Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц

Предлагаемое изобретение «Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц» относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц. Целью изобретения является повышение быстродействия и технологичности координатного детектора, что особенно важно для создания нового поколения «детекторов меченных нейтронов» для обнаружения взрывчатых веществ, сканеров рентгеновских лучей медицинского, таможенного и иного назначения, отличающихся от известных более высоким качеством изображений объектов. Поставленные цели достигаются за счет использования оригинальной схема - техники детектора, в которой используются только биполярные транзисторы, включенные по схеме с общим коллектором, также за счет функционально-интегрированной монолитной конструкции детектора, где полупроводниковая подложка, в которой генерируются носители заряда, является одновременно общей коллекторной областью биполярных структур транзисторов. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам (ПКД) ионизирующих частиц, применяемым в приборах ядерной физики, медицине, таможенном контроле и т.д.

Известны электрические схемы и конструкции гибридных детекторов, которые содержат детектирующую матрицу, состоящую из полосковых или р-/-«-структур и внешних усиливающих и кодирующих электронных устройств [1. D. Patti ot ab. «Semiconductor particle detector and method for IIS Manufacture)) Patent №US 6,465,857, Bl, Date of patent Oct. 15. 2002; 2. Jan S. Iwanczyk «Semiconductor radiation detector» Patent №6,455,858, Date of patent Sep.24. 2002; 3. Jan S. Iwanczyk «Semiconductor radiation detector with internal gain» Patent №US 6,541,836 B2, Date of patent: Apr. 1. 2003; 4. Y. Ikegami, et al., Nucl. Instr. and Meth. A (2007), in press.], либо монолитные детекторы, содержащие пиксельные матрицы на основе МОП структур и периферийные усиливающие и кодирующие электронные устройства на основе КМОП схем, размещенные в едином кристалле - чипе [5. Kemmer, J., Lutz, G. (1990) et al.: «Experimental confirmation of a new semiconductor detector principle)) Nucl. Instr. & Meth. A288 (1990) 92-98].

Недостатки

Первые имеют относительно высокую стоимость и сложный процесс сборки, поскольку требуется большое количество соединений между матрицей и внешней электроникой, например, для мега-пиксельной матрицы их число равно 2000.

Вторые не обеспечивают максимального быстродействия детекторов и получения наилучшего качества детектирования излучения, поскольку:

- МОП структуры пиксель матриц имеют высокое внутреннее сопротивление, что приводит к задержке сигналов на разрядных шинах матрицы;

- конструкции матриц и периферийных электронных схем монолитного детектора существенно отличаются, что усложняет технологию их совместного изготовления в едином чипе, а главное, это приводит к ухудшению параметров детектирующей матрицы, а следовательно, и всего детектора.

Наиболее близким по технической сущности является полупроводниковый координатный монолитный детектор на основе функционально-интегрированных биполярных транзисторных структур [6. Мурашев В.Н. и др. «Координатно-чувствительный детектор», патент на изобретение №2133524 от 20.07.1999 г.; 7. Мурашев В.Н. и др. «Координационный детектор релятивистских частиц», патент на изобретение», №2197036 приоритет от 19.02.2000 г.; 8. Мурашев В.Н., Леготин С.А., Диденко С.И. и др. «Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой», патент на изобретение №2427942 от 08.04.2010 г.; 9. В.Н.Мурашев, С.А. Леготин, А.С.Корольченко, М.Н. Орлова «Технология изготовления координатных детекторов» - Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, 2011., Выпуск №3, с.22-26], электрическая схема и конструкция которого выбирается в качестве прототипа [6. Мурашев В.Н. и др. «Координатно-чувствительный детектор», патент на изобретение №2133524 от 20.07.1999 г.; 9. В.Н. Мурашев, С.А. Леготин, А.С.Корольченко, М.Н. Орлова «Технология изготовления координатных детекторов» - Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, 2011, Выпуск №3, с.22-26].

