Полупроводниковый комбинированный приемник электромагнитного излучения

Использование: для регистрации электромагнитного излучения со сложным спектральным составом. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковый комбинированный приемник электромагнитного излучения включает соосно расположенные каналы регистрации оптического и жесткого электромагнитного излучения, созданный на основе чередующихся эпитаксиально согласованных слоев чувствительных в соответствующих спектральных диапазонах полупроводниковых материалов с электронно-дырочными переходами или без них, чувствительные слои располагают по разные стороны подложки, толщина чувствительного к жесткому электромагнитному излучению материала приемника на два порядка больше, чем у чувствительного материала фотоприемника, в качестве фильтра для приемника жесткого электромагнитного излучения, обрезающего излучение оптического диапазона, используют слой чувствительного к этому излучению полупроводникового материала, на основе которого формируют фотоприемник оптического диапазона. Технический результат: обеспечение возможности упрощения конструкции и расширение возможностей систем регистрации электромагнитного излучения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области техники детектирования сигналов с помощью полупроводниковых фотоприемников и может использоваться для регистрации электромагнитного излучения со сложным спектральным составом, содержащим излучение оптического и рентгеновского диапазонов для применения в астрономии, медицинской диагностике, средствах контроля за ядерными испытаниями и радиационной обстановки на местности, в датчиках исполнительных устройствах робототехники и т.д.

Полупроводники обладают чувствительностью к электромагнитному излучению как оптического, включая инфракрасный (ИК), так и жесткого - рентгеновского и гамма-диапазонов спектра. Принцип действия полупроводниковых приемников основан на сборе носителей заряда - электронов и дырок, рождаемых поглощенным квантом излучения. В силу значительного различия энергии квантов оптического и рентгеновского диапазонов механизмы их взаимодействия с поглощающим веществом различны: кванты оптического излучения взаимодействуют с валентными электронами кристаллов, в то время как рентгеновские - с электронами внутренних электронных оболочек атомов. Тем ни менее известны полупроводниковые материалы, обладающие чувствительностью одновременно в обоих указанных диапазонах, например CdTe, ZnxCd1-xTe и другие. Однако использование одного кристалла для регистрации излучения сразу в двух указанных областях спектра невозможно из-за принципиальных ограничений, накладываемых требованиями к конструкции этих детекторов.

Известны полупроводниковые фотоприемники, способные регистрировать излучение одновременно в двух и более спектральных диапазонах, состоящие из нескольких фоточувствительных полупроводников. Например, в [1] представлена принципиальная схема такого приемника, содержащего две фоточувствительные площадки из полупроводниковых материалов. Причем первая из них имеет большую ширину запрещенной зоны Eg1, благодаря чему на вторую чувствительную полупроводниковую площадку попадает излучение с длинами волн λ1>hc/Eg1 (с - скорость света в вакууме, h - постоянная Планка), которое содержится в спектре регистрируемого широкополосного сигнала. Поглощенное в чувствительных площадках излучение преобразуют в электрический сигнал, либо одним общим для площадок, либо независимыми электронными блоками обработки. Такой фотоприемник способен регистрировать излучение в диапазонах, простирающихся от длины волны λ2=hc/Eg2 в коротковолновую область. Однако указанный выше и подобные им приемники регистрируют излучение в достаточно близких или вообще перекрывающихся областях спектра, как правило - оптических, и не обладают чувствительностью в жестком - рентгеновском и гамма-диапазонах, хотя последние содержат информацию, недоступную для оптического диапазона.

Известны также способы регистрации рентгеновского и гамма-излучения с помощью полупроводниковых приемников [2]. Для этих целей используют полупроводниковые материалы, в состав которых входят атомы, характеризующиеся высокими значениями сечений поглощения рентгеновских и гамма-квантов, например CdTe [3]. На основе этих полупроводников создают устройства как фоторезистивного, так и фотодиодного типов [4]. При этом для исключения срабатывания приемника ионизирующего излучения от квантов оптического диапазона на чувствительную поверхность полупроводника наносят фильтр в виде тонкой металлической пленки, например из бериллия [5].

При одновременной регистрации излучения от источника, содержащего как жесткую компоненту электромагнитного излучения, так и излучение оптического диапазона, используют детекторы различных типов, что приводит к необходимости создания независимых каналов с собственными фокусирующими системами и средствами регистрации, что усложняет конструкцию. При этом из-за наличия угла между осями каналов они имеют различающиеся поля наблюдения.

