Сенсор ионизирующего излучения на основе кремния бестигельной зонной плавки р-типа проводимости



Сенсор ионизирующего излучения на основе кремния бестигельной зонной плавки р-типа проводимости
Сенсор ионизирующего излучения на основе кремния бестигельной зонной плавки р-типа проводимости
Сенсор ионизирующего излучения на основе кремния бестигельной зонной плавки р-типа проводимости

 


Владельцы патента RU 2634324:

Публичное акционерное общество "Интерсофт Евразия", ПАО "Интерсофт Евразия" (RU)

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования ионизирующего излучения в электрический сигнал, в частности к чувствительным элементам, предназначенным для использования в различных системах измерения уровней радиации. Сенсор ионизирующего излучения содержит n+-i-p+-структуру, включающую i-область в виде высокоомной слаболегированной монокристаллической подложки высокочистого кремния бестигельной зонной плавки р-типа проводимости, на лицевой стороне которой выполнена чувствительная зона в виде, по меньшей мере, одной n+-области, наружная поверхность которой снабжена последовательно расположенными маскирующим покрытием из диоксида кремния, алюминиевой металлизацией и внешним пассивирующим слоем, а на оборотной стороне упомянутой подложки последовательно выполнен слой высоколегированного кремния, образующий р+-область, и нанесена алюминиевая металлизация с образованием подложкой с указанными слоями n+-i-p+-диода, при этом под покрытием из диоксида кремния на лицевой поверхности подложки вокруг чувствительной зоны, выполнена, по меньшей мере, одна пара охранных колец р+-типа и n+-типа, расположенных с зазором между ними, упомянутое покрытие из диоксида кремния выполнено с окнами для контакта чувствительной n+-области с алюминиевой металлизацией, а внешний пассивирующий слой выполнен с окнами для присоединения выводов. Изобретение обеспечивает уменьшение времени измерения радиационного фона, значительное снижение размеров и массы сенсора, расширение диапазона регистрируемых энергий и возможность регистрации различных видов ионизирующего излучения при снижении уровня шумов и увеличении чувствительности сенсора. 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования ионизирующего излучения в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить уровень радиации и набранную дозу гамма, протонных, электронных и альфа-излучений. В частности, изобретение относится к полупроводниковым чувствительным элементам (сенсорам или детекторам), представляющим собой диод или матрицу n-i-p-диодов, предназначенную для использования в различных системах измерения уровней радиации: дозиметрах, индикаторах превышения фона и радиометрах, в том числе для индивидуального контроля радиоактивного облучения и для предупреждения о радиоактивной опасности. В настоящее время сенсоры на основе p-i-n и n-i-p-диодов продолжают совершенствоваться с учетом современных достижений технологии микроэлектроники.

Уровень техники

Полупроводниковые сенсоры на основе p-i-n-диодов получили широкое распространение как счетчики числа частиц и как приборы для измерения энергии частиц (спектрометры) с высокой разрешающей способностью. Принцип их работы основан на том, что при прохождении через сенсор (чувствительный элемент) ионизующей частицы заряд, индуцированный в веществе счетчика, собирается на электродах.

Важной особенностью полупроводниковых счетчиков являются их малые габариты. Это сильно расширило возможности применения таких сенсоров не только в области физического эксперимента, но и в технике - в приборах технологического контроля и в медицине.

Известен сенсор, содержащий n-i-p структуру. В данном известном устройстве решается задача регистрации света, для чего используется внутреннее усиление в элементах, при этом в качестве подложки (i-области) используется аморфный кремний, а «p» и «n» области представляют собой поликристаллический кремний. В результате такой известный прибор представляет собой матрицу полевых TFT транзисторов (US 7514762).

В результате данное устройство не может осуществлять преобразование ионизирующего излучения в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить уровень радиации и набранную дозу гамма, протонных, электронных и альфа-излучений.

