Алмазный детектор ионизирующих излучений


 


Владельцы патента RU 2607300:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники" (RU)

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений, в частности к алмазным детекторам, способным работать в условиях повышенных температур, пониженных давлений, в агрессивных средах. Алмазный детектор ионизирующих излучений состоит из алмазной подложки, активного алмазного слоя, двух контактных электродов, расположенных сверху и снизу активного алмазного слоя, и выводов для подачи напряжения смещения и съема выходного сигнала, при этом нижний контактный электрод полностью распложен внутри активного алмазного слоя, при этом выводы для подачи напряжения смещения и съема выходного сигнала выполнены в виде графитовых столбиков в объеме алмазной подложки и активного алмазного слоя с выходом контактных поверхностей на нижнюю сторону подложки. Изобретение исключает утечки и пробой по поверхности кристалла, что повышает устойчивость детектора к внешним воздействующим факторам. 2 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений, в частности к алмазным детекторам, способным работать в условиях повышенных температур, пониженных давлений, в агрессивных средах.

Основными областями применения алмазных детекторов являются атомная, космическая, медицинская отрасли. Изобретение относится к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений, в частности к алмазным детекторам, способным работать в условиях повышенных температур, пониженных давлений, в агрессивных средах.

Простейший алмазный полупроводниковый детектор представляет собой алмазную пластину, на противоположные стороны которой нанесены контактные электроды, на которые подается напряжение смещения и с которых производится съем сигнала. При попадании ионизирующего излучения в пластину в алмазе образуются свободные заряды (электронно-дырочные пары), которые под действием напряжения смещения движутся к контактным электродам. В результате возникает электрический ток, регистрируемый электронной аппаратурой, подключенной к детектору. Алмаз обладает определенными преимуществами по сравнению с другими полупроводниками для изготовления детекторов в ряде приложений. Алмаз является полупроводником с большой шириной запрещенной зоны (5.47 эВ) и высокой напряженностью пробоя (свыше 10 МВ/см). Поэтому алмаз обладает нулевой собственной проводимостью, а алмазные детекторы демонстрируют практически нулевые токи утечки не только при комнатной температуре, но и при нагреве до 300°C и выше. Высокая энергия выбивания атома углерода из узла кристаллической решетки алмаза обеспечивает низкую скорость деградации алмаза при облучении высокими дозами ионизирующих излучений и, следовательно, высокую радиационную стойкость алмазных детекторов.

Прототипом представленного изобретения является тонкопленочный алмазный детектор без отделения от кристалла-подложки, описание которого можно найти, например, в статье [1]. Прототип схематически изображен на фиг.1, вид со стороны боковой грани пластины. Прототип состоит из: алмазной подложки 1, проводящего алмазного слоя 2 (который играет роль нижнего контактного электрода), активного алмазного слоя детектора 3, верхнего контактного электрода 4 и выводов 5, соединенных с контактными электродами. Проводящий алмазный слой 2 может быть изготовлен либо путем легирования бором, либо с помощью графитизации подповерхностного слоя методом ионной имплантации. Активный алмазный слой детектора 3 изготавливается методом CVD-роста с соблюдением высокой степени чистоты, необходимой для обеспечения свободного дрейфа зарядов, образующихся при попадании ионизирующего излучения, между проводящими слоями 2 и 4.

Недостатком прототипа, изображенного на фиг. 1, является малое расстояние между открытыми участками контактных электродов 2 и 4, что может привести к утечкам по поверхности активного слоя 3 и в худшем случае к пробою. Из-за высокой напряженности алмаза (более 1000 В/мкм) пробоя через объем активного слоя не происходит. Однако при малом расстоянии между краями противоположных контактных электродов 2 и 4 иногда наблюдаются утечки по поверхности из-за поверхностных дефектов или загрязнений, возникающих в процессе изготовления детектора и/или его работы, которые сложно контролировать. Такая конструкция детектора полностью исключает возможность его использования при работе в агрессивных средах, например при использовании в приборах контроля режимов работы реактора, или при производстве ядерного топлива, когда требуется постоянная дезактивация детекторов активными растворами. Также при работе детектора при пониженных давлениях не удается обеспечить защиту от пробоя по поверхности из-за того, что электрическая прочность разреженного газа незначительна.

