Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой



Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой
Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой
Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой
Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой

 


Владельцы патента RU 2427942:

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. Пиксельная биполярная структура с сетчатой базой, согласно изобретению, содержит полупроводниковую подложку, в которой расположена область коллектора 1-го типа проводимости, на которой имеется электрод коллектора, в области коллектора расположена область базы, 2-го типа проводимости, в области базы расположена область эмиттера 1-го типа проводимости, на которой расположен электрод эмиттера. Область базы 2-го типа проводимости выполнена в виде сетки, при этом величина областей пространственного заряда, образованных р-n переходами коллектор-база, превышает расстояние между соседними линиями сетчатой базы. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности координатных детекторов и увеличение соотношения сигнал/шум. Конструкция с сетчатой базой позволяет улучшить собирание заряда, при этом сохранив высокий коэффициент усиления ионизационного тока, вызываемого радиационными частицами. 2 ил.

 

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.

Пиксельная биполярная структура с сетчатой базой, содержащая полупроводниковую подложку, в которой расположена область коллектора 1-го типа проводимости, на которой имеется электрод коллектора, в области коллектора расположена область базы 2-го типа проводимости, в области базы расположена область эмиттера 1-го типа проводимости, на которой расположен электрод эмиттера, отличающаяся тем, что область базы 2-го типа проводимости выполнена в виде сетки, при этом величина областей пространственного заряда образованных р-n переходами коллектор - база превышает расстояние между соседними линиями сетчатой базы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. .

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение для измерения основных параметров нейтронных потоков. .

Изобретение относится к микроэлектронике, и в частности к созданию матричных детекторов релятивистских частиц. .

Изобретение относится к твердотельным детекторам ионизирующих излучений. .

Изобретение относится к твердотельным детекторам ионизирующих излучений. .

Изобретение относится к технике измерения рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения с помощью полупроводниковых детекторов, и может быть использовано в атомной энергетике, геологии, металлургии, в системах экологического контроля, при переработке вторичного сырья, таможенном контроле и криминалистике.

Изобретение относится к технике регистрации излучений, а именно к алмазным детекторам, предназначенным для преобразования однократных или редко повторяющихся импульсов ионизирующих излучений, в частности мягкого рентгеновского или фотонного излучения в электрические аналоги.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может найти применение для регистрации ионизирующих излучений и заряженных частиц в ядерной физике, а также при создании цифровых диагностических аппаратов, регистрирующих заряженные частицы и гамма-кванты.

Изобретение относится к области атомного приборостроения и микроэлектроники и может быть использовано, в частности, при создании координатных чувствительных детекторов релятивистских частиц, рентгеновского и нейтронного излучения.

Изобретение относится к области детектирования ионизирующих излучений с использованием полупроводниковых устройств и может быть использовано в научно-исследовательском оборудовании и средствах радиационной защиты

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений содержит МОП транзистор, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания и выходную шину, при этом для повышения качества детектирования, т.е. спектральной чувствительности и линейности усиления детектора, МОП транзистор является обедненным транзистором n(p) типа проводимости (т.е. имеет встроенный канал), при этом его подзатворная область подсоединена к общей шине питания, сток к выходной шине, а затвор соединен с анодом (катодом) диода и с первым выводом резистора, катод (анод) диода подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, второй вывод резистора подсоединен к шине отрицательного (положительного) напряжения смещения. Также предложена конструкция (функционально интегрированная структура) МОП диодной ячейки монолитного детектора излучений. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение может найти применение для регистрации излучений в ядерной физике, в физике высоких энергий, а также при создании цифровых рентгеновских аппаратов, преимущественно маммографов. Рабочий объем детектора выполнен из пластины полуизолирующего монокристаллического полупроводникового материала, например арсенида галлия, на которой сформированы конденсаторы, у которых первая обкладка лежит непосредственно на рабочем объеме. Поверх конденсаторов нанесен слой разделительного диэлектрика, а электронные ключи на полевых транзисторах созданы на слое разделительного диэлектрика, на котором также создана вся разводка схем, включая шины, соединяющие затворы транзисторов (лежащие на разделительном диэлектрике) вдоль строк матрицы, а также шины, соединяющие стоки транзисторов вдоль столбцов, причем в слое диэлектрика сформированы окна, заполненные металлом, через которые осуществляется соединение первых обкладок конденсаторов с истоками транзисторов и вторых обкладок конденсаторов с земляными шинами в каждом элементе матрицы. Изобретение обеспечивает возможность расширения спектра полупроводниковых материалов, пригодных для использования в качестве рабочего объема детектора. 1 ил.

