P-I-N-диодный дозиметр

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам для преобразования воздействий радиационного излучения в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить уровень радиации или набранную дозу облучения, предпочтительно нейтронного.
Из уровня техники известен P-I-N-диодный преобразователь нейтронного излучения (RU 2408955 C1, опубл. 10.01.2011) содержащий высокоомную подложку кремния N-типа проводимости и несколько инжектирующих электродов p-типа проводимости, при этом эмиттеры p-типа проводимости P-I-N-диодного преобразователя нейтронного излучения расположены в виде матрицы на лицевой стороне подложки, а значение длины базы варьируется глубиной травления кремния на обратной стороне подложки, в области между эмиттером и контактом к области N-типа проводимости.
Недостатком известного полупроводникового прибора является значительный разброс по чувствительности от образца к образцу и зависимость дозы излучения от угла падения, и энергии нейтронного потока, причем эта зависимость будет различной для каждого детектора в группе.
Известен твердотельный детектор заряженных частиц (US 7714300 B1, опубл. 11.05.2010), содержащий PIN-диод; металлический слой на тыльной стороне PIN-диода; проводящее покрытие, которое является однородным и сплошным на лицевой стороне PIN-диода, при этом передняя сторона принимает падающие заряженные частицы, подлежащие обнаружению; электрические соединения с металлическим слоем и проводящим покрытием; оксидное покрытие между проводящим покрытием и PIN-диодом; и проводящие переходные отверстия через оксидное покрытие.
Недостатком известного детектора является очень низкая эффективность регистрации нейтронного излучения за счет незначительной по объему обедненной области.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является PIN – диод (US 3982267 A, опубл. 21.09.1976), содержащий зону из полупроводникового материала с очень высоким удельным сопротивлением, причем эта зона состоит, по существу, из внутреннего материала и имеет две параллельные поверхности. На одной из граней находится слой полупроводника, сильно легированного примесью первого типа N или P. На противоположной грани находится слой, сильно легированный примесью типа, противоположного примеси первого типа.
Недостатком известного диода является значительный разброс по чувствительности от образца к образцу и зависимость дозы излучения от угла падения, и энергии нейтронного потока, причем эта зависимость будет различной для каждого детектора в группе, что ведет к снижению чувствительности обнаружения нейтронного излучения.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является устранение перечисленных недостатков прототипа.
Техническим результатом является повышение чувствительности обнаружения нейтронного излучения.
+
+
+
,
Технический результат достигается тем, что P-I-N-диодный дозиметр, содержит высокоумную подложку кремния область I(N)-типа со временем жизни неосновных носителей заряда свыше 1000 мкс, содержащую с нижней стороны пластины слой проводимости N - типа для формирования омического контакта к подложке, с верхней стороны пластины выполнен слой с проводимостью P-типа, согласно полезной модели обедненная область I(N)-типа, находящаяся между областями P-типа и N-типа, имеет форму куба, а расположенная в ней область P-типа достигает границы диода только с лицевой стороны и занимает 90% её поверхности, при этом контактное окно, составляет 80-85% площади области Р-типа.
Полезная модель поясняется чертежом. На фиг. показан разрез P-I-N-диодного дозиметра.
+
P-I-N-диодный дозиметр состоит из высокоомной кремниевой пластины (область I(N)-типа) толщиной не менее 1,2 мм. Область проводимости P-типа в верхней части кремниевой пластины образована легированием примесью, например, бором. Для формирования надежного омического контакта дополнительно выполняется подлегирование верхнего слоя с Р-типом проводимостью. Конструкция диода выполнена таким образом, чтобы обедненная область I(N)-типа, находящаяся между областями P-типа и N-типа, имеет форму куба, а расположенная в ней область P-типа достигает границу диода только с лицевой стороны.
Это необходимо, чтобы граница P-N перехода не выходила на край диода при скрайбировании (разделении пластины на отдельные кристаллы). Такая конструкция позволяет избежать неконтролируемых токов утечки по границе раздела перехода.