Малое расстояние между открытым участком проводящего алмазного слоя 2 (необходимого для подсоединения вывода 5) и верхним контактным электродом 4 обусловлено малыми размерами доступных алмазных подложек 1 (как правило, несколько мм). Поэтому для эффективного использования площади детектора расстояние от края верхнего контактного электрода 4 до края активного алмазного слоя 3 не превышает 0.1-0.3 мм. Даже незначительные утечки приводят к невозможности зарегистрировать сигнал, возникающий при попадании заряженной частицы в детектор, из-за его малой амплитуды.

В настоящем изобретении представлен алмазный детектор ионизирующего излучений, свободный от данного недостатка. Схематическое изображение предлагаемого детектора показано на фиг.2. В предлагаемом детекторе проводящий алмазный слой 2, играющий роль нижнего контактного электрода, полностью изолирован активным алмазным слоем 3. В процессе CVD-роста активного алмазного слоя алмаз растет не только в вертикальном направлении, но и со стороны боковых граней кристалла-подложки 1 (в прототипе на фиг.1 его либо сошлифовывают с боковой грани, либо оставляют открытый участок проводящего алмазного слоя 2 для подсоединения вывода 5). Электрическое соединение вывода 5 с нижним контактным электродом 2 осуществляется с помощью проводящих графитовых столбиков 6, изготовленных в алмазной подложке 1 с помощью лазерного излучения. Технология изготовления графитизированных областей внутри кристалла алмаза описана в [2] и применение графитизированных областей в качестве контактных электродов алмазных детекторов описаны в [3]. Изготовление графитизированных областей внутри алмаза возможно благодаря его прозрачности и производится путем фокусировки лазерного излучения на требуемой глубине внутри кристалла. Ширина графитового столбика определяется мощностью лазерного излучения и длительностью импульсов лазера. Соединение верхнего контактного электрода с выводом 5 может осуществляться как с помощью провода (как в прототипе на фиг.1), так и с помощью графитового столбика, проходящего через весь кристалл, как показано на фиг.2. В последнем случае в месте расположения второго графитового столбика не должно быть нижнего контактного электрода 2, чтобы обеспечить изоляцию между контактами. Также в этом случае возможно присоединение детектора к печатной плате методом контактного монтажа без использования проводов. В представленном детекторе все минимальные зазоры между противоположными электродами 2 и 4 находятся внутри алмаза, что значительно уменьшает вероятность утечек, пробоя и увеличивает надежность работы детектора, в том числе в условиях повышенных температур и контакта с агрессивными средами.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является изолированный нижний контактный электрод со стороны боковых граней с выводом электрического контакта на нижнюю грань кристалла-подложки с помощью графитовых столбиков, расположенных внутри алмазной структуры. Это исключает утечки и пробой по поверхности кристалла, что повышает устойчивость детектора к внешним воздействующим факторам.

Технических результат достигается путем изготовления проводящих графитовых столбиков внутри алмазного кристалла-подложки, выходящих на нижнюю грань кристалла-подложки, обеспечивающих электрическое соединение вывода с нижним контактным электродом.

Технических решений, содержащих совокупность признаков, сходных с отличительными, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Предлагаемое изобретение имеет изобретательский уровень, так как сочетание новых признаков с уже известными не очевидно для специалиста.

Источники информации

1. A. Balducci et al., Synthesis and characterization of a single-crystal chemical-vapor-deposition diamond particle detector, Applied Phys. Lett. 86 (2005) 213507-1-3.

2. A. Oh et al., A novel detector with graphitic electrodes in CVD diamond, Diamond Relat. Mater. 38 (2013) 9.

3. T.V. Kononenko, et al. Microstructuring of diamond bulk by IR femtosecond laser pulses. Applied Physics A, 90 (2008) 645.