Изобретение относится к области полупроводниковых оптоэлектронных устройств, в частности к фотодетекторам с высокой эффективностью регистрации света. Ячейка для фотоэлектронного умножителя на основе кремния согласно изобретению содержит первый слой (2) первого типа проводимости, второй слой (3) второго типа проводимости, сформированный на первом слое (2), причем первый слой (2) и второй слой (3) формируют первый p-n-переход. И отличается тем, что ячейка дополнительно обработана с помощью этапа ионной имплантации, причем параметры ионной имплантации выбраны так, что благодаря повреждению кристаллической решетки, вызванному имплантацией, длина поглощения инфракрасного света с длиной волны в интервале от ~800 нм до 1000 нм снижена, в частности снижена по меньшей мере в 3 раза, более конкретно снижена по меньшей мере в 5 раз. Изобретение обеспечивает создание ячейки для фотоэлектронного умножителя на основе кремния и фотоэлектронного умножителя на основе кремния, содержащего множество ячеек, в которых оптические помехи между ячейками значительно снижены без значительного снижения эффективности оптического детектирования, при этом ячейки для фотоэлектронного умножителя на основе кремния сформированы с увеличенной эффективностью оптического детектирования для длин волн больше ~800 нм. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию (э.д.с). Согласно изобретению предложен кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений, содержащий диодные ячейки с расположенными в них перпендикулярно горизонтальной светопринимающей поверхности вертикальными одиночными n+-p--p+(p+-n--n+) переходами и расположенными в диодных ячейках параллельно к светопринимающей поверхности горизонтальными n+-p-(p+-n-) переходами, причем все переходы соединены в единую конструкцию металлическими катодными и анодными электродами, расположенными соответственно на поверхности областей n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом он содержит в диодных ячейках дополнительные вертикальные n+-p-(p+-n-) переходы, причем их области n+(p+) типа подсоединены соответственно областями n+(p+) типа n+-p-(p+-n-) горизонтальных переходов к областям - n+(p+) типа вертикальных одиночных n+-p--p+(p+-n--n+) переходов, при этом на его нижней и боковых поверхностях расположен слой диэлектрика толщиной менее длины пробега радиационных частиц в диэлектрике, на поверхности которого размещен слой радиоактивного металла толщиной, равной длине пробега электронов в металле, при этом расстояние между электродами диодных ячеек не превышает 2-х длин пробега радиационных частиц. Также предложен способ изготовления описанного выше кремниевого монокристаллического многопереходного фотоэлектрического преобразователя оптических и радиационных излучений. Изобретение обеспечивает повышение КПД преобразователей энергии излучения в электрическую энергию, уменьшение их веса на единицу площади и расширение области их применения. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. Изобретение обеспечивает повышение эффективности регистрации оптических и глубоко проникающих излучений и повышение быстродействия детектора излучений. Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений может использоваться в современных системах дальнометрии, управления неподвижными и движущимися объектами, зондирования облачности и контроля рельефа местности, оптических линий связи. Технический результат достигается за счет применения новой электрической схемы, в которой имеется собирающий ионизационный ток p-i-n-диод, а также 2-эмиттерный биполярный n-p-n (p-n-p)транзистор, первый эмиттер которого подключен соответственно к первой выходной адресной шине, а второй - ко второй выходной адресной шине, а база биполярного транзистора через резистор подключена к шине напряжения смещения, а коллектор - к шине питания. При этом данная электрическая схема реализуется в конструкции интегральной схемы, в которой функционально совмещены высоковольтный p-i-n-диод и низковольтный усиливающий ионизационный ток биполярный транзистор. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц. В емкостной МОП диодной ячейке фотоприемника-детектора излучений применена новая электрическая схема, в которой используются усилительный обогащенный p-МОП транзистор, конденсатор, p-i-n-диод, поликремниевые резисторы, дополнительные p-МОП и n-МОП транзисторы и оригинальной конструкции ячейки координатного фотоприемника-детектора. Также использована функционально-интегрированная структура p-i-n-диода, в которой расположена емкость, разделяющая высокое напряжение, приложенное к p-i-n-диоду, и низкое напряжение питания для КМОП электронных схем. Это позволяет увеличить надежность работы, чувствительность и координатную точность фотоприемника-детектора излучений. 4 ил.
Наверх