Из уровня техники известен также полупроводниковый p-i-n-диодный кремниевый малошумящий детектор, изготовленный по планарной технологии. В нем представлены способы производства детекторов по планарной технологии для обнаружения радиации и имеющие полупроводниковые p-n переходы. Однако описанные конструкции планарных полупроводниковых диодов имеют иное конструктивное исполнение (US 4442592).

Недостатком данного известного устройства является низкие чувствительность и скорость регистрация, в результате для обеспечения эффективной чувствительности и высокой скорости регистрации всего спектра гамма-излучения, необходимо увеличивать объем полупроводника, чтобы повысить вероятность попадания и рассеяния в нем, гамма-кванта и, соответственно, повысить скорость счета частиц радиационного потока.

Наиболее близким является матричный сенсор ионизирующего излучения представляет собой p-i-n структуру, выполненную по планарной технологии, содержащую высокоомную подложку высокочистого кремния бестигельной зонной плавки (БЗП) n-типа проводимости, на лицевой (рабочей) стороне которой сформированы - p-области методом ионной имплантации; выращен маскирующий слой SiO2; нанесена алюминиевая металлизация; нанесен пассивирующий (защитный) слой. При этом, по крайней мере, две p-области расположены в центральной части подложки и занимают большую часть площади поверхности, образуя чувствительную область сенсора и, по крайней мере, две p-области выполнены в виде кольцеобразных элементов (охранных колец), концентрично расположенных в нечувствительной области по периферии подложки с возможностью снижения величины поверхностного тока и плавного падения потенциала от чувствительной области к периферии прибора. В слое SiO2 сформированы окна для обеспечения контакта металла (алюминиевой металлизации) с p-областью; в пассивирующем слое над p-областью, расположенной в центральной части подложки, сформированы окна для присоединения выводов. На подложке со стороны, противоположной лицевой поверхности, расположен слой n-области и металла.

Количество p-областей, образующих чувствительную область сенсора, выполнено равным 2n, где n=1÷8, при этом p-обрасти имеют, преимущественно, прямоугольную форму, выполнены гальванически не связанными между собой и равными по площади. Количество окон для присоединения выводов соответствует количеству данных p-областей.

Окна для присоединения выводов расположены по краям подложки в нечувствительной области подложки. При этом p-области, образующие чувствительную область сенсора, имеют профилированные участки по краям в виде выемок, обеспечивающих формирование неактивных зон для размещения окон для присоединения выводов.

Суммарная площадь окон для обеспечения контакта металла (алюминиевой металлизации) с p-областью не превышает 1% площади поверхности чувствительной области сенсора для предотвращения диффузии алюминия в кремний.

В данном устройстве используется только монокристаллический кремний, в частности, в качестве подложки используется пластина из высокочистого кремния бестигельной зонной плавки (RU 2551257 - прототип).

Недостатками известного сенсора являются, значительная длительность времени измерения радиационного фона, значительные размеры и массы сенсора, недостаточная чувствительность, ограниченный диапазон регистрируемых энергий и отсутствие возможности регистрации различных видов ионизирующего излучения.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является разработка эффективного сенсора (чувствительного элемента) для регистрации ионизирующего излучения всех видов заряженных частиц и гамма квантов в широком диапазоне энергий и потоков. Структурно, сенсор представляет собой один или множество n-i-p диодов с электрически общей p-областью.

Техническим результатом, обеспечивающим решение поставленной задачи, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является уменьшение времени измерения радиационного фона, значительное снижение размеров и массы сенсора, расширение диапазона регистрируемых энергий и возможность регистрации различных видов ионизирующего излучения при снижении уровня шумов и увеличении чувствительности сенсора.

