Способ осуществления внутреннего пропорционального усиления в полупроводниковом детекторе частиц и излучений и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к детекторам частиц и излучений, и может быть использовано при решении ряда фундаментальных физических задач, в том числе при исследовании и регистрации редких событий, а также в физике высоких энергий для координатных измерений. Сущность: величины напряженности поля в детекторе, необходимой для лавинного размножения носителей, достигают выбором соотношения геометрических параметров детектора, при этом размеры детектора выбирают из соотношения где Е - напряженность поля в рабочей области; V - напряжение, приложенное к детектору; V_d - напряжение обеднения; L - толщина рабочей области; d - ширина стрипа; S - расстояние между стрипами; y - расстояние до стрипа. Способ реализуется в планарном полупроводниковом детекторе частиц и излучений, содержащем рабочую область и два электрода, один из которых выполнен в виде стрипов, а также сформированный под каждым из стрипов переход, толщина которого меньше ширины стрипа. Технический результат изобретения заключается в снижении энергетического порога регистрации, без заметного увеличения напряжения прикладываемого к детектору. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к детекторам частиц и излучений, и может быть использовано при решении ряда фундаментальных физических задач, в том числе при исследовании и регистрации редких событий, а также в координатных измерениях. Для исследования физических процессов, протекающих с малым энерговыделением, необходимо иметь низкофоновый детектор с возможно низким энергетическим порогом регистрации и значительным чувствительным объемом. Частично этим требованиям отвечают криогенные детекторы, однако они чрезвычайно сложны в изготовлении и эксплуатации, а эксперименты с их использованием требуют значительных материальных затрат. Наиболее предпочтительные для подобных измерений полупроводниковые детекторы также имеют ряд особенностей, ограничивающих их использование, в частности, относительно высокий энергетический порог регистрации, обусловленный токами утечки, электронными и микрофонными шумами. Незначительное понижение энергетического порога регистрации полупроводниковых детекторов частиц может быть достигнуто за счет снижения уровня шумов путем охлаждения, например до азотных температур как непосредственно детектора, так и входного каскада предварительного усилителя. Предпочтительнее понижение энергетического порога регистрации полупроводниковых детекторов путем осуществления внутреннего пропорционального усиления сигнала за счет лавинного размножения носителей, обеспечиваемого созданием электрического поля в p-n переходе напряженностью выше критической (I.P.Pansart "Avalanche photodiodes for particle detection", Nuclear Instruments and Metods in Physics Research, A387 (1997), с. 186-193; RU N 2105388, кл. H 01 L 31/06, 1997 г.). Однако упомянутые способы реализуют в детекторах с чувствительным объемом в несколько мм³, которые могут быть использованы только для регистрации света или мягкого рентгеновского излучения. Наиболее близким к заявляемому, совпадающим с ним по наибольшему числу признаков, является способ осуществления внутреннего усиления для управления чувствительностью полупроводникового прибора по авт. св. N 1102438, кл. H 01 L 31/00, 1987 г., заключающийся в том, что для лавинного умножения носителей увеличивают напряжение в прямом направлении p-n перехода. Описанный способ также может быть реализован только в детекторах, имеющих малый чувствительный объем. Помимо этого, увеличение прикладываемого напряжения ведет также и к росту шумов детектора, поэтому его энергетический порог регистрации изменяется незначительно.

Настоящее изобретение решает задачу создания способа осуществления внутреннего пропорционального усиления в полупроводниковых детекторах частиц, имеющих значительный чувствительный объем, путем создания поля напряженностью, достаточной для лавинного размножения носителей без заметного увеличения прикладываемого к детектору напряжения.

Задача решается тем, что в способе осуществления внутреннего пропорционального усиления в полупроводниковом детекторе частиц и излучений, содержащем рабочую область и два электрода, включающем создание вблизи одного электрода электрического поля напряженностью не ниже критической путем приложения к нему постоянного напряжения, упомянутый электрод выполняют в виде стрипов, а требуемой величины напряженности достигают выбором геометрических параметров детектора, удовлетворяющих следующему соотношению: где E - напряженность поля в рабочей области; V - напряжение, приложенное к детектору; V_d - напряжение обеднения; L - толщина рабочей области; d - ширина стрипа; s - расстояние между стрипами;
y - расстояние до стрипа.