Более близок по конструкции к предлагаемому многоканальный полупроводниковый приемник излучения, регистрирующий излучение в нескольких диапазонах, детекторы которого имеют общую оптическую ось [6]. Указанный приемник состоит из нескольких (трех) дискретных полупроводниковых детекторов различной толщины и из определенного материала, расположенных друг за другом, каждый из которых соединен с зарядочувствительным усилителем, компаратором, стречером-усилителем и аналогово-цифровым преобразователем. Регистрация сигналов автоматизировано за счет использования ЭВМ для индикации, запоминания и управления устройством.

Недостатками аналога являются:

1. Устройство предназначено для регистрации только ионизирующего излучения и не содержит канала регистрации оптического излучения, что существенно сокращает объем анализируемой с его помощью информации.

2. Детектор построен на пространственно разнесенных пластинах различных полупроводниковых чувствительных материалов, что значительно увеличивает массогабаритные характеристики всего устройства и снижает его функциональность.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому изобретению является полупроводниковый детектор [7], регистрирующий излучение одновременно в нескольких оптических диапазонах. Детектор [7] содержит несколько слоев эпитаксиально согласованных полупроводниковых материалов, которые наносят последовательно на общую подложку и располагают их по одну ее сторону. Подложка прозрачна для регистрируемого излучения, поэтому освещение детектора производят через нее. Ширина запрещенной зоны чувствительных слоев последовательно уменьшается по направлению от подложки. Поэтому первый чувствительный слой регистрирует излучение с максимальной энергией кванта. Чувствительные к излучению слои чередуют с контактными элементами. Последние имеют также электрический контакт с тыльной стороной чувствительных слоев. Напряжение смещения подают на подложку и контактные слои в виде индиевых столбиков. Такая конструкция контактов обеспечивает электронной схеме считывания сигнала независимый доступ к любому чувствительному элементу.

Недостатками прототипа являются:

1. Отсутствие канала регистрации ионизирующего излучения и невозможность использовать в этих целях существующие фоточувствительные слои, т.к. для надежной регистрации жесткого электромагнитного излучения необходимы полупроводниковые приемники толщиной в несколько миллиметров, в то время как для регистрации оптического излучения достаточны толщины в 10-20 микрометров. Известные технологии не позволяют выращивать чувствительные слои необходимого качества столь различной толщины в последовательной композиции в рамках единого технологического цикла.

2. Последовательное расположение фоточувствительных слоев приводит к возникновению перекрестного влияния электрического смещения, подаваемого на отдельные слои. При регистрации ионизирующего излучения типичные значения напряжений смещения на полупроводниковых детекторах составляет десятки вольт, поэтому их использование совместно с полупроводниковыми детекторами видимого и инфракрасного диапазонов в конфигурации прототипа представляется невозможным из-за электрических наводок на последние.

Настоящее изобретение направлено на упрощение конструкции и расширение возможностей существующих систем регистрации электромагнитного излучения и устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Полупроводниковый комбинированный приемник электромагнитного излучения, регистрирующий как в инфракрасное, так и жесткое электромагнитное излучение, создают по планарной технологии с использованием эпитаксиально согласованных слоев. В отличие от известных технических решений детекторы ионизирующего и оптического излучения в настоящем приемнике располагают соосно на противоположных поверхностях подложки, обладающей диэлектрическими свойствами. Кроме того, в отличие от прототипа напряжение смещения на приемнике ионизирующего излучения прилагают параллельно поверхности подложки к торцам достаточно толстого чувствительного слоя. Такая конструкция аналогична плоскому конденсатору, благодаря чему стационарное электрическое поле не проникает в объем подложки. В результате достигают электрической развязки между приемниками оптического и ионизирующего излучения путем исключения взаимного влияния электрических смещений, которые подают на приемники. Кроме того, в предлагаемом многоканальном приемнике реализована оптическая развязка между каналами регистрации путем выбора в качестве материала для детектора оптического излучения узкозонного полупроводника с малым значением ширины запрещенной зоны. Благодаря этому оптическое излучение поглощается в узкозонном слое и не достигает детектора ионизирующего излучения, что предотвращает его ложное срабатывание от квантов оптического диапазона. Материал оптического детектора выбирают, в свою очередь, нечувствительным к ионизирующему излучению, в частности за счет существенно меньшей его толщины по сравнению с толщиной приемника ионизирующего излучения. Заявляемое устройство фактически осуществляет первичное спектральное разложение сигнала по различным диапазонам длин волн без использования диспергирующего элемента.