Настоящее изобретение решает задачу повышения эффективности работы устройства путем изменения полярности диода. Известно, что основной регистрируемой компонентой в сенсоре р-i-n типа является дырочная компонента, подвижность дырок в кремнии приблизительно втрое меньше подвижности электронов. Соответственно время сбора заряда или другими словами длительность импульса тока, возникающего при прохождении частицы (при всех прочих равных условиях: удельное сопротивление материала, приложенное напряжение, толщина сенсора, внешние условия) для заявляемого сенсора n-i-p структуры втрое меньше, чем для прототипа, выполненного на основе сенсора p-i-n структуры. Кроме того, вероятность наложения последовательных импульсов существенно снижается и, таким образом, изобретение позволяет решить задачу существенного (в 3 раза) увеличения возможной скорости счета. Прибор предназначен для регистрации любого ионизирующего излучения за исключением нейтронного, в частности рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения и всех типов заряженных частиц (электроны, позитроны, протоны, альфа-частицы, ионы и другие). Нижняя граница энергии регистрируемых частиц не более 1000 эВ, а практически определяется уровнем шумов электроники считывания. Верхняя граница энергетического диапазона регистрации отсутствует, для высокоэнергетичных (релятивистских, с энергией более 2-2.5 масс покоя) частиц энерговыделение в сенсоре становится практически не зависящим от энергии, и средняя величина ионизационных потерь составляет 388 эВ/мкм, или для сенсора толщиной 500 мкм - 194 кэВ.

Сущность изобретения состоит в том, что сенсор ионизирующего излучения содержащит n+-i-p+ структуру, включающую i-область в виде высокоомной слаболегированной монокристаллической подложки высокочистого кремния бестигельной зонной плавки р-типа проводимости, на лицевой стороне которой выполнена, чувствительная зона в виде, по меньшей мере, одной n+-области, наружная поверхность которой снабжена последовательно расположенными маскирующим покрытием из диоксида кремния, алюминиевой металлизацией и внешним пассивирующим слоем, а на оборотной стороне упомянутой подложки последовательно выполнен слой высоколегированного кремния, образующий p+-область, и нанесена алюминиевая металлизация с образованием подложкой с указанными слоями n+-i-p+ диода, при этом под покрытием из диоксида кремния на лицевой поверхности подложки вокруг чувствительной зоны, выполнена, по меньшей мере, одна пара охранных колец р+ типа и n+ типа, расположенных с зазором между ними, упомянутое покрытие из диоксида кремния выполнено с окнами для контакта чувствительной n+-области с алюминиевой металлизацией, а внешний пассивирующий слой, выполнен с окнами для присоединения выводов.

Предпочтительно, чувствительная зона n+-i-p+ диода выполнена в виде матрицы с количеством n+-областей, равным 2k, где k - целое число, большее или равное нулю, гальванически не связанных между собой.

Предпочтительно, n+-области выполнены прямоугольной формы.

Предпочтительно, n+-области выполнены равными по площади.

Предпочтительно, сенсор выполнен с количеством окон для присоединения выводов, равным количеству n+-областей.

Предпочтительно, окна для присоединения выводов расположены по в неактивной зоне подложки, отделенной от чувствительной зоны n+-i-p+ диода.

Предпочтительно, неактивная зона и чувствительная зона n+-i-p+ диода отделены друг от друга выемками, выполненными в подложке.

В частных случаях реализации, конструктивные элементы выполнены по планарной технологии с использованием контактной фотолитографии.

В частных случаях реализации, конструктивные элементы выполнены по планарной технологии с использованием проекционной фотолитографии.

Предпочтительно, суммарная площадь окон, выполненных в покрытии из диоксида кремния, не превышает 1% площади поверхности чувствительной зоны и выбрана из условия предотвращения диффузии алюминия в кремний.

Предпочтительно, сенсор выполнен с общим количеством охранных колец p+ типа и n+ типа выполнено равным четырем, при этом указанные охранные кольца расположены на расстоянии друг от друга, увеличивающемся к периферии подложки, а пассивирующий слой выполнен из фосфорно-силикатного стекла

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где:

На фиг. 1 схематично представлено заявляемое устройство - вид сверху, вариант выполнения сенсора с двумя чувствительными n+-областями, образующими чувствительную зону сенсора;

На фиг. 2 и 3 - разрезы А-А и Б-Б фиг. 1, соответственно;

На фиг. 4 представлен увеличенный участок В фиг. 1;

На фиг. 5 - разрез Г-Г фиг. 4.;

На фиг. 6 - представлен вариант выполнения сенсора, в котором чувствительная зона сенсора сформирована из восьми n-областей, вид сверху;

На фиг. 7 представлен разрез Д-Д фиг. 6.