Электрическая схема прототипа содержит координатную матрицу пиксель, состоящую из двухэмиттерных биполярных транзисторов с общим коллектором [9. В.Н. Мурашев, С.А. Леготин, А.С.Корольченко, М.Н. Орлова «Технология изготовления координатных детекторов» - Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, 2011., Выпуск №3, с.22-26], при этом первые эмиттеры транзисторов подключены к разрядным координатным шинам строк X_j, а вторые эмиттеры, соответственно, к разрядным координатным шинам столбцов а разрядные шины подсоединены к затворам МОП-транзисторов периферийных усилительных и кодирующих КМОП электронных схем, подсоединенных к соответствующим адресным шинам строк Z_j и столбцов W_j.

Конструкция детектора-прототипа [7. Мурашев В.Н. и др. «Координационный детектор релятивистских частиц» патент на изобретение», №2197036 приоритет от 19.02.2000 г.; 9. В.Н.Мурашев, С.А.Леготин, А.С.Корольченко, М.Н. Орлова «Технология изготовления координатных детекторов» - Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, 2011., Выпуск №3, с.22-26] состоит из полупроводниковой подложки 1-го типа проводимости, которая является общей коллекторной областью биполярных транзисторов, в которой расположены области базы пиксель матрицы детектора 2-го типа проводимости, в которых расположены области первого и второго эмиттера 1-го типа проводимости, на которых расположены соответствующие электроды, соответственно, подсоединенные к разрядным координатным шинам X_j и Y_j, которые, в свою очередь, подсоединены к затворам МОП-транзисторов периферийных усилительных и кодирующих электронных схем, соединенных компьютером.

Недостатки

Конструкция, например, кремниевого детектора сложна, поскольку содержит трудно реализуемые, даже на кремнии, периферийные КМОП схемы, причем при их изготовлении используются технологические операции (высокотемпературный термический отжиг и т.д.), приводящие к уменьшению времени жизни неосновных носителей заряда в подложке, а следовательно, и деградации параметров детектирующей матрицы.

При этом, следует отметить, что технически невозможна реализация детектора в одной подложке из, например, арсенида галлия, содержащего матрицу биполярных структур с общим коллектором и электрически изолированных от него полевых транзисторов периферийных схем.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение быстродействия, уменьшение размеров матрицы, повышение технологичности и упрощение конструкции интегральной схемы координатного детектора.

Известно, что самой быстродействующей схемой является схема усилителя сигнала (мощности), реализуемая на биполярном транзисторе с «общим коллектором» - эмиттерном повторителе (например, в схемах ЭСЛ или БИ-КМОП логики и. т.д.). Поэтому данная монолитная интегральная схема имеет максимально возможное быстродействие.

Технический результат - повышение быстродействия достигается, тем, что в электрической схеме матрицы детектора координатные шины X_j и Y_j матрицы пиксель подсоединены к базам биполярных транзисторов с общим коллектором, периферийных усилительных и кодирующих электронных схем.

Технический результат - уменьшение размеров и упрощение матрицы, которое целесообразно для ряда применений, например «линейки сканера», достигается тем, что в электрической схеме детектора (представляющего собой предельный случай матрицы - состоящей из одной строки) координатные шины Y_j матрицы пиксель подсоединены к базам биполярных транзисторов с общим коллектором, периферийных усилительных и кодирующих электронных схем, а единственная координатная шина X₁ - к информационной шине Q.

Следует отметить, что в тех случаях, когда не требуется информация об энергии кванта (она заранее известна) электрическая схема «линейки» детектора и конструкция может быть еще больше упрощена и уменьшена и представлять собой строку пиксель одноэмиттерных транзисторов, эмиттеры которых подключены к координатным шинам Y_j, которые соответственно подсоединены к базам биполярных транзисторов с общим коллектором, периферийных усилительных и кодирующих электронных схем.