Алмазный детектор ионизирующих излучений, состоящий из алмазной подложки, активного алмазного слоя, двух контактных электродов, расположенных сверху и снизу активного алмазного слоя, и выводов для подачи напряжения смещения и съема выходного сигнала, отличающийся тем, что нижний контактный электрод полностью распложен внутри активного алмазного слоя, при этом выводы для подачи напряжения смещения и съема выходного сигнала выполнены в виде графитовых столбиков в объеме алмазной подложки и активного алмазного слоя с выходом контактных поверхностей на нижнюю сторону подложки.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано в медицине, кристаллографии, ядерной физике и т.д. Гибридный пиксельный фотоприемник согласно изобретению содержит первую - кремниевую подложку, на верхней (нижней) поверхности которой расположена интегральная СБИС - микросхема, включающая матрицу пикселей с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности пикселей расположены контактные электроды и она содержит вторую полупроводниковую подложку n-(p-) типа проводимости, содержащую на своей верхней (нижней) поверхности сильно легированный n+(p+) слой с расположенным на нем металлическим общим катодным (анодным) электродом, а на ее нижней (верхней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов, которые через контактные электроды соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки, расположенной на нижней (верхней) поверхности второй подложки, при этом вторая подложка одного n-(p-) типа проводимости является общей - анодной (катодной) областью и она образует с полупроводниковыми контактными электродами p+(n+) типа проводимости, являющимися одновременно катодными (анодными) электродами, матрицу p-i-n-диодов.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию. Предложена конструкция планарного преобразователя ионизирующих излучений, содержащая слаболегированную полупроводниковую пластину n (p) типа проводимости, в которой расположена сильнолегированная n+ (p+) область, на поверхности которой расположен электропроводящий электрод катода (анода), на верхней поверхности пластины расположена сильнолегированная p+ (n+) область, образующая с полупроводниковой пластиной p-n-переход, на поверхности p+ (n+) области расположен слой изолирующего диэлектрика и электропроводящий электрод анода (катода), являющийся радиоактивным изотопом, при этом на верхней и нижней поверхностях слаболегированной полупроводниковой пластины n- (p-) типа проводимости расположены сильнолегированные соответственно верхняя и нижняя горизонтальные p+ (n+) области, образующие с пластиной p-n-переходы p-i-n-диода, при этом они соединены между собой вертикальной р+ (n+) кольцевой областью, при этом верхняя горизонтальная p+ (n+) область образует со слоем изолирующего диэлектрика и электропроводящим электродом катода (анода) МОП структуру накопительного конденсатора, на верхней поверхности пластины также расположена n+ (p+) контактная область к пластине n- (p-) типа проводимости, на верхней и нижней поверхности горизонтальных p+ (n+) областей расположены соответственно слои верхнего и нижнего диэлектрика, содержащие контактные окна соответственно к n+ (p+) контактной области и нижней горизонтальной p+ (n+) области, на поверхности верхнего и нижнего диэлектриков расположены соответственно верхний и нижний слои радиоактивного изотопа - металла, образующие омические контакты соответственно с n+ (p+) контактной областью и нижней горизонтальной p+ (n+) областью, являющиеся электродами катода (анода) и анода (катода) соответственно p-i-n-диода.

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.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. Изобретение обеспечивает повышение эффективности регистрации оптических и глубоко проникающих излучений и повышение быстродействия детектора излучений.

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 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.

Изобретение может найти применение для регистрации излучений в ядерной физике, в физике высоких энергий, а также при создании цифровых рентгеновских аппаратов, преимущественно маммографов.

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 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. .

Изобретение в целом относится к системам формирования изображения. Детекторное устройство для детектирования излучения содержит преобразующий слой, множество собирающих заряд электродов, множество внешних направляющих электродов, при этом детекторное устройство предназначено для приложения к направляющим электродам напряжения , где Ubias обозначает напряжение, приложенное между упомянутыми собирающими заряд электродами и противоэлектродом, через который принимается упомянутое излучение, dgap обозначает ширину упомянутых зазоров между упомянутыми собирающими заряд электродами, dg обозначает расстояние между соединительным слоем, на котором размещены упомянутые направляющие электроды, и упомянутым преобразующим слоем, εc обозначает относительную диэлектрическую проницаемость упомянутого преобразующего слоя, εg обозначает относительную диэлектрическую проницаемость в слое между упомянутыми собирающими электродами и упомянутыми направляющими электродами и dc обозначает толщину упомянутого преобразующего слоя.

