Полупроводниковый координатный детектор ионизирующего излучения

Полупроводниковый координатный детектор ионизирующего излучения, включающий подложку n⁺-типа проводимости, эпитаксиально выращенный на ней активный слой n^- или р^-, или n_i-типа проводимости, на поверхности которого сформированы полосковые сигнальные электроды р⁺-типа проводимости с омическими контактами, разделенными друг от друга канавками. Канавки вытравлены на глубину 20-50% от толщины активного слоя, а на дне канавок сформированы n⁺-слои толщиной не более 3% толщины активного слоя. Предложенная конструкция детектора позволяет увеличить эффективность полезной площади отдельных каналов детектора с малыми токами утечки между каналами при реализации детектора с предельно малыми размерами пространственного шага. 1 ил.

 

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к полупроводниковым детекторам ионизирующего излучения, и может быть использовано для регистрации излучений в ядерной физике, медицине, а также в цифровых аппаратах, регистрирующих заряженные частицы и гамма-кванты.

Известны координатные детекторы ионизирующих излучений из арсенида галлия [1]. Известные детекторы содержат рабочий объем из полуизолирующего материала, на одной поверхности которого созданы металлические контакты, выполненные в виде одинаковых полосок или квадратных пикселей, с которых снимают выходные сигналы, на противоположной стороне детектора выполнен общий контакт для подачи напряжения питания. Недостатками таких детекторов являются сравнительно высокие поверхностные токи утечки между соседними контактами.

Известен координатный детектор, выполненный из эпитаксиального арсенида галлия n^--типа проводимости на подложке n⁺-типа проводимости [2]. На эпитаксиальном слое созданы сигнальные электроды в виде участков р⁺-типа проводимости с омическими контактами. Для уменьшения поверхностных токов утечки между соседними сигнальными электродами введены дополнительные электроды, которые при включении детектора находятся под одним и тем же потенциалом, причем дополнительные электроды также выполнены в виде участков р⁺-типа проводимости, поверх которых созданы омические контакты. Сигнальные и дополнительные электроды разделены между собой разделительными канавками, протравленными на глубину, меньшую толщины рабочего объема в слое n^--типа проводимости. Недостатком такой конструкции является то, что в ней поверхностные токи протекают между сигнальными электродами и дополнительными электродами, поскольку потенциал на сигнальных электродах, подключенных к входам электроники, отличен от потенциала на дополнительных электродах.

Наиболее близким к данному изобретению является координатный детектор ионизирующего излучения для цифровых рентгеновских аппаратов [3], включающий полупроводниковую подложку n⁺-типа проводимости, эпитаксиально выращенный на ней активный слой n^- или р^-, или n_i-типа проводимости, на поверхности которого сформированы полосковые сигнальные электроды р⁺-типа проводимости с омическим контактом, разделенные друг от друга канавками, достигающими подложки n⁺-типа. В известном детекторе канавки вытравлены на всю толщину n^--слоя для того, чтобы токи, протекающие по поверхностям активных областей соседних каналов и по поверхности подложки (в области канавок), проходили через участки с разным типом проводимости приповерхностного слоя.

Недостатком данной конструкции является необходимость формирования глубоких разделительных канавок химическим травлением, что сопровождается боковым растравливанием канавок, в результате чего поперечный размер канавок увеличивается, а радиационно чувствительный объем отдельных каналов детектора уменьшается, особенно при реализации предельно малых размеров пространственного шага детектора.

Технический результат, на который направлено заявляемое решение, состоит в устранении указанных недостатков.

Положительный результат достигается тем, что в полупроводниковом координатном детекторе ионизирующего излучения, включающем подложку n⁺-типа проводимости, эпитаксиально выращенный на ней активный слой n^- или р^-, или n_i-типа проводимости, на поверхности которого сформированы полосковые сигнальные электроды p⁺-типа проводимости с омическим контактом, разделенные друг от друга канавками, по данному предложению упомянутые канавки вытравлены на глубину 20-50% от толщины активного слоя, а на дне канавок сформированы n⁺-слои толщиной не более 3% от толщины активного слоя.

На чертеже представлена одна из возможных конструкций предлагаемого детектора. Детектор содержит полупроводниковую подложку 2 n⁺-типа проводимости, поверх которой расположен активный слой 1 n^- или р^-, или n_i-типа проводимости. На поверхности слоя 1 созданы сигнальные электроды в виде полосок полупроводника р⁺-типа 3 с равномерным шагом, разделенные канавками 5. Металлизированные слои 4 и 6 являются омическими контактами к слоям 3 и подложке 2. Экспериментально установлено, что для достижения положительного результата глубина канавок 5 должна составлять 20-50% от толщины активного слоя 1. На дне канавок 5 сформированы слои n⁺-проводимости 7 толщиной не более 5% от толщины активного слоя 1.

Пример практического исполнения.

Координатный детектор ионизирующего излучения был изготовлен из эпитаксиального арсенида галлия, с концентрацией равновесных электронов в активном слое n^-=10¹² см^-3 и толщиной активного слоя - 60 мкм. Детектор имел 512 сигнальных электродов с шагом 60 мкм, выполненных в виде р⁺-слоев арсенида галлия с концентрацией дырок р⁺=5·10¹⁸ см^-3 и толщиной 1 мкм. Поверх сигнальных электродов 3 нанесены омические контакты 4 из сплава AuZn. Между контактами, с использованием методов реактивного ионного травления и последующего химического травления, созданы разделительные канавки 5 шириной 8 мкм и глубиной 15 мкм. На дне канавок методами ионной имплантации образованы слои 7 n⁺-типа проводимости с концентрацией электронов - n^-=2·10¹⁸ см^-3 и толщиной 0,1 мкм. Эпитаксиальный слой 1 был выращен на низкоомной подложке арсенида галлия 2 n⁺-типа проводимости. Омический контакт 6 к подложке 2 был образован из сплава AuGe. В данном приборе за счет того, что разделительные канавки 5 в активном слое 1 были вытравлены всего на 25% его толщины, то ширина упомянутых канавок была минимальной за счет минимального бокового растравливания и составляла 8 мкм. По этой причине удалось довести эффективную полезную площадь отдельного канала координатного детектора до 87%, в то время как в конструкции прототипа она не могла бы быть более 60%. При этом, за счет введения участков n⁺-типа проводимости 7, на дне разделительных канавок 5 токи утечки между соседними каналами не превышали 100 пА при разности потенциалов 1 В. В отсутствие же участков 7 токи утечки достигают 1 нА.

Источники информации

1. Cola A. Reverse current in SI GaAs pixel detectors. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 410, 1998, р.85-91.

2. Dvoryankin V.F., et al. Multielement X-Ray row detector on GaAs with spatial resolution of 108 μm. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 531, 2004, p.87-88.

3. G.I.Ayzenshtat, V.G.Kanaev, A.V.Khan et al., GaAs X-ray coordinate detectors // Nucl. Instr. and Meth. - 2001. - A 466, - p.162-167.

Полупроводниковый координатный детектор ионизирующего излучения, включающий подложку n⁺-типа проводимости, эпитаксиально выращенный на ней активный слой n^- или р^-, или n_i-типа проводимости, на поверхности которого сформированы полосковые сигнальные электроды р⁺-типа проводимости с омическими контактами, разделенными друг от друга канавками, отличающийся тем, что упомянутые канавки вытравлены на глубину 20-50% от толщины активного слоя, а на дне канавок сформированы n⁺-слои толщиной не более 3% толщины активного слоя.