Полупроводниковый детектор ионизирующего излучения

 

Использование: микроэлектроника, полупроводниковые детекторы ионизирующего излучения. Сущность изобретения: полупроводниковый детектор содержит полупроводниковую подложку первого типа проводимости и сформированные в ней две области второго типа проводимости и область первого типа проводимости с высокой концентрацией примеси, а также область первого типа проводимости с высокой концентрацией примеси, сформированную в виде сплошного слоя на обратной стороне подложки. На поверхности областей второго типа проводимости, а также на области первого типа проводимости, расположенной на обратной стороне подложки, сформированы электроды. Детектор обладает повышенной чувствительностью к ионизирующему излучению. 2 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к полупроводниковым детекторам ионизирующего излучения, и может быть использовано при производстве средств измерения параметров ионизирующего излучения.

Известен полупроводниковый детектор ионизирующего излучения [1] включающий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, сформированную в ней область второго типа проводимости и окружающую ее область первого типа проводимости с высокой концентрацией примеси, располагающуюся вдоль краев полупроводниковой подложки и, кроме того, на противоположной, по отношению к области второго типа проводимости, стороне подложки, первый электрод, расположенный на области второго типа проводимости, и второй электрод, расположенный на области первого типа проводимости.

Известный прибор не обеспечивает приемлемой чувствительности при измерении параметров ионизирующего излучения в диапазоне энергии от 80 кэВ до 3 МэВ, который является типичным для стандартных измерительных приборов вследствие относительно высокого уровня токов утечки. Приборы подобной конструкции имеют токи утечки порядка 10^-7-10^-8 А/см², что связано с утечкой как в объеме полупроводника, так и по поверхности подложки, из-за образования инверсионного слоя. Уровень токов утечки таких приборов удовлетворяет производителей полупроводниковых микросхем, но недостаточен при производстве детекторов ионизирующего излучения, так как не позволяет обеспечить хорошей чувствительности, особенно на краях энергетического диапазона, что в свою очередь ведет к большой ошибке при измерении характеристик излучения.

Наиболее близким к изобретению является полупроводниковый детектор ионизирующего излучения [2] включающий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, сформированные в ней область второго типа проводимости и первую область первого типа проводимости с высокой концентрацией примеси, располагающуюся по ее периметру, вторую область первого типа проводимости с высокой концентрацией примеси, расположенную в виде сплошного слоя на противоположной, по отношению к перечисленным областям, стороне подложки, первый электрод, расположенный на области второго типа проводимости, и второй электрод, расположенный на второй области первого типа проводимости.

Данное устройство позволяет снизить уровень токов утечки примерно на пол-порядка по сравнению с [1] что связано со снижением утечек по поверхности подложки. Хотя это и позволяет несколько повысить чувствительность детектора, но все равно этого недостаточно для того, чтобы обеспечить погрешность измерения параметров излучения на приемлемом уровне, т.е. хотя бы не выше ±30% Цель изобретения повышение чувствительности полупроводникового детектора ионизирующего излучения за счет снижения токов утечки, причем как поверхностной, так и объемной составляющих.

Цель достигается тем, что полупроводниковый детектор ионизирующего излучения, включающий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, сформированные в ней первую область второго типа проводимости, первую область первого типа проводимости с высокой концентрацией примеси, расположенную по периметру первой области второго типа проводимости, вторую область первого типа проводимости с высокой концентрацией примеси, сформированную в виде сплошного слоя на противоположной, по отношению к перечисленным областям, стороне подложки, первый электрод, сформированный на первой области второго типа проводимости, и второй электрод, сформированный на второй области первого типа проводимости с высокой концентрацией примеси, дополнительно содержит вторую область второго типа проводимости, сформированную в подложке по периметру первой области второго типа проводимости, между ней и первой областью первого типа проводимости, и третий электрод, расположенный на всей поверхности второй области второго типа проводимости, причем его размер превышает внешний размер второй области второго типа проводимости по крайней мере на две длины области пространственного заряда (ОПЗ), а внешний размер первого электрода превышает по периметру размер первой области второго типа проводимости на величину, равную или большую половины расстояния между первой и второй областями второго типа проводимости.