Технический результат - повышение технологичности и упрощение конструкции монолитной интегральной схемы детектора, разрядные координатные шины X_j и Y_j подсоединены к базам соответствующих биполярных транзисторов периферийных усилительных и кодирующих электронных схем, при этом их коллектор также является общей коллекторной областью, образуемой подложкой 1-го типа проводимости.

Отличие заявляемой конструкции от известных интегральных схем заключается в том, что транзисторы матрицы и периферийные транзисторы образуют единую функционально-интегрированную структуру массива совершенно одинаковых биполярных транзисторов (включенных по схеме эмиттерного повторителя), выполняемых по одной простой технологии, при этом не требуется дополнительных сложных и «грязных» технологических операций для формирования, например, КМОП схем.

Достижение декларируемых целей особенно важно для создания нового поколения матричных «детекторов меченных нейтронов» для обнаружения взрывчатых веществ [10. Bystritsky V. М. et al., DViN - stationary setup for identification of explosives, JINR Commun. El8-2007-142. Dubna, 2007; Physics of Particles and Atomic Nuclei, Letters. 2008, Vol.5, No. 5, pp.743-751] и повышения качества изображения «линеек сканеров» рентгеновских лучей для приборов медицинского и таможенного применения.

Изобретение поясняется приведенными чертежами

На рис.1 приведена электрическая схема детектора. Она содержит пиксельную матрицу двухэмиттерных транзисторов - T₁ первые эмиттеры, которые подключены к разрядным координатным шинам строк X_j, а вторые эмиттеры, соответственно, к разрядным координатным шинам столбцов Y_j, разрядные координатным шины строк X_j и столбцов Y_j подсоединены к базам соответствующих биполярных периферийных транзисторов - T₂, коллектор, которых соединен с общей шиной питания (+V_dd), а эмиттеры к соответствующим адресным шинам строк Z_j и столбцов W_j.

На рис.2 приведена конструкция детектора.

Она содержит полупроводниковую подложку - 1 первого (n) типа проводимости, которая образует области коллекторов биполярных транзисторов матрицы - T₁ и периферийных устройств - Т₂, в которых расположены области из баз - 2 второго (р) типа проводимости, в которых соответственно расположены области эмиттеров - 3 первого (n) типа проводимости, на которых расположены соответствующие электроды - 4, соединенные с соответствующими разрядными шинами - 5, которые соединены с электродами баз периферийных транзисторов - 6, электрод - 7 эмиттеры которых соединены соответственно с адресными шинами - 8. Элементы конструкции детектора - эмиттеры, разрядные шины, изолированные диэлектриками - 9, 10, а на обратной стороне подложки расположен контактный n⁺-слой -11.

Монолитная интегральная схема быстродействующего координатного детектора ионизирующих частиц работает следующим образом.

При прохождении через подложку - 1 ионизирующей частицы (см. рис.3, а), например, релятивистского электрона или альфа-частицы, вдоль ее трека образуются электронно-дырочные пары, которые собираются полем в основном в области пространственного заряда (ОПЗ), образованной в области p-n перехода коллектор-база транзистора матрицы T₁, при подаче на коллектор относительно эмиттера положительного напряжения+Vdd, и частично в квазинейтральной области (КНО).

Образованные ионизирующей частицей электронно-дырочные пары разделяются полем и образуют первичный ионизационный ток коллекторного р-n перехода - (I_и), который усиливается биполярной структурой транзистора (пиксели) в десятки-сотни раз, образуя токи первого и второго эмиттеров.

Эти токи поступают по соответствующим j-пикселям разрядным шинам X_j и Y_j в базы соответствующих периферийных усиливающих биполярных транзисторов - T₂, которые, в свою очередь, быстро усиливают сигнал и шифруют его в двоичный адресный код строки и столбца пиксели, в которую попала ионизирующая частица.

Величину ионизационного тока, а следовательно, выделенную ионизирующей частицей энергию можно измерить внешним, по отношению к интегральной схеме детектора, усилителем в цепи коллектора детектора, рис.3, б.