Пример реализации. Полупроводниковый комбинированный приемник рентгеновского и инфракрасного излучения получен путем осаждения соответствующим методом (например, вакуумным термическим осаждением) слоя Zn0.15Cd0.85Te (точное значение химического состава x выбирают исходя из необходимости подгонки, либо удельного сопротивления, либо параметра решетки) на одну из сторон эпитаксиально согласованной подложки из CdTe. Этот приемник регистрирует рентгеновское излучение в диапазоне до 60 кэВ. С другой стороны подложки выращивают фоторезистивную структуру инфракрасного фотоприемника на основе твердого раствора CdxHg1-xTe толщиной 10-20 мкм, молярный состав x которого выбирают в соответствии с задачами регистрации инфракрасного излучения: для диапазона 3-5 мкм используют состав с x=0.3, для диапазона 8-12 мкм - с x=0.2. Этот приемник может быть создан с использованием какого-либо иного технологического метода, например молекулярно-лучевой эпитаксией. Полупроводниковый комбинированный приемник освещают со стороны приемника ИК (оптического) излучения, который образует таким образом фильтр для оптического диапазона по отношению к детектору ионизирующего излучения.

Принципиальная схема комбинированного приемника представлена на фиг. 1. Толщина подложки (1) составляет 0.6-0.8 мм, толщина слоя твердого раствора теллуридов кадмия-цинка 1-1.5 мм (2), омические контакты из золота к нему (3) наносят на торцевую часть так, чтобы направление смещения было параллельно поверхности подложки. Благодаря такому выбору конфигурации приемника (аналог плоского конденсатора) стационарное электрическое поле из него не проникает в подложку. Толщина чувствительной структуры фоторезистора на основе CdxHg1-xTe (4) составляет не более 30 мкм, поэтому поглощением ионизирующего излучения в нем можно пренебречь по сравнению со слоем Zn0.15Cd0.85Te. Освещение приемника (5) производят со стороны оптического приемника.

Т.о. достигают полной независимости регистрации излучения в каналах, принадлежащих различным диапазонам, что создает возможность для одновременного и независимого их функционирования и сравнительного анализа сигналов.

Для повышения чувствительности приемник охлаждают до температуры кипения жидкого азота путем помещения в криостат, причем крепление приемника осуществляют путем механического и теплового контакта подложки с охлаждаемой криогенной системой площадкой, имеющей отверстие, через которое проходит оптическая ось системы.

Путем выбора подходящих комбинаций чувствительных полупроводниковых материалов можно получить и другие варианты комбинированного приемника, регистрирующего излучение как в различных оптических диапазонах, так и в диапазонах жесткого ЭМ излучения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Norton P. Opto-Elecn. Review, 2002, v. 10, №3, p. 159-174.

2. Бараночников M.A. Приемники и детекторы излучений. 2012, ДМК Пресс, 634 с.

3. Полупроводниковый элемент-детектор излучения. Патент РФ 2281531 C2.

4. Дворянкин В.Ф., Дворянкина Г.Г., Иванов Ю.М., Кудряшов А.А., Петров А.Г., Фотовольтаические детекторы рентгеновского излучения на основе кристаллов CdTe с p-n переходом. ЖТФ, 2010, т. 88, №7, с. 156-158.

5. Кульчицкий А.Н., Кульчицкий Н.А., Мельников А.А., Мельников О.А. Неохлаждаемые детекторы рентгеновского и гамма-излучения на основе кристаллов ZnCdTe. Труды XXII международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. 22.05.2012, М., 2012 г., с. 261-263.

6. Спектрометр-дозиметр. Патент РФ 2029316 C1.

7. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. Пер. под ред. А.В. Войцеховского. Новосибирск. «Наука», 636 с., 2003, с. 435-438.

Полупроводниковый комбинированный приемник электромагнитного излучения, включающий соосно расположенные каналы регистрации оптического и жесткого электромагнитного излучения, созданный на основе чередующихся эпитаксиально согласованных слоев чувствительных в соответствующих спектральных диапазонах полупроводниковых материалов с электронно-дырочными переходами или без них, отличающийся тем, что
- чувствительные слои располагают по разные стороны подложки,
- толщина чувствительного к жесткому электромагнитному излучению материала приемника на два порядка больше, чем у чувствительного материала фотоприемника,
- в качестве фильтра для приемника жесткого электромагнитного излучения, обрезающего излучение оптического диапазона, используют слой чувствительного к этому излучению полупроводникового материала, на основе которого формируют фотоприемник оптического диапазона.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к гелиотехнике, может быть использовано для преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию и касается солнечного модуля, включающего концентратор, в фокусе которого расположен фотовольтаический преобразователь солнечной энергии, с контактами подключения батарей накопителей электрической и тепловой энергии и системой жидкостно-проточного теплосъема, при этом фотовольтаический преобразователь выполнен в виде полой трубки из теплопроводящего материала, на внешней поверхности которой нанесена полупроводниковая структура и внутри которой циркулирует теплоноситель, а также комбинированной солнечно-энергетической установки, включающей указанные выше солнечные модули.