Позициями на фигурах обозначены: 1 - i-область - высокоомная подложка кремния p-типа проводимости с низкой концентрацией легирующей примеси; 2 - n+-область, расположенная в центральной части подложки, образующая чувствительную зону сенсора; 3 - чередующиеся р+- и n+-области, представляющие собой охранные кольца; 4 - слой (покрытие) из SiO2; 5 - алюминиевая металлизация, образующая один из электродов сенсора; 6 - пассивирующий (защитный) слой из фосфорно-силикатного стекла (SiO2 + Р2О5); 7 - окна для обеспечения контакта металла (алюминиевой металлизации) с n+-областью, сформированы в слое SiO2; 8 - окна для контактирования с n+-р областью в процессе тестирования, расположенные в пассивирующем слое над n+-областью центральной части каждого матричного элемента; 9 - окна для присоединения выводов; 10 - p+-область, расположенная на обратной стороне подложки; 11 - алюминиевая металлизация с обратной стороны подложки, образующая второй электрод сенсора, 12 - профилированные участки n-областей в виде выемок, обеспечивающих формирование неактивных зон для размещения окон 9 для присоединения выводов, один из которых называют анодов (А), а обратная сторона - катодом (К).

Структура n+-i-p+ сенсора, базой которого является биполярный диод, основана на том, что между областью 2 электронной n+ проводимости и областью 10 дырочной p+ проводимости находится подложка 1 - нелегированный полупроводник с дырочной р (positive) проводимостью (i-область).

Осуществление изобретения

Заявляемый матричный сенсор (чувствительный элемент) ионизирующего излучения, представляет собой n+-i-p+структуру, выполненную по планарной технологии (i-область представляет собой слабо легированный акцепторный кремний). Сенсор содержит высокоомную подложку высокочистого кремния бестигельной зонной плавки (БЗП) p-типа (positive) проводимости, на лицевой (рабочей) стороне которой расположены n+-области 2, 3, слой 4 (покрытие) из SiO2, алюминиевая металлизация 5, пассивирующий (защитный) слой 6 из фосфорно-силикатного стекла (SiO2 + P2O5). Толщина слоев определяется технологией их изготовления и, как правило, составляет не более 0,5÷1,1 мкм.

На лицевой стороне подложки 1 сформированы:

- n-области 2 методом ионной имплантации;

- выращен маскирующий слой SiO2 (слой 4);

- нанесена алюминиевая металлизация 5;

- нанесен пассивирующий (защитный) слой 6.

При этом, по крайней мере, одна или более n+-области 2 расположены в центральной части подложки с лицевой стороны и занимают большую часть площади поверхности, образуя чувствительную зону сенсора и, по крайней мере, две n+-области и две p+-области, выполнены в виде кольцеобразных элементов (охранных колец) 3, концентрично расположены в нечувствительной области по периферии подложки 1 с целью снижения величины поверхностного тока и плавного падения потенциала от чувствительной области к периферии прибора.

В слое 4 SiO2 сформированы окна 7 для обеспечения контакта металла (алюминиевой металлизации) с n-областями; в пассивирующем слое над n-областями, расположенными в центральной части подложки, сформировано окно 8 для контактирования с каждой n+-p- областью в процессе тестирования, и окна 9 для присоединения выводов. На подложке 1 со стороны, противоположной лицевой поверхности, расположен слой 10 p+-области сильно легированный до 10 атомов акцепторной примеси на см3 толщиной 2÷4 мкм, и слой 11 алюминиевой металлизации толщиной 0,9÷1,1 мкм.

Суммарная площадь окон 7 для обеспечения контакта металла (алюминиевой металлизации) с n-областью не превышает 1% площади поверхности чувствительной зоны детектора для предотвращения диффузии алюминия в кремний.