Сущность способа заключается в том, что поле напряженностью выше критической создают не объемным зарядом в узком переходе с очень высокой концентрацией примесей, а за счет высокой концентрации силовых линий на одном из электродов.

При этом напряжение обеднения V_d (минимальное значение напряжения, необходимое для нейтрализации объемного заряда и создания чувствительной области во всем объеме детектора) определено, как:

где N - концентрация примесей в рабочей области;
q - заряд электрона;
ε - диэлектрическая проницаемость материала рабочей области;
L - толщина рабочей области.

Для получения наибольшего эффекта соотношение размеров электродов выбирают минимально возможным (на грани технологических возможностей). В виде микрострипов (то есть стрипов минимально возможной ширины) может быть выполнен анод (при этом происходит лавинное размножение электронов) либо катод (лавинное размножение дырок). Приведенная выше зависимость, полученная расчетным путем и подтвержденная экспериментально, справедлива для любого типа полупроводниковых детекторов частиц и излучений и устанавливает связь между геометрическими, технологическими и физическими параметрами прибора. При этом принципиальным моментом является тот факт, что величина напряжения, прикладываемого к детектору, практически остается такой же, как и для детекторов без внутреннего усиления, поэтому, обеспечивая внутреннее усиление сигнала на уровне шумов, характерном для детекторов без внутреннего усиления, достигают эффективного понижения энергетического порога регистрации.

Для реализации заявленного способа предлагается планарный полупроводниковый детектор частиц и излучений, являющийся вторым объектом настоящего изобретения, связанным с первым единым изобретательским замыслом. Из вышеприведенной зависимости следует, что для достижения условия лавинного размножения носителей с целью осуществления режима внутреннего пропорционального усиления сигнала, необходимо создать в рабочей области напряженность поля выше критической E_кр, для чего размеры одного из электродов должны во много раз превышать размеры другого.

Известен полупроводниковый детектор, выполненный на основе монокристалла кремния, анод которого выполнен в виде стрипов (WO 97/44831, кл. H 01 L 31/115), однако в нем не достигается E_кр, и он выполняет функции координатного детектора. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является германиевый детектор, описанный в статье D.Gutknecht, "Photomask technique for fabricating high purity germanium strip detectors", "Nuclear Instruments & Methods in Physics Research", A288 (1990), с. 13-18. Он содержит рабочий слой из монокристалла германия, катод, анод в виде стрипов, а также сформированный под каждым из стрипов переход. Однако соотношение размеров электродов и конструкция перехода также не позволяет достичь в нем критической напряженности поля, необходимой для обеспечения внутреннего пропорционального усиления.

Настоящее изобретение решает задачу создания полупроводникового детектора частиц и излучений с внутренним пропорциональным усилением путем обеспечения требуемой для этого напряженности поля в рабочей области выбором оптимальных соотношений геометрических размеров элементов детектора.

Задача решается тем, что в полупроводниковом детекторе частиц и излучений, содержащем рабочую область и два электрода, один из которых выполнен в виде по меньшей мере двух стрипов, а также сформированный под каждым из стрипов переход, ширина каждого из стрипов, расстояние между ними и толщина рабочей области выполнены с условием реализации следующей зависимости:

где E - напряженность поля в рабочей области;
V - напряжение, приложенное к детектору;
V_d - напряжение обеднения;
L - толщина рабочей области;
d - ширина стрипа;
s - расстояние между стрипами;
h - ширина области лавинообразования.

Для нейтрализации объемного заряда, обусловленного наличием примесей в материале рабочей области, и создания чувствительной области во всем объеме детектора приложенное напряжение должно превышать некоторое минимальное значение V_d, которое для планарного детектора определяется, как упомянуто выше, равенством V_d= (N·q/2ε)·L² и зависит, как и E_кр, от степени чистоты материала детектора. Как видно из вышеприведенных соотношений, напряженность поля, соответствующая E_кр, может быть достигнута минимизацией соотношения площадей электродов. Поэтому один из них выполнен в виде по меньшей мере двух стрипов (или микрострипов, имея в виду их минимальный размер). Максимальное число микрострипов определяется лишь размерами детектора, а минимальная ширина - технологическими возможностями и требованиями к разрешению детектора. Теоретически не исключен вариант и одиночного микрострипа, однако настоящее изобретение рассматривает более общую задачу. Необходимым условием получения внутреннего усиления является выбор толщины перехода под микрострипами. Это связано с тем, что внутри перехода напряженность поля стремится к нулю, поэтому толщину его выбирают порядка ширины микрострипа.