Изобретение относится к фотоэлектрическому элементу (фотоэлементу), включающему в себя по меньшей мере первый переход между парой полупроводниковых областей, при этом по меньшей мере одна из этой пары полупроводниковых областей включает в себя по меньшей мере часть сверхрешетки, содержащей первый материал с распределенными в нем образованиями второго материала, причем образования имеют достаточно малые размеры, так что эффективная ширина запрещенной зоны сверхрешетки по меньшей мере частично определяется этими размерами, при этом между полупроводниковыми областями предусмотрен поглощающий слой, и при этом поглощающий слой содержит материал, предназначенный для поглощения излучения с возбуждением в результате этого носителей заряда, и имеет такую толщину, что уровни возбуждения определяются самим этим материалом.

Изобретение относится к области производства твердотельных фоточувствительных полупроводниковых приборов, а именно к области производства преобразователей мощности света в электрический ток, и может быть использовано при изготовлении указанных приборов.

Изобретение относится к функциональной микроэлектронике, микрофотоэлектронике, вычислительной технике. .

Изобретение относится к детектору для обнаружения высокоэнергетического излучения. Детектор (100) излучения содержит преобразовательный элемент (102) для преобразования падающего высокоэнергетического излучения (X) в зарядовые сигналы, катод (101) и решетку (104) анодов (103), расположенные на разных сторонах преобразовательного элемента, для генерации электрического поля (Е0, Ed) в преобразовательном элементе (102), при этом преобразовательный элемент (102) имеет пространственную неоднородность, за счет которой напряженность упомянутого электрического поля (Е0, Ed) увеличивается в первой области (Rd) вблизи анодной решетки и/или уменьшается во второй области (R0) на удалении от анодной решетки.

Изобретение относится к детектору излучения и соответствующему способу детектирования излучения. Детектор (100-400) излучения содержит элемент-преобразователь (110) для преобразования падающего излучения (X) в электрические сигналы; периодический или квазипериодический массив анодов (130-430), расположенный на первой стороне элемента-преобразователя (110); по меньшей мере два направляющих электрода (140-440), которые расположены примыкающими к двум различным анодам; блок (150) управления, который подсоединен к упомянутым по меньшей мере двум направляющим электродам (140-440) и приспособлен подавать различные электрические потенциалы на упомянутые по меньшей мере два направляющих электрода (140-440), при этом упомянутые потенциалы являются функцией напряжений холостого хода, которые возникают между направляющим электродом (140-440) и соответствующим анодом, когда между соответствующими анодами (130-430) и катодом (120) подается напряжение.

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.

Изобретение относится к области формирования радиологических изображений, компьютерной томографии (СТ), эмиссионной томографии, радиационных детекторов и их предшествующему уровню техники.

Предлагаемое изобретение «Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц» относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц.

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе малого диаметра со статическим (неоткачиваемым) вакуумом.

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при создании измерителей мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки, размещаемой на космическом аппарате.
Изобретение относится к области измерительной техники, к измерению электрических свойств кристаллов алмаза, предназначенных для изготовления детекторов ионизирующих излучений.

Использование: для регистрации электромагнитного излучения, особенно рентгеновских лучей. Сущность изобретения заключается в том, что детектор рентгеновского излучения и цепь его пикселя позволяют покрывать широкий динамический диапазон с использованием автоматического выбора параметра чувствительности в каждом пикселе, таким образом обеспечивая улучшенное отношение сигнал-шум при всех уровнях воздействия.

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.

Изобретение относится к системе визуализации и более конкретно к детектору со счетом фотонов с разрешением по энергии. Система визуализации содержит источник излучения, испускающий излучение, проходящее через область исследования, и детекторную матрицу с множеством пикселей детектора со счетом фотонов, которые детектируют излучение, проходящее через область исследования, и соответствующим образом генерируют сигнал, показывающий детектированное излучение. Пиксель детектора со счетом фотонов содержит слой прямого преобразования, который имеет первую принимающую излучение сторону и вторую противоположную сторону, катод, прикрепленный к и покрывающий всю или значительную часть первой стороны, анод, прикрепленный к центрально расположенной области второй стороны, причем анод содержит по меньшей мере два под-анода, и металлизацию, прикрепленную ко второй стороне, окружающую анод и область анода, с зазором между анодом и металлизацией. Система также содержит реконструктор, который реконструирует сигнал для того, чтобы генерировать данные объемного изображения, показывающие область исследования. Технический результат - повышение выхода соединений пайкой для пикселя детектора. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 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