Количество n+-областей 2, образующих матрицу - чувствительную зону сенсора, выполнено равным 2k, где k может быть равным 0 - одна область, а верхнее значение определяется задачей и размерами сенсора и ограничено только возможностями технологического процесса. При этом n+-области 2 имеют, преимущественно, прямоугольную форму, выполнены гальванически не связанными между собой и равными по площади. Количество окон 9 для присоединения выводов соответствует количеству n+-областей 2.

Количество таких n+-областей 2 может варьироваться от 1 до 1024. Указанное число чувствительных независимых областей 2 может быть и больше, их число определяется только разумной необходимостью понижения шумов и, соответственно, увеличением числа каналов считывания. Очевидно, что увеличение числа каналов считывания приводит к увеличению энергопотребления дозиметра-радиометра в целом и для бытовых приборов разумно ограничится небольшим числом областей 2, служащих элементами матрицы (4 или 8), для профессиональных или стационарных приборов с большой общей площадью датчика, где требуется высокая точность измерений число каналов может быть существенно увеличено. Современный рынок электроники предлагает монокристальные усилители с количеством каналов до 128.

Окна 9 для присоединения выводов расположены по краям подложки в нечувствительной зоне подложки. При этом n+-области 2, образующие чувствительную зону сенсора, имеют профилированные участки по краям в виде ряда выемок 12, обеспечивающих формирование неактивных зон для размещения окон для присоединения выводов.

Суммарная площадь окон 9 для обеспечения контакта металла (алюминиевой металлизации) с n+-областью 2 не превышает 1% площади поверхности чувствительной зоны сенсора для предотвращения диффузии алюминия в кремний.

В качестве подложки кремния используют пластину из высокочистого кремния бестигельной зонной плавки (БЗП) с удельным сопротивлением 3÷12 кОм⋅см, толщиной 250÷1000 мкм. Количество кольцеобразных элементов (охранных колец) 3 выбрано равным 4 (два n+-типа и два p+-типа), расположенных на расстоянии друг от друга, увеличивающемся от центра подложки к периферии. Число и конфигурация охранных колец 3 определяются с учетом особенностей технологического процесса. Система охранных колец должна обеспечивать плавное падение потенциала от активной области к краю сенсора. По крайней мере, две n+-области и две p+-области охранных колец 3, выполненные в виде кольцеобразных элементов, расположены в нечувствительной зоне по периферии подложки 1 вокруг n+-областей 2 обеспечивают снижение величины поверхностного тока и плавного падения потенциала от чувствительной области к периферии прибора.

В одном из вариантов выполнения сенсора ширина кольцеобразных элементов 3 выбрана равной 25 мкм, при этом расстояние между первым и вторым элементом 3 выбрано равным 40 мкм, между вторым и третьим - 50 мкм, между третьим и четвертым - 70 мкм, при этом первый элемент 3 отстоит от границы чувствительной p-области 10 на расстоянии 40 мкм. При этом данные параметры могут варьироваться в широком диапазоне. Точность указанных размеров при производстве сенсора определяется точностью изготовления фотошаблонов и составляет ±0,1 мкм.

Габариты рабочей поверхности определяются размерами пластины 1 и, например, для пластин диаметром 150 мм могут составлять до 102×102 мм2, при этом габаритные размеры поверхности активной зоны составляют 100×100 мм2, толщина сенсора составляет 250÷1000 мкм (определяется толщиной пластины 1), область, занимаемая кольцеобразными элементами 3, составляет не более - 1 мм по периметру подложки 1. Данная конструкция сенсора обеспечивает достижение следующих электрических характеристик: величину обратного смещения от 40÷200 В для достижения режима полного обеднения, в зависимости от удельного сопротивления и толщины сенсора; рабочий режим, характеризующийся обратным смещением при полном обеднении; рабочее напряжение, определяемое из значения напряжения полного обеднения (VПО): Vpaб=VПО+20 В; напряжение пробоя, не менее - 2⋅VПО; темновой ток при рабочем напряжении, не более - 200 нА/см2; при этом измерения перечисленных параметров осуществляют при температуре 20±2°С.