Заявляемый прибор, снабженный дополнительной областью второго типа проводимости, дополнительным электродом и с размерами электродов, выбранными в соответствии с изобретением, позволяет уменьшить ток утечки до 5˙10^-10 А/см² при напряжении 50 В, что обеспечивает измерение параметров радиоактивного излучения даже на краях энергетического диапазона с точностью не хуже ±25% На фиг. 1 дана схема предлагаемого детектора, поперечный разрез; на фиг. 2 то же, вариант.

Полупроводниковый детектор ионизирующего излучения содержит полупроводниковую подложку 1 из кремния n-типа с удельным сопротивлением 3 кОм˙см, сформированные в ней первую область р⁺-типа 2, выполненную в виде квадрата с размером 10х10 мм, первую область n⁺-типа 3, расположенную по периметру первой области р⁺-типа, вторую область n⁺-типа 4, расположенную на противоположной, по отношению к первой области р⁺-типа, стороне подложки 1, вторую область р⁺-типа 5, расположенную между первой областью р⁺-типа и первой областью n⁺-типа на расстоянии 500 мкм от первой области n⁺-типа и имеющую внешний размер 12,1х12,1 мм, первый алюминиевый электрод 6, расположенный на первой области р⁺-типа и имеющий размер 10,5х10,5 мм, т.е. превышает размер первой области второго типа проводимости на величину расстояния между областями, второй алюминиевый электрод 7, расположенный на второй области n⁺-типа, и третий алюминиевый электрод 8, расположенный на второй области р⁺-типа и имеющий внешний размер 12,8х12,8 мм, что превышает внешний размер второй области р⁺-типа проводимости более, чем на две величины ОПЗ. Расчет длины ОПЗ проводился по формуле: D= 0,3 где U рабочее напряжение детектора, В; ρ- удельное сопротивление подложки, Ом˙см; D длина ОПЗ, мкм. Для изготовления рассматриваемого варианта реализации дозиметра использовались традиционные методы технологии микроэлектронных приборов: контактная литография, термическое окисление, ионное легирование, магнетронное распыление и химическое травление.

Заявляемый прибор работает следующим образом.

Между электродами 6 и 7 и 8 и 7 прикладывается напряжение 50 В с целью формирования двух обратно смещенных р-n-переходов и соответственно двух ОПЗ 9 и 10. Падающее излучение, взаимодействуя с материалом полупроводника или вследствие Комптоновского рассеяния, приводит к возникновению вторичных электронов, которые, двигаясь в ОПЗ, создают электронно-дырочные пары, что в свою очередь приводит к импульсу электрического тока, который можно регистрировать подключением к электроду 6 измерительного прибора. Наличие второй области второго типа проводимости позволяет исключить из измерения электронно-дырочные пары, возникающие в объеме полупроводника вне области ОПЗ первого p-n-перехода вследствие генерационных процессов, а наличие электродов предложенной конфигурации и размеров позволяет предотвратить утечку, связанную с поглощением света. Поэтому заявляемый детектор обладает повышенной чувствительностью к ионизирующему излучению и может быть использован, в частности, при изготовлении дозиметров ионизирующего излучения высокой точности как профессиональных, так и широкого потребления.

Формула изобретения

Полупроводниковый детектор ионизирующего излучения, включающий полупроводниковую подложку первого типа проводимости, сформированные в ней первую область второго типа проводимости, первую область первого типа проводимости с высокой концентрацией примеси, расположенную по периметру первой области второго типа проводимости, вторую область первого типа проводимости с высокой концентрацией примеси, сформированную в виде сплошного слоя на противоположной по отношению к перечисленным областям стороне подложки, первый электрод, сформированный на первой области второго типа проводимости, и второй электрод сформированный на второй области первого типа проводимости с высокой концентрацией примеси, отличающийся тем, что он содержит вторую область второго типа проводимости, сформированную в подложке по периметру первой области второго типа проводимости между ней и первой областью первого типа проводимости с высокой концентрацией примеси, и третий электрод, расположенный на всей поверхности второй области второго типа проводимости, причем его размер превышает внешний размер второй области второго типа проводимости по крайней мере на две длины области пространственного заряда, а размер первого электрода превышает по периметру внешний размер первой области второго типа проводимости на величину, равную или большую половины расстояния между первой и второй областями второго типа проводимости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2