+
+
+
+
Основу конструкции диода составляет область I(N)-типа (высокоомный кремний) 1 в котором методом ионной имплантации с последующим отжигом и разгонкой сформированы следующие слои. С нижней стороны пластины выполнена область (слой) N-типа проводимости 2 для создания омического контакта к подложке 1. С верхней стороны пластины выполнена область (слой)  с проводимостью P-типа 3 легированием примесью для формирования P-N перехода, таким образом, чтобы после всех термических операций область Р-типа достигла границ диода только с лицевой стороны и не попала в область разделения кристаллов, при изготовлении диодов. Для надежного формирования контакта области Р-типа 3 дополнительно подлигируется примесью до образования области (слоя) с проводимостью P-типа 4 так, чтобы с учетом всех термических операций область P-типа не достигала области скрайбирования на боковых поверхностях кристалла. После окисления лицевой части пластины методом фотолитографии формируется контактное окно, отделенное слоем диоксида кремния 7 от остальных зон лицевой поверхности диода, составляющее 80-85% площади области Р-типа 4 для формирования алюминиевой контактной площадки Al 6.
Контакт к области I(N)-типа 1 формируется с тыльной стороны пластины напылением алюминия с дальнейшим выжиганием алюминия. Таким образом при линейном размере диода 1,1х1,1мм и толщине пластины 1,2 мм формируется изделие с областью I(N)-типа кубической формы.
Устройство работает следующим образом.
+
+
Вольт амперная характеристика диода данной конструкции отличается от классической характеристики PIN диода тем, что ток проходящий от контактной площадки 6 к областям P- типа 4, P - типа 3, I(N) - типа 1, N- типа 2 до контакта пластины 5 не растет по экспоненте, а его рост органичен резистивной составляющей I(N)-области 1. Таким образом, если измерять напряжение на отрытом P-N переходе на границе разделов областей 3-1, при заданном токе на восходящей ветви вольтамперной характеристики то можно четко фиксировать изменения, происходящие под действием нейтронного излучения. Под действием нейтронного излучения происходит два процесса в области I(N)-типа 1:
-за счет возникающих структурных изменений под действием нейтронного излучения происходит изменение напряжения открытия перехода P-N перехода на границе разделов областей 3-1. Данное изменение пропорционально поглощенной дозе;
- при больших поглощенных дозах более 10 Гр [Грей] нейтронного излучения происходит легирование кремния 1 за счет ядерных реакций. Под воздействием потока тепловых нейтронов происходит образование радиоактивного изотопа ³¹Si и его последующий распад с образованием стабильного фосфора ³¹P. Легирование уменьшает сопротивление обедненной части кремния и тем самым увеличивает точность измерения поглощенной дозы нейтронного излучения при больших дозах, другими словами, достигаем повышения чувствительности обнаружения нейтронного излучения.
После выпуска партии кристаллов, измеряют начальное напряжение открытия P-N перехода на границе разделов областей 3-1 перехода при токе близком к 1мА. В дальнейшем с заданной периодичностью контролируют изменение данного параметра. Рост напряжения открытия P-N перехода на границе разделов областей 3-1 пропорционален поглощенной дозе и имеет линейную зависимость. Для пересчета измеренного напряжения в дозу или флюенс нейтронов радиации используют калибровочную кривую, которая снимается экспериментально для изготовленной партии детекторов изготовленных с одной партии пластин с одного слитка и в одном технологическом процессе.
2
Для достижения высокой чувствительности особенно к быстрым нейтронам используется кремний с высоким удельным сопротивлением не менее 5000 Ом⋅см с временем жизни неосновных носителей более 1000 мкс. Для компенсации «Анизотропии» - зависимости чувствительности от угла падения нейтронного потока на PIN -детектор, диод спроектирован так, чтобы область I(N)-типа 1 имела кубическую форму с размером стороны около 1 мм. При этом большая область I(N)-типа 1 способствует увеличению чувствительности. Область Р-типа занимает 90% поверхности диода с лицевой стороны, что способствует меньшему разбросу чувствительности диода к нейтронному излучению как на пластине, так и между пластинами при групповом производстве. Кроме того, такая конструкция позволяет избежать неконтролируемых токов утечки, возникающих по границе скрайбирования (резки) пластины на отдельные кристаллы, так как область P-N перехода на границе разделов областей 3-1 не выходит на границу скрайбирования и защищена диоксидом кремния 7.
+
+
Полезная модель позволяет повысить чувствительность обнаружения нейтронного излучения за счет обедненной области I(N)-типа 1, находящейся между областями P-типа и N-типа, выполненной в форме куба, и расположенной в ней области P-типа достигающей границы диода только с лицевой стороны и занимающей 90% её поверхности, при этом контактное окно отделено слоем диоксида кремния от остальных зон лицевой поверхности диода и составляет 80-85% площади области Р типа.
Таким образом достигается повышение чувствительности обнаружения нейтронного излучения.