Заявляемые сенсоры изготавливают по планарной технологии, которая представляет собой совокупность технологических операций, посредством которых формируют структуры планарных полупроводниковых сенсоров только с одной стороны пластины, вырезанной из монокристалла кремния диаметром до 150 мм. В частности, изобретение может быть реализовано по технологии, близкой к представленной в публикациях Кеммера (Kemmer J. ((Fabrication of low noise silicon radiation detectors by the planar process» // Nuclear Instruments and Methods. - 1980. - V. 169. - P. 499-502).

Планарная технология основывается на создании в приповерхностном слое подложки областей с различными типами проводимости или с разными концентрациями примеси одного вида, в совокупности образующих структуру сенсора. Области структур создают локальным введением в подложку примесей (посредством диффузии из газовой фазы или ионной имплантации), осуществляемым через маску (обычно из пленки SiO2), формируемую при помощи фотолитографии. Последовательно проводя процессы окисления (создание пленки SiO2), фотолитографии и введения примесей, получают легированную область любой требуемой конфигурации, а также области с другим типом проводимости (или другой концентрацией примеси). Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе большого числа (до нескольких сотен и даже тысяч) идентичных дискретных полупроводниковых приборов (например, сенсоров) или интегральных схем на одной пластине. Групповая обработка обеспечивает хорошую воспроизводимость параметров приборов и высокую производительность при сравнительно низкой стоимости изделий.

Сенсор ионизирующего излучения работает следующим образом.

Работа сенсора основана на том, при приложении обратного напряжения смещения, i-область полностью обедняется носителями и диод перестает пропускать ток (запирается). Фактически i-область при обратном смещении является изолятором из-за отсутствия свободных носителей заряда, и величина протекающего тока становится ничтожно мала.

Ионизирующее излучение (кванты) при прохождении через i-область, создают облако ионизации вдоль своей траектории порождая образование электронно-дырочных пар. Носители заряда, попадая в электрическое поле, начинают двигаться к высоколегированным «p+» и «n+» областям 10 и 2, создавая импульс электрического тока, который может быть детектирован внешней цепью. Проводимость биполярного диода зависит от длины волны, интенсивности и частоты модуляции падающего излучения.

Кванты рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения, попадая в материал сенсора, взаимодействуют с ним, что приводит к рождению, в зависимости от энергии падающего кванта: фотоэлектрона, комптоновского электрона или электрон-позитронной пары. Вероятность этого процесса составляет 1÷3%, но с учетом того, что вероятность регистрации заряженной частицы (электрона, позитрона, протона, альфа-частицы и др.) равна 1, этого вполне достаточно для уверенной регистрации ионизирующего гамма излучения даже на уроне фона с точностью не хуже 20% за 1÷2 минуты измерения. Заряженные частицы проникают в чувствительную область сенсора и генерируют в нем электронно-дырочные пары. Носители заряда (электроны) под действием приложенного к полупроводниковому сенсору электрического поля "рассасываются", перемещаются к электродам. В результате во внешней цепи полупроводникового детектора возникает электрический импульс, который регистрируется зарядочувствительным предварительным усилителем и преобразуется в перепад напряжения на его выходе, а затем передается в блок обработки сигнала (не изображены).

