Полупроводниковый материал для детектора частиц

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<и> 436306

Союз Советских тоциалистииеских

Республик (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 03.04,73 (21) 1900992/26-25 с присоединением заявки № (32) Приоритет

Опубликовано 15.07.74. Бюллетень № 26

Дата опубликования описания 13.12.74 (51) М. Кл. б ОИ 1/24

Н 013 39/34

Гооударствеииый комитет

Соввта Миииотроа СССР ао делам изобретеиий и открытий (53) УДК 539.1.074.5 (088.8) (72) Авторы изобретения

С. Г. Калашников, И. В. Карпова, Б. В. Корнилов и Ю. И. Завадский (71) Заявитель

Институт радиотехники и электроники АН СССР (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАТЕРИАЛ

ДЛЯ ДЕТЕКТОРА ЧАСТИЦ

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и ядерной физике, к области спсктрометрии заряженных частиц.

Известны в основном два ти|па полупроводниковых детекторов: детекторы с р-п.-,переходом и детекторы на основе однородных, компенсированных материалов германия и кремния. Наилучшее энергетическое разрешение, достигаемое при использовании таких детекторов, составляет 6 — 10 кэв для энергии а и р-частиц в диапазоне 625 кэв — 5 мэв. Например, детекторы,,полученные методом дрейфа ионов лития в германии, имеют разрешение

6 кэв для Р-частиц с энергией 625 кэв.

Счетчики на основе компенсированных полуароводников (например германий, легированный литием, или кремний, легированный золотом) имеют следующие недо статки: требуют охлаждения до 90 К и ниже; часто изменяют свои свойства во время эксплуатации, что обусловлено поляризационными эффектами, связанными с изменением заполнения ловушек; разрешение в таких счетчиках ограничивается токовыми шумами; существуют трудности с технологией введения лития и однородной компенсацией больших объемов материала (— 0,5 — 1 см ).

Недостатки и ограничения этих счетчиков определяются физическими и технологическими свойствами полупроводникового материала.

Для повьппения энергетического разрешения низкоэнергетических частиц при комнат5 ной температуре предлагаемый материал содержит исходную легирующую и компенсирующие примеси в таком количестве, что отношение концентрации неосновных носителей и концентрации основных носителей больше

10 отношения соответствующих им времен жизни носителей.

Использование такого материала позволяет существенным образом уменьшить геометрические размеры счетчика.

15 Например, объем счетчика на таком материале будет в 10 — 10 раз меньше объема однородных счетчиков.

Сущность изобретения состоит |в использовании высокой чувствительности к внешним

20 воздействиям колебаний электронно-дырочной плазмы ти па рекомбинационных волн, которые возникают в таком материале, если к нему приложить достаточное по величине электрическое поле. В электрической цепи ко25 лебания типа рекомбинационных волн проявляются как автоколебания тока, по форме близкие к синусоидальным. Для возникновения колебаний электронно-дырочной плазмы необходимо, чтобы в полупроводнике, комзО пенсированном примесями с глубокими уров466306

4: п

ns a

55 нями энергии, выполнялись определенные соотношения между легирующими донорными и акцептор|ными примесями.

В результате IB полупроводнике должно быть обеспечено следующее соотношение между стационарными концентрациями свободных носителей тока и их временами жизни: где и, и n2 — концентрация .соот ветствбнно неоановных и основных носителей, т1 и 1;2— времена жизни соотвепственно долгоживущих и короткоживущих носителей. Кроме того, дрейфовая длина неосновных носителей должны быть больше их диффузионной длины.

Примером такого материала может служить кремний и-типа приводимости, ком пенсированный циником таким образом, что между концентрациями цинка (Nz ) и фосфора (Np) сущес пвует соотношение

_#_zп (Np (2Nzï .

В таком материале вследствие сильной асимметрии сечений захвата. дырки и электрона на верхний уровень цин|ка (Е,— 0,51 эв) усP n ловие — )1 вы|полняется. Величина и -.р удельного сопротивления в таком материале долж на быть, как это можно показать, больше, чем (1 — 2) 104 ом см. Если образец из такого материала включить в цепь постоянного тока и приложить к,нему поле, превосходящее 40 — 80 в/см, то в цепи возникнут автоколебания то ка по форме близкие к синусоидальным. Частота автоколебаний для образцов, отличающихся по степени компе сации, лежит в пределах 20 (t (2000 гц при Т= 300 К.

Кремний, компенсированный цинком, можно получить методом диффузионного отжига, проводя диффузию цинка из газовой фазы в вакуумирован ных до 10- — 10 " мм рт. ст. ампулах. Температура и время диффузии цинка для,каждого исходного материала выбирается TBIK, чтобы BbllIIoJIHRJIocb соотношение

Nzn (Np (2ЛЬ„.

Экспериментально установлено, что если образец кремния, компенсированный цинком (1X1,5)(О,4 мм) поместить в вакуумированный объем растрового электрон ного микроскопа и подвергнуть его |поверхность воздействию электронного зонда, то частота и амплитуда автоколебаний тока в:цепи будут

40 изменятьея: в зависимости от. энергии электронов. Величина тока электронного пучка в опыте яе превышает 10 — "А, а диаметр электронного зонда находится в пределах

200(д(1000A.

Энергия электраноз. изменя4:тся 1в диа пазоне 5 — 30 кэв. Электрические контакты располатаются с противоноложнс4 поверхности образца.

На чертеже представлены зависимости частоты и амплитуды автаколебаний тока от энергии электронов.

Объем, в который проыикают первичные электроны ми крозонда с энергией 5 — 25 кэв в 10" раз меньше объема области, в которой происходят колебания электронно-дырочной плазмы. Параметры колебаний (частота, амплитуда) обнаруживают высокую чувствительность к локальному электронному потоку с энергией электронов 5 — 25 к эв. Частотная чувствительность достигает 30 гц/кэв.

Так как флюктуация частоты колебаний при

Т = const не превышает 0,1 гц, то ми нимальное приращение энергии электронов, которое в гпринци пе мож|но зарегистрировать, будет порядка 0,005 кэв. На основе такого материала могут быть изготовлены высокочувстви-тельные счетчики заряженных частиц. Наиболее подходящая область их применения — это спектроокопия заряженных частиц, требующая хорошего разрешения, и специальные задачи ядер|ной физики.

Такие счетчики не имеют «мертвого» слоя, KoMIIIaKTHbI и не требуют источника высокого напряжения.

Недостатком таких счетчиков является температурная за висимость частоты и амплптуды авто колебаний.

Предмет изобретения

Полупроводниковый материал для детектора частиц, на|пример, на основе кремния и-тиdna, компенсированный примесью с глубоким энергетическим уровнем, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетического разрешения низкоэнергетических частиц при комнатной температуре, он содержит исходную легирующую и ком|пексирующую примеси в таком количестве, что отношение концентра»ции неосновньгх носителей к концвнтрации ооновных носителей больше отношения соответствующих им времен жизни носителей.

u(d) 400

З00

200

f00

Е (кИ) Корректор О. Тюрина

Редактор И. Шубина

Заказ 3319711 Изд. № 1835 Тираж 678 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Чннистров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, Я-35, Раушская и":o., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

/(ГЦ1

500

Составитель А. Балашов

Техред Г. Васильева