На рис.4 приведена электрическая схема детектора. Он состоит из одной строки, координатные шины Y_j которой подсоединены к базам биполярных транзисторов с общим коллектором, периферийных усилительных и кодирующих электронных схем, а координатная шина X₁ - к информационной шине - Q.

Данная электрическая схема работает аналогичным образом, однако, в этом случае величина ионизационного тока измеряется в информационной шине - Q, что точнее из-за меньшего влияния токов утечек транзисторов матрицы и при этом не требуется внешний усилитель сигнала.

На рис.5 приведена электрическая схема детектора, содержащая строку пиксель одноэмиттерных транзисторов, эмиттеры которых подключены к координатным шины Y_j, которые соответственно подсоединены к базам биполярных транзисторов с общим коллектором, периферийных усилительных и кодирующих электронных схем.

Данная электрическая схема работает аналогичным образом.

Пример конкретной реализации.

Детектор может быть выполнен по простой стандартной технологии, используемой при изготовлении биполярных интегральных схем, которая заключается в выполнении ниже перечисленных технологических операций:

а) формировании n⁺ - контактной области к коллектору - 11, например, диффузией фосфора в обратную сторону пластины кремния - 1 с удельным сопротивлением ρ_v~5 кОм·см;

б) окисление поверхности кремния и формирование в оксиде - 10 окон для базовых областей - 2 с помощью процесса фотолитографии, формирование областей базы путем имплантации атомов бора с последующим отжигом и разгонкой базовой примеси в глубину подложки;

в) осаждение поликристаллического слоя кремния - 4 на поверхность пластины с последующей имплантацией в него, например, атомов мышьяка, термический обжиг и разгонка мышьяка из поликремния в подложку, т.е. формирование области эмиттера и проведение фотолитографии по поликремнию для формирования областей эмиттеров - 3 и электрода эмиттера - 4;

г) осаждение 2-го слоя диэлектрика - 9, формирование в нем контактных окон, осаждение алюминия - 10 и формирование фотолитографией омических контактов к матрице: эмиттерам пиксели - 4, коллектору - 11 и базе - 6.

1. Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц, электрическая схема которого содержит координатную матрицу пикселей, состоящую из двухэмиттерных биполярных транзисторов с общим коллектором, при этом первые эмиттеры транзисторов подключены к разрядным координатным шинам строк X_j, а вторые эмиттеры, соответственно, к разрядным координатным шинам столбцов Y_j, которые подсоединены к транзисторам периферийных усилительных и кодирующих электронных схем, подсоединенных к соответствующим адресным шинам строк Z_j и столбцов W_j, отличающиеся тем, что координатные шины X_j и Y_j матрицы пикселей подсоединены к базам биполярных транзисторов с общим коллектором, периферийных усилительных и кодирующих электронных схем.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что конструкция содержит в полупроводниковой подложке 1-го типа проводимости, которая является общей коллекторной областью биполярных транзисторов, в которой расположены области базы пикселей матрицы детектора 2-го типа проводимости, в которых расположены области первого и второго эмиттеров 1-го типа проводимости, на которых расположены соответствующие электроды, соответственно подсоединенные к разрядным координатным шинам X_j и Y_j, которые, в свою очередь, подсоединены к транзисторам периферийных усилительных и кодирующих электронных схем подсоединенных к соответствующим адресным шинам строк Z_j и столбцов W_j, при этом разрядные координатные шины X_j и Y_j подсоединены к базам соответствующих биполярных транзисторов периферийных усилительных и кодирующих электронных схем, при этом их коллектор также является общей коллекторной областью, образуемой подложкой 1-ого типа проводимости.

3. Детектор по п.1, отличающийся тем, что состоит из одной строки пиксель одноэмиттерных транзисторов, эмиттеры которых подключены к координатным шины Y_j, которые, соответственно, подсоединены к базам биполярных транзисторов с общим коллектором, периферийных усилительных и кодирующих электронных схем.