Для проверки работоспособности сенсора были созданы опытные образцы с 2, 4 и 8 элементами (областями 2) матрицы, в которых полупроводниковый сенсор (детектор) представляет собой высоковольтный n+-i-p+ диод в виде односторонней структуры, выполненной по планарной технологии на подложке высокочистого БЗП кремния с удельным сопротивлением: 3÷4 кОм⋅см, с габаритными размерами 12×12 мм и толщиной 450 мкм. Плоский сигнальный n+-p- переход представляет собой ионно-имплантированную n+ область с повышенной концентрацией атомов фосфора. Вокруг плоского сигнального n+-p- перехода, занимающую большую часть подложки (размер активной области составил - 10×10 мм2, при этом размер каждой p-области составил 50, 25 и 12,5 мм2, соответственно), расположены охранные кольцевые p+-p- и n+-p- переходы, выполненные аналогичным способом, что и плоский сигнальный n+-p- переход, расположенный в центральной части подложки. Область, занятая охранными кольцами, составила не более 1 мм по периметру. Металлические электроды выполнены из алюминия. На подложке со стороны, противоположной лицевой поверхности, расположен сильно легированный (до 1020 атомов акцепторной примеси (бор) в см3) слой p+- 10 толщиной 2÷4 мкм и слой алюминиевой металлизации 11 толщиной 0,9÷1,1 мкм.

При изготовлении сенсора по планарной технологии использован комплект из 5 рабочих фотошаблонов (ф/ш) контактной фотолитографии, первым из которых является фотошаблон для формирования n+-области; второй - для формирования охранных высоколегированных концентрических p+-областей; третий - для формирования контактов к n+-области диода и охранным кольцам по периферии на лицевой стороне пластины; четвертый - для Al металлизации, пятый - для формирования контактов к металлизации. Шаблоны перечислены в порядке их использования в технологическом процессе. При этом в первом и во втором ф/ш минимальная ширина периферических колец составила 25 мкм; в третьем ф/ш для формирования контактов к n+ диоду и охранным кольцам по периферии на лицевой стороне пластины минимальный размер контакта составил: - 25×25 мкм2; по периферии к охранным кольцам - 10×40 и 40×10 мкм2; в четвертом ф/ш для Al металлизации минимальная ширина колец на периферии диода составила 20 мкм; размеры пятого ф/ш для формирования контактов к центральной области металлизации - не критичны.

Изготовленные устройства характеризовались следующими электрическими характеристиками:

Рабочий режим - обратное смещение при полном обеднении.

Рабочее напряжение определяется из значения напряжения полного обеднения (VПО) - Vраб=VПО+20 B;

Напряжение пробоя, не менее - 2⋅VПО;

Темновой ток при рабочем напряжении, не более - 200 нА/см2;

Все измерения проводились при температуре 20±2°С. На пластине расположены тестовые структуры для определения удельного сопротивления p-области четырехточечным методом. Подключение охранных колец не предусматривалось - основная их задача - препятствовать возникновению поверхностного тока от n+-области к краю сенсора, за счет наведенного потенциала.

Как видно из приведенных примеров, в результате реализации изобретения обеспечено уменьшение времени измерения радиационного фона, значительное снижение размеров и массы сенсора, расширение диапазона регистрируемых энергий и возможность регистрации различных видов ионизирующего излучения при снижении уровня шумов и увеличении чувствительности сенсора.

Сенсор чувствителен ко всем видам ионизирующего излучения, за исключением нейтронов, нижняя граница энергии регистрируемых частиц не более 1000 эВ, а практически определяется уровнем шумов электроники считывания. Верхняя граница энергетического диапазона регистрации отсутствует, для высокоэнергетичных (релятивистских, с энергией более 2-2.5 масс покоя) однозарядных частиц энерговыделение в сенсоре становится практически не зависящим от энергии, и средняя величина ионизационных потерь составляет 388 эВ/мкм, или для сенсора толщиной 500 мкм - 194 кэВ. Энерговыделение от многозарядных ионов пропорционально квадрату величины заряда. Регистрация сигнала такого уровня, не представляет, какой либо сложности для современной электроники.

Способ изготовления сенсора ионизирующего излучения по планарной технологии включает изготовление комплекта из 5 рабочих фотошаблонов контактной (или проекционной) фотолитографии, первым из которых является фотошаблон для формирования n+-области, второй - для формирования охранных элементов p+-типа, третий - для формирования контактов к n+-области диода и охранным кольцам по периферии на лицевой стороне пластины, четвертый - для Al металлизации, пятый - для формирования контактов к металлизации.