Использование: для детектирования рентгеновского излучения. Сущность изобретения заключается в том, что детектор рентгеновского излучения содержит блок датчиков для определения падающего рентгеновского излучения, содержащий определенное число сенсорных элементов, счетный канал в расчете на сенсорный элемент для получения счетного сигнала посредством подсчета фотонов или импульсов заряда, сформированных в ответ на падающее рентгеновское излучение с начала интервала измерений, суммирующий канал в расчете на сенсорный элемент для получения просуммированного сигнала, представляющего полную энергию излучения, определенного с начала интервала измерений, и блок обработки для оценки, из просуммированных сигналов сенсорных элементов, счетных сигналов сенсорных элементов, счетный канал которых насыщен в течение интервала измерений, при этом упомянутый блок обработки сконфигурирован с возможностью определения модели объекта из полученных просуммированных сигналов сенсорных элементов, и определения счетных сигналов насыщенных сенсорных элементов из упомянутой модели объекта.

Изобретение относится к детектору счета фотонов с прямым преобразованием. Детекторная матрица содержит по меньшей мере один пиксель детектора прямого преобразования, выполненный с возможностью обнаружения фотонов полихроматического ионизирующего излучения, причем пиксель содержит: катодный слой; анодный слой, включающий в себя анодный электрод для каждого по меньшей мере одного пикселя детектора; материал прямого преобразования, расположенный между катодным слоем и анодным слоем; управляющий электрод, расположенный в материале прямого преобразования, параллельном и расположенном между катодным и анодным слоями; и контроллер напряжения пикселей, электрически соединенный с управляющим электродом, причем контроллер напряжения пикселей выполнен с возможностью альтернативного приложения одного из двух различных напряжений к управляющему электроду во время процедуры получения изображений, основываясь на скорости счета фотонов за заданный период скорости счета.

Изобретение относится к детектору для подсчета фотонов и описывается с частным применением к компьютерной томографии (CT). Система получения изображений содержит детекторную матрицу с пикселями детектора прямого преобразования, которая обнаруживает излучение, пересекающее область исследования системы получения изображений, и формируют сигнал, указывающий обнаруженное излучение, схему формирования импульсов, выполненную с возможностью альтернативной обработки сигнала, указывающего обнаруженное излучение, сформированного детекторной матрицей, или набора испытательных импульсов, имеющих разные и известные амплитуды, соответствующие различным и известным уровням энергии, и формирования выходных импульсов, имеющих амплитуды, указывающие энергии обработанного обнаруженного излучения или набора испытательных импульсов, и схему регулировки порогов, выполненную с возможностью анализа амплитуд выходных импульсов, соответствующих набору испытательных импульсов, вместе с амплитудами набора испытательных импульсов и набора заданных порогов фиксированной энергии, и формирования сигнала регулировки порогов, указывающего начало отсчета, на основании результата анализа.

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.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. Изобретение обеспечивает повышение эффективности регистрации оптических и глубоко проникающих излучений и повышение быстродействия детектора излучений.

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.

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.

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.

Настоящее изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию и может быть использовано во взрывоопасных помещениях - шахтах, в беспилотных летательных аппаратах, ночных индикаторах, сенсорах, расположенных в труднодоступных местах, и т.д. Предложена оригинальная «щелевая» конструкция преобразователя оптических и радиационных излучений, содержащая в полупроводниковой пластине n(p) типа проводимости вертикальные щели или каналы, на поверхности которых расположены вертикальные p-n-переходы, которые заполнены материалом радиоактивного изотопа, при этом на поверхности горизонтальных p-n-переходов пластины расположен диэлектрический слой, прозрачный для излучения оптического диапазона. Также предложен способ изготовления предложенной конструкции преобразователя оптических и радиационных излучений. Изобретение обеспечивает возможность расширения области применения преобразователя на оптический диапазон излучений, повышения его эффективности, т.е. позволяет получить максимальную электрическую мощность на единицу объема и веса преобразователя, и упрощения технологии изготовления. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх