ИНТЕГРАЛЬНАЯ БИ-МОП ЯЧЕЙКА ДЕТЕКТОРА ИЗЛУЧЕНИЙ
INTEGRATED BI-MOS RADIATION DETECTOR CELL

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц.
Известны ячейки (пиксели) для детекторов излучений на основе обратно смещенного диода [1], либо биполярных структур [2,3]. Такие ячейки не обеспечивают максимальный уровень собираемого ионизационного тока и наилучшее соотношение сигнал-шум из-за повышенной скорости рекомбинации на полупроводниковой поверхности коллекторной области, граничащей с диэлектриком и областью базы, которая имеет плавающий потенциал.
Наиболее близкой по технической сущности является ячейка детектора излучений [2]. Данная конструкция ячейки (пикселы) выбирается в качестве прототипа. Ячейка-прототип содержит в полупроводниковой подложке коллекторную область 1-го типа проводимости, в которой расположена область базы 2-го типа проводимости, в которой расположена область эмиттера 1-го типа проводимости, на которой расположен электрод эмиттера. Данная ячейка также не обладает максимальной чувствительностью из-за высокой скорости рекомбинации на границе раздела полупроводниковой области коллектора с диэлектриком.
Техническим результатом настоящего изобретения является максимальное повышение чувствительности детекторов излучения и улучшение соотношения сигнал-шум.
Указанный технический результат достигается в конструкции БИ-МОП ячейки (пикселе) детектора излучений, содержащей полупроводниковую подложку, в которой имеется коллекторная область 1-го типа проводимости, на поверхности которой расположен диэлектрический слой, примыкающий к поверхности области базы 2-го типа проводимости, за счет того, что на поверхности диэлектрического слоя расположен электропроводящий электрод-затвор МОП структуры, у которой область базы является истоком, а область коллектора - подзатворной областью.
В частном случае на поверхности базы может быть размещен электрод базы, образующий с ней омический контакт.
Отличие заявляемой как изобретение интегральной БИ-МОП ячейки детектора излучений заключается в том, что на поверхности коллекторной области биполярного транзистора образована МОП структура, у которой область коллектора является подзатворной областью, а область базы образует область истока. На поверхности коллекторной области расположен диэлектрик, а на его поверхности электропроводящий электрод-затвор.
Наличие МОП структуры в ячейке (пикселе) позволяет оптимально управлять поверхностным потенциалом на границе раздела полупроводниковой области коллектора и диэлектрика, что позволяет минимизировать скорость поверхностной рекомбинации генерируемых радиационными частицами электронно-дырочных пар, а также увеличить их собираемость за счет создания в подзатворной области потенциальной ямы для носителей заряда (дырок) 2-го типа проводимости. Данное обстоятельство приводит к повышению чувствительности БИ-МОП ячейки (пикселы) к ионизационному заряду, создаваемому радиационными частицами, и уменьшению соотношения сигнал/шум.
Изобретение поясняется приведенными чертежами. На фиг.1а приведен схематический разрез ячейки (пикселы) детектора излучений, а на фиг.1б представлен ее топологический чертеж, вид сверху. Интегральная БИ-МОП пиксела излучений содержит полупроводниковую подложку 1 первого (n) типа проводимости, которая образует область коллектора БИ-МОП структуры. Нижняя часть подложки 1 сильно легирована и образует слой 2 для создания омического контакта к коллекторному электроду 3. В области коллектора-подложки 1 расположена область базы 4 второго (р) типа проводимости. В области базы 4 расположена область эмиттера 5 первого (n) типа проводимости, на которой расположен электрод эмиттера 6. На поверхности области коллектора-подложки 1 расположен диэлектрический слой 7, на поверхности диэлектрического слоя 7 расположен электропроводящий электрод затвора 8. В общем случае на поверхности базы 4 может быть расположен электрод базы 9 (см. рис.2а, б).
БИ-МОП ячейка координатного детектора (пиксела) работает следующим образом.
При прохождении через подложку 1 радиационной частицы (см. фиг.1), например релятивистского электрона, вдоль ее трека образуются электронно-дырочные пары, которые собираются полем в основном в области пространственного заряда (ОПЗ), образованного в области р-n перехода коллектор-база при подаче на коллектор относительно эмиттера положительного напряжения +Vc, а частично в квазинейтральной области. Образованные радиационной частицей электронно-дырочные пары разделяются полем и образуют первичный ионизационный ток коллекторного р-n перехода. Ионизационный ток усиливается биполярной структурой транзистора в десятки-сотни раз и образует токи коллектора и эмиттера, которые регистрируются во внешней цепи, например, путем измерения напряжения на нагрузочном сопротивлении в цепи эмиттера или коллектора.
Электронно-дырочные пары, приближающиеся к поверхности подложки, имеют возможность рекомбинировать на границе раздела окисел 7-полупроводник 1. Данное обстоятельство приводит к уменьшению чувствительности пиксели и уменьшению соотношения сигнал/шум. Наличие затвора 8 на поверхности диэлектрика позволяет минимизировать скорость поверхностной рекомбинации за счет управления напряжением и плоских зон на границе раздела [4].
Пример конкретной реализации.
Двумерная матрица пиксел детектора может быть выполнена по стандартной технологии, используемой при изготовлении интегральных схем. Пример технологической реализации показан на фиг.3, который заключается в выполнении нижеперечисленных технологических операций:
а) формировании n+- контактной области к коллектору, например диффузией фосфора в обратную сторону пластины кремния с омическим сопротивлением Pv~5 кОм/см;
б) окислении поверхности кремния и формировании в оксиде окон для базовых областей 4 с помощью процесса фотолитографии и формировании областей базы путем имплантации атомов бора и последующем режиме отжига и разгонки базовой примеси в глубину подложки;
в) осаждении поликристаллического слоя кремния на поверхность пластины, в последующей имплантации в него, например, атомов мышьяка, в термическом обжиге и разгонке мышьяка из поликремния в подложку, т.е. в формировании области эмиттера и проведении фотолитографии по поликремнию для формирования областей полевого затвора 8, эмиттера 5 и электрода эмиттера 6;
г) в осаждении 2-го слоя диэлектрика, формировании в нем контактных окон, осаждении алюминия-10 и формировании фотолитографией омических контактов к общему затвору 8 матрицы и эмиттерам пикселы 6, и коллектору.
Литература
1) D.Patti et al. United States. Patent № US 6,465,857, B1. Date Oct. 15.2002, US 006465857 B1.
2) Мурашев В.Н. и др. "Координационный детектор релятивистских частиц" патент на изобретение №2197036 от 20.01.2003 приоритет от 19.02.2000 г.
3) Мурашев В.Н. "Интегральная ячейка детектора излучения" заявка на патент №2002118855 17.07.2002.
4) С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир. 1984 г. T.1.