В качестве примера реализации может быть приведен германиевый детектор частиц и излучений с внутренним пропорциональным усилением, схематически изображенный на фиг. 1. На фиг. 2 приведен разрез структуры детектора.

Он содержит рабочую область 1 в виде монокристалла германия толщиной L, анод 2 в виде нескольких микрострипов (например, 12-ти) шириной d, расположенных на расстоянии s друг от друга и единый плоскостной катод 3. Под каждым из стрипов сформирована область 4, образующая переход n+, толщина которой l принята не большей ширины стрипа. На границе рабочей области и катода сформирован переход p+. Катодные и анодные области ограничиваются охранными кольцами 5. Для упрощения подключения питания и съема сигналов стрипы 2 могут быть соединены вместе, однако современная электроника дозволяет снимать сигналы и с отдельных стрипов. Поскольку величина E_кр для германия, определенная из зависимости дрейфовой скорости электронов от напряженности поля и энергии образования электрон-дырочных пар и фононов, составляет приблизительно 9·10⁴ В/см, то, например, при приложенном к детектору напряжении порядка 4000 В размеры элементов детектора могут быть следующими: s=0,5 см, d=20 мкм, L=2 см. Вблизи анода напряженность поля превышает критическую величину и область лавинообразования h, где E > E_кр, равна 8 мкм. При использовании в качестве исходного продукта германия с содержанием примесей не более 10¹⁰ см^-3 в детекторе с чувствительным объемом порядка 200 см³ может быть достигнуто усиление не менее 10³.

Детектор работает следующим образом. Под действием приложенного напряжения V во всем объеме детектора возникает электрическое поле напряженностью, превышающей в области, прилегающей к стриповому электроду, величину E_кр. Рабочая область в отсутствие излучения свободна от носителей. Под действием излучения в рабочей области образуются носители заряда и начинается их движение по силовым линиям. В области, где E превышает E_кр, происходит умножение носителей. Ток детектора, пропорциональный интенсивности падающего излучения, снимается с нагрузки детектора.

Изобретение может быть использовано для решения ряда фундаментальных задач в неускорительной физике, в частности, таких, как поиск темной материи путем исследования рассеяния гипотетических слабовзаимодействующих частиц (WIMP'ов) на ядрах мишени-детектора, измерение магнитного момента нейтрино, исследование когерентного рассеяния нейтрино на ядрах мишени-детектора, а также в ряде прикладных исследований, например в томографии. Кремниевые стриповые детекторы широко используются в экспериментах на ускорителях и в космических исследовательских программах. При этом число детекторов на одной установке может достигать нескольких тысяч. Замена обычных стриповых детекторов на детекторы с внутренним усилением приведет к значительному удешевлению установок, поскольку отпадает необходимость во внешнем электронном усилении сигналов.

Формула изобретения

1. Способ осуществления внутреннего пропорционального усиления в полупроводниковом детекторе частиц и излучений, содержащем рабочую область и два электрода, заключающийся в создании вблизи одного из электродов электрического поля напряженностью не ниже критической путем приложения к нему постоянного напряжения, отличающийся тем, что упомянутый электрод выполняют в виде стрипов, а требуемой величины напряженности достигают выбором геометрических параметров детектора, удовлетворяющих следующему соотношению:

где E - напряженность поля в рабочей области;
V - напряжение, приложенное к детектору;
V_d - напряжение обеднения;
L - толщина рабочей области;
d - ширина стрипа;
s - расстояние между стрипами;
y - расстояние до стрипа.

2. Полупроводниковый детектор частиц и излучений с внутренним пропорциональным усилением, содержащий рабочую область и два электрода, один из которых выполнен в виде по меньшей мере двух стрипов, а также сформированный под каждым стрипом переход, отличающийся тем, что ширина каждого из стрипов, расстояние между ними и толщина рабочей области выполнены с условием реализации зависимости

где E - напряженность поля в рабочей области;
V - напряжение, приложенное к детектору;
V_d - напряжение обеднения;
L - толщина рабочей области;
d - ширина стрипа;
s - расстояние между стрипами;
h - ширина области лавинообразования.

3. Полупроводниковый детектор частиц по п. 2, отличающийся тем, что толщина перехода, сформированного под стрипом, выбрана не большей ширины стрипа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2