АЛМАЗНЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
DIAMOND DETECTOR OF IONISING RADIATION

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений, в частности к алмазным детекторам, способным работать в условиях повышенных температур, пониженных давлений, в агрессивных средах.
Основными областями применения алмазных детекторов являются атомная, космическая, медицинская отрасли. Изобретение относится к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений, в частности к алмазным детекторам, способным работать в условиях повышенных температур, пониженных давлений, в агрессивных средах.
Простейший алмазный полупроводниковый детектор представляет собой алмазную пластину, на противоположные стороны которой нанесены контактные электроды, на которые подается напряжение смещения и с которых производится съем сигнала. При попадании ионизирующего излучения в пластину в алмазе образуются свободные заряды (электронно-дырочные пары), которые под действием напряжения смещения движутся к контактным электродам. В результате возникает электрический ток, регистрируемый электронной аппаратурой, подключенной к детектору. Алмаз обладает определенными преимуществами по сравнению с другими полупроводниками для изготовления детекторов в ряде приложений. Алмаз является полупроводником с большой шириной запрещенной зоны (5.47 эВ) и высокой напряженностью пробоя (свыше 10 МВ/см). Поэтому алмаз обладает нулевой собственной проводимостью, а алмазные детекторы демонстрируют практически нулевые токи утечки не только при комнатной температуре, но и при нагреве до 300°C и выше. Высокая энергия выбивания атома углерода из узла кристаллической решетки алмаза обеспечивает низкую скорость деградации алмаза при облучении высокими дозами ионизирующих излучений и, следовательно, высокую радиационную стойкость алмазных детекторов.
Прототипом представленного изобретения является тонкопленочный алмазный детектор без отделения от кристалла-подложки, описание которого можно найти, например, в статье [1]. Прототип схематически изображен на фиг.1, вид со стороны боковой грани пластины. Прототип состоит из: алмазной подложки 1, проводящего алмазного слоя 2 (который играет роль нижнего контактного электрода), активного алмазного слоя детектора 3, верхнего контактного электрода 4 и выводов 5, соединенных с контактными электродами. Проводящий алмазный слой 2 может быть изготовлен либо путем легирования бором, либо с помощью графитизации подповерхностного слоя методом ионной имплантации. Активный алмазный слой детектора 3 изготавливается методом CVD-роста с соблюдением высокой степени чистоты, необходимой для обеспечения свободного дрейфа зарядов, образующихся при попадании ионизирующего излучения, между проводящими слоями 2 и 4.
Недостатком прототипа, изображенного на фиг. 1, является малое расстояние между открытыми участками контактных электродов 2 и 4, что может привести к утечкам по поверхности активного слоя 3 и в худшем случае к пробою. Из-за высокой напряженности алмаза (более 1000 В/мкм) пробоя через объем активного слоя не происходит. Однако при малом расстоянии между краями противоположных контактных электродов 2 и 4 иногда наблюдаются утечки по поверхности из-за поверхностных дефектов или загрязнений, возникающих в процессе изготовления детектора и/или его работы, которые сложно контролировать. Такая конструкция детектора полностью исключает возможность его использования при работе в агрессивных средах, например при использовании в приборах контроля режимов работы реактора, или при производстве ядерного топлива, когда требуется постоянная дезактивация детекторов активными растворами. Также при работе детектора при пониженных давлениях не удается обеспечить защиту от пробоя по поверхности из-за того, что электрическая прочность разреженного газа незначительна.
Малое расстояние между открытым участком проводящего алмазного слоя 2 (необходимого для подсоединения вывода 5) и верхним контактным электродом 4 обусловлено малыми размерами доступных алмазных подложек 1 (как правило, несколько мм). Поэтому для эффективного использования площади детектора расстояние от края верхнего контактного электрода 4 до края активного алмазного слоя 3 не превышает 0.1-0.3 мм. Даже незначительные утечки приводят к невозможности зарегистрировать сигнал, возникающий при попадании заряженной частицы в детектор, из-за его малой амплитуды.
В настоящем изобретении представлен алмазный детектор ионизирующего излучений, свободный от данного недостатка. Схематическое изображение предлагаемого детектора показано на фиг.2. В предлагаемом детекторе проводящий алмазный слой 2, играющий роль нижнего контактного электрода, полностью изолирован активным алмазным слоем 3. В процессе CVD-роста активного алмазного слоя алмаз растет не только в вертикальном направлении, но и со стороны боковых граней кристалла-подложки 1 (в прототипе на фиг.1 его либо сошлифовывают с боковой грани, либо оставляют открытый участок проводящего алмазного слоя 2 для подсоединения вывода 5). Электрическое соединение вывода 5 с нижним контактным электродом 2 осуществляется с помощью проводящих графитовых столбиков 6, изготовленных в алмазной подложке 1 с помощью лазерного излучения. Технология изготовления графитизированных областей внутри кристалла алмаза описана в [2] и применение графитизированных областей в качестве контактных электродов алмазных детекторов описаны в [3]. Изготовление графитизированных областей внутри алмаза возможно благодаря его прозрачности и производится путем фокусировки лазерного излучения на требуемой глубине внутри кристалла. Ширина графитового столбика определяется мощностью лазерного излучения и длительностью импульсов лазера. Соединение верхнего контактного электрода с выводом 5 может осуществляться как с помощью провода (как в прототипе на фиг.1), так и с помощью графитового столбика, проходящего через весь кристалл, как показано на фиг.2. В последнем случае в месте расположения второго графитового столбика не должно быть нижнего контактного электрода 2, чтобы обеспечить изоляцию между контактами. Также в этом случае возможно присоединение детектора к печатной плате методом контактного монтажа без использования проводов. В представленном детекторе все минимальные зазоры между противоположными электродами 2 и 4 находятся внутри алмаза, что значительно уменьшает вероятность утечек, пробоя и увеличивает надежность работы детектора, в том числе в условиях повышенных температур и контакта с агрессивными средами.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является изолированный нижний контактный электрод со стороны боковых граней с выводом электрического контакта на нижнюю грань кристалла-подложки с помощью графитовых столбиков, расположенных внутри алмазной структуры. Это исключает утечки и пробой по поверхности кристалла, что повышает устойчивость детектора к внешним воздействующим факторам.
Технических результат достигается путем изготовления проводящих графитовых столбиков внутри алмазного кристалла-подложки, выходящих на нижнюю грань кристалла-подложки, обеспечивающих электрическое соединение вывода с нижним контактным электродом.
Технических решений, содержащих совокупность признаков, сходных с отличительными, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Предлагаемое изобретение имеет изобретательский уровень, так как сочетание новых признаков с уже известными не очевидно для специалиста.
Источники информации
1. A. Balducci et al., Synthesis and characterization of a single-crystal chemical-vapor-deposition diamond particle detector, Applied Phys. Lett. 86 (2005) 213507-1-3.
2. A. Oh et al., A novel detector with graphitic electrodes in CVD diamond, Diamond Relat. Mater. 38 (2013) 9.
3. T.V. Kononenko, et al. Microstructuring of diamond bulk by IR femtosecond laser pulses. Applied Physics A, 90 (2008) 645.