Сенсор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, может применяться в различных в портативных автономных устройствах, предназначенных для регистрации и/или измерения ионизирующего излучения. При этом сенсор имеет малые габариты в сочетании с рабочим широким температурным диапазоном; высокую скорость счета и чувствительность, высокую радиационную стойкость, широкий диапазон измерений; отсутствие необходимости периодического обслуживания; низкое энергопотребление, низковольтное питание и пониженные шумовые характеристики.

1. Сенсор ионизирующего излучения, содержащий n+-i-p+-структуру, включающую i-область в виде высокоомной слаболегированной монокристаллической подложки высокочистого кремния бестигельной зонной плавки р-типа проводимости, на лицевой стороне которой выполнена чувствительная зона в виде, по меньшей мере, одной n+-области, наружная поверхность которой снабжена последовательно расположенными маскирующим покрытием из диоксида кремния, алюминиевой металлизацией и внешним пассивирующим слоем, а на оборотной стороне упомянутой подложки последовательно выполнен слой высоколегированного кремния, образующий р+-область, и нанесена алюминиевая металлизация с образованием подложкой с указанными слоями n+-i-p+-диода, при этом под покрытием из диоксида кремния на лицевой поверхности подложки вокруг чувствительной зоны выполнена, по меньшей мере, одна пара охранных колец р+-типа и n+-типа, расположенных с зазором между ними, упомянутое покрытие из диоксида кремния выполнено с окнами для контакта чувствительной n+-области с алюминиевой металлизацией, а внешний пассивирующий слой выполнен с окнами для присоединения выводов.

2. Сенсор по п. 1, в котором чувствительная зона n+-i-p+-диода выполнена в виде матрицы с количеством n+-областей, равным 2k, где k - целое число, большее или равное нулю, гальванически не связанных между собой.

3. Сенсор по п. 2, в котором n+-области выполнены прямоугольной формы.

4. Сенсор по любому из пп. 2, 3, в котором n+-области выполнены равными по площади.

5. Сенсор по любому из пп. 1-3, характеризующийся тем, что он выполнен с количеством окон для присоединения выводов, равным количеству n+-областей.

6. Сенсор по любому из пп. 1-3, в котором окна для присоединения выводов расположены по в неактивной зоне подложки, отделенной от чувствительной зоны n+-i-p+-диода.

7. Сенсор по п. 6, в котором неактивная зона и чувствительная зона n+-i-p+-диода отделены друг от друга выемками, выполненными в подложке.

8. Сенсор по любому из пп. 1-3, 7, в котором конструктивные элементы выполнены по планарной технологии с использованием контактной фотолитографии.

9. Сенсор по любому из пп. 1-3, 7, в котором конструктивные элементы выполнены по планарной технологии с использованием проекционной фотолитографии.

10. Сенсор по любому из пп. 1-3, 7, в котором суммарная площадь окон, выполненных в покрытии из диоксида кремния, не превышает 1% площади поверхности чувствительной зоны и выбрана из условия предотвращения диффузии алюминия в кремний.

11. Сенсор по п. 1, характеризующийся тем, что он выполнен с общим количеством охранных колец р+-типа и n+-типа, равным четырем, при этом указанные охранные кольца расположены на расстоянии друг от друга, увеличивающемся к периферии подложки.

12. Сенсор по любому из пп. 1-3, 7, 11, в котором пассивирующий слой выполнен из фосфорно-силикатного стекла.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений и может быть использовано при регистрации частиц, ультрафиолетового-, альфа-излучений. Чувствительный элемент с кольцевым контактом для алмазного детектора, предназначенный для регистрации частиц, альфа-, УФ излучений, содержит лицевой контакт, выполненный с отверстием радиуса R, определяющимся из условия достаточной величины электрического поля в цилиндрической области радиуса R и позволяющим устранить энергетические потери регистрируемых частиц вследствие отсутствия контакта внутри цилиндрической области радиуса R.

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

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.
Наверх