ИНТЕГРАЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА ДЕТЕКТОРА ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА С СЕТЧАТОЙ БАЗОЙ
INTEGRAL CELL FOR RADIATION DETECTOR BASED ON BIPOLAR TRANSISTOR WITH CELLULAR BASE

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам, применяемым в области приборостроения и, в частности, может быть использовано при создании приемников изображений оптического, рентгеновского или нейтронного излучений.
Известны ячейки детекторов релятивистских частиц, выполненных в виде диодных матриц (W.Lange at of Contribution to International Conference on Instrumentation for Colliding Beam Physics, J5-21 March 1990, Novosibirsk), либо биполярных структур (патент на изобретение №2197036 от 20.01.2003, заявка №2002118855, приоритет 7.07.2002). Недостатком таких ячеек является недостаточная чувствительность, т.к. ячейки не обеспечивают максимальный уровень собираемого ионизационного заряда и соответственно наилучшее соотношение сигнал-шум, из-за повышенной скорости рекомбинации в сильнолегированной области базы.
Наиболее близким по технической сущности решением (прототипом) является структура ячейки, представленная в (патент на изобретение №2197036 от 20.01.2003). Основными недостатками такой ячейки является также повышенная скорость рекомбинации ионизационного заряда в сильнолегированной области базы, образуемого излучениями в ультрафиолетовом оптическом или «мягком» рентгеновском спектре (с энергией квантов от 3 эВ до 10 кэВ), а также значительная паразитная емкость р-n перехода коллектор-база, приводящая к снижению коэффициента усиления ионизационного тока биполярной структурой.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение чувствительности детекторов излучения и улучшение соотношение сигнал-шум.
Данная цель достигается за счет выполнения области базы биполярной структуры в виде сетки (см. фиг.1а, б). Такая конструкция ячейки очевидно имеет меньшую емкость база-коллектор, по сравнению с емкостью база-коллектор обычного транзистора, при этом объем р+ базы, где возможна рекомбинация, минимален. Вокруг р+ областей сетчатой базы образуется область пространственного заряда (ОПЗ), которая перекрывает весь объем полупроводникового материала между р+ областями, препятствуя рекомбинации электронно-дырочных пар, образованных излучением. Это обстоятельство позволяет более эффективно усиливать первичный ионизационный ток, созданный радиационным излучением. И улучшить соотношение сигнал/шум.
Двухкоординатная реализация ячейки показана на фиг.2а, б.
Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой работает следующим образом. При прохождении через подложку 1 радиационной частицы (см. фиг.1а) вдоль ее трека образуются электронно-дырочные пары, которые собираются полем в ОПЗ образованного в области р-n перехода коллектор-база при подаче на коллектор относительно эмиттера положительного напряжения +Vc. Образованные радиационным излучением электронно-дырочные пары в области ОПЗ не рекомбинируют, а разделяются полем и образуют первичный ионизационный ток коллекторного р-n перехода. Он усиливается биполярной структурой транзистора (в десятки-сотни раз) и образует токи коллектора и эмиттера.
Изобретение поясняется приведенными чертежами. На фиг.1а приведен схематический разрез ячейки (пикселы) детектора излучений по ортогональной оси А-А, а на фиг.1б представлен ее топологический чертеж, т.е. вид сверху. Ячейка детектора излучений с сетчатой базой содержит полупроводниковую подложку 1 первого (n) типа проводимости, которая образует область коллектора детектора. 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.
Ниже приведены конкретные примеры реализации изобретения.
Пример 1
Двумерная матрица пиксел детектора может быть выполнена по стандартной технологии, используемой при изготовлении интегральных схем. Пример технологической реализации показан на фиг.1, 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 R~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 с последующей имплантация в него, например, атомов мышьяка, термическом отжиге и разгонке мышьяка из поликремния в подложку, т.е. формировании области эмиттера и проведении фотолитографии по поликремнию для формирования областей эмиттера 5;
г) осаждении 2-го слоя диэлектрика, формировании в нем контактных окон, осаждении алюминия - 6.