (С*) р-типа проводимости, в силу отрицательного значения энергии сродства у алмаза к электрону, будет вести себя по отношению к потоку ионизирующих излучений как умножитель потока частиц. Действительно, согласно [3] существует простая связь между количеством вторичных (δ-электронов) электронов и энергией первичной частицы  (здесь ε~10 эВ, есть энергия образования по ионизационному механизму в алмазе δ-электронов). Так, при энергии первичной частицы ~1 МэВ, одной первичной частицей в микроструктурированной алмазной пленке будет рождено 100000 вторичных электронов. Поэтому вторичные электроны, родившиеся в алмазной сеткообразной 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 воздушный промежуток (в поры микроструктурированного слоя из алмаза). Ускоряясь в направлении к р-слою p-i-n структуры и дополнительно умножаясь, массив из вторичных электронов внедряется в высокоомный i-слой кремния, порождает электронно-дырочные пары, ток которых и будет считан во внешнюю цепь. С целью уменьшения потерь, контактный слой 6 может быть выполнен по топологическому рисунку микроструктурированного алмазного слоя, например, в виде сетки (в частности, например, сетки из молибдена, сформированной в одном фотолитографическом процессе на стадии формирования сетчатого рисунка из нанокристаллических зародышей для роста алмазного С* слоя 8).
Таким образом можно достичь повышения чувствительности (понижения порога чувствительности детектора) за счет умножения первичного потока в микроструктурированном слое из алмаза, С*, детекторной структуры, не увеличивая при этом ток от компонентов собственных шумов детектора (его тепловой, генерационно-рекомбинационной и дробовой компонент). Многоэлементность конструкции, обусловленная разделением воздушными промежутками слоев 5 и 6 на локальные области, позволяет детектировать плоские изображения в слабых потоках частиц либо ионизирующих γ-излучений.
Работа заявляемого детектора осуществляется следующим образом.
Высокоэнергетические частицы, либо гамма-кванты, взаимодействуют с ионами решетки объема микроструктурированного слоя из алмаза (С*) 8 по одному из известных механизмов, преобразуя энергию ионизирующего излучения в неравновесные электроны [3], с последующим выходом неравновесных электронов в поры алмазного слоя, ускорением их во внешнем поле в направлении р-слоя кремниевой p-i-n структуры с последующим внедрением в высокоомный i-слой. В i-слое происходит преобразование потока вторичных электронов в неравновесные электронно-дырочные пары, заряд которых в поле обратно смещенной p-i-n структуры и будет считан во внешнюю цепь в виде информационного тока. Таким образом, можно осуществить эффективное умножение первичного потока, особенно малых потоков (тяжелых частиц либо медленных электронов). Толщина алмазного слоя С* 8 определяется условиями конкретной задачи (энергией и типом детектируемых высокоэнергетических частиц либо квантов). В частности, для потока первичных электронов с энергией ~1 кэВ оптимальная толщина слоя 8 составит ~3…5 мкм, а для α-частиц с энергией 5 МэВ она составит 50…60 мкм.
Назначение контактных слоев 6 и 9 - обеспечить гальваническую связь для задания на структуре разности потенциалов, создающей ускоряющее в слое С* поле, а в i-слое - поле, разделяющее неравновесные электроны и дырки.
-9
6
Размер локальной области (ячеек приемопреобразовательных областей многоэлементных детекторов) снизу ограничен диффузным размывом изображения, в силу малости времени пролета (~10 с) и незначительности градиента концентрации неравновесных носителей (для энергий детектируемых α-частиц ~5 МэВ, не превышает величины 10 шт/мкм), он не превышает 1-2 мкм, что делает детектор актуальным для регистрации с высоким пространственным разрешением плоских изображений в потоках ионизирующих излучений. С учетом пространственного разнесения элементов разрешение изображения в плоскости пластины будет зависеть от толщины приемного слоя 3, а значит будет варьироваться в зависимости от типа регистрируемого излучения и его энергетических характеристик.
Заметим, альтернативам материалу Si p-i-n структуры может быть p-i-n структуры из арсенида галлия, теллурида кадмия и т.д. Использование этих материалов позволит, помимо указанных выше преимуществ, реализовать существенно большую (на полтора-два порядка) чем у прототипа стойкость приборов к дозовым радиационным нагрузкам.
Изготовить предлагаемую Si p-i-n/C* 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 пленок.
Для этого на контактный электрод 6 к верхнему слою детекторной p-i-n структуры наносят 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 формируют 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 [4] микроструктурированный алмазный слой, слаболегированный акцепторами 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. - прототип.
3. В.Б.Берестецкий, Е.М.Лившиц, Л.П.Питаевский. // Релятивистская квантовая теория. ч.1. Изд. «Наука», Москва 1968.
4. 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.