RU140489U1

RU140489U1 - SENSITIVE ELEMENT OF IONIZING RADIATION

Info

Publication number: RU140489U1
Application number: RU2013139038/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Елин; Михаил Моисеевич Меркин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Интерсофт Евразия"
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2014-05-10

Abstract

1. Чувствительный элемент ионизирующего излучения, представляющий собой p-i-n структуру, содержащую высокоомную подложку кремния n-типа проводимости из высокочистого БЗП кремния с удельным сопротивлением 3÷12 кОм·см, толщиной 250-1000 мкм, на лицевой (рабочей) стороне которой расположены р-области, а также маскирующее покрытие SiO; алюминиевая металлизация; пассивирующий слой; при этом, по крайней мере, одна р-область расположена в центральной части подложки и занимает большую часть площади поверхности, образуя чувствительную область сенсора, и, по крайней мере, две р-области, выполненные в виде кольцеобразных элементов, концентрично расположены в нечувствительной области по периферии подложки с возможностью снижения величины поверхностного тока и обеспечения плавного падения потенциала от чувствительной области к периферии подложки; в слое SiOсформированы окна для обеспечения контакта металла с р-областью; в пассивирующем слое сформированы окна для присоединения выводов.2. Чувствительный элемент по п.1, характеризующийся тем, что конструктивные элементы выполнены по планарной технологии с использованием контактной фотолитографии.3. Чувствительный элемент по п.1, характеризующийся тем, что суммарная площадь окон для обеспечения контакта металла с р-областью не превышает 1% площади поверхности чувствительной области для предотвращения диффузии алюминия в кремний.4. Чувствительный элемент по п.1, характеризующийся тем, что количество окон для присоединения выводов выполнено равным 4, при этом окна расположены по краям подложки - по одному с каждой стороны.5. Чувствительный элемент по п.1, характеризующийся тем, что о1. A sensitive element of ionizing radiation, which is a pin structure containing a high-resistance n-type silicon substrate of conductivity from high-purity silicon silicon oxide with a specific resistance of 3 ÷ 12 kΩ · cm, a thickness of 250-1000 μm, on the front (working) side of which there are p- areas, as well as a masking coating of SiO; aluminum metallization; passivating layer; wherein at least one p-region is located in the central part of the substrate and occupies most of the surface area, forming a sensitive region of the sensor, and at least two p-regions made in the form of ring-shaped elements are concentrically located in the insensitive region along the periphery of the substrate with the possibility of reducing the surface current and ensure a smooth drop in potential from the sensitive region to the periphery of the substrate; windows are formed in the SiO layer to ensure metal contact with the p-region; windows for attaching pins are formed in the passivating layer. 2. The sensitive element according to claim 1, characterized in that the structural elements are made according to planar technology using contact photolithography. The sensor according to claim 1, characterized in that the total area of the windows to ensure metal contact with the p-region does not exceed 1% of the surface area of the sensitive region to prevent diffusion of aluminum into silicon. The sensing element according to claim 1, characterized in that the number of windows for attaching the leads is 4, while the windows are located on the edges of the substrate, one on each side. The sensing element according to claim 1, characterized in that about

Description

Область техники, к которой относится полезная модельThe technical field to which the utility model relates.

Полезная модель 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, полезная модель относится к полупроводниковым чувствительным элементам, представляющим собой p-i-n-диод, предназначенный для использования в различных системах измерения уровней радиации, дозиметрах, индикаторах превышения фона и радиометрах, в т.ч. для индивидуального контроля радиоактивного облучения и для предупреждения о радиоактивной опасности. В настоящее время сенсоры на основе p-i-n-диодов продолжают совершенствоваться с учетом современных достижений технологии микроэлектроники.The utility model relates to semiconductor devices for converting ionizing radiation into an electrical signal, the measurement of which allows you to determine the level of radiation and the dose of gamma, proton, electron and alpha radiation. In particular, the utility model relates to semiconductor sensitive elements, which are a p-i-n-diode, intended for use in various systems for measuring radiation levels, dosimeters, background excess indicators and radiometers, including for individual control of radiation exposure and for warning of radioactive hazard. Currently, sensors based on p-i-n-diodes continue to be improved taking into account modern advances in microelectronics technology.

Уровень техникиState of the art

Полупроводниковые сенсоры (чувствительные элементы) 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 ионизующей частицы заряд, индуцированный в веществе счетчика, собирается на электродах.Semiconductor sensors (sensitive elements) based on p-i-n-diodes are widely used as counters of the number of particles and as devices for measuring particle energy (spectrometers) with high resolution. The principle of their operation is based on the fact that when an ionizing particle passes through a sensor, the charge induced in the counter material is collected on the electrodes.

Важной особенностью полупроводниковых счетчиков являются их малые габариты. Это сильно расширило возможности применения таких детекторов не только в области физического эксперимента, но и в технике - в приборах технологического контроля и в медицине.An important feature of semiconductor counters is their small size. This greatly expanded the possibilities of using such detectors not only in the field of physical experiment, but also in technology - in technological control devices and in medicine.

Из уровня техники известен полупроводниковый p-i-n-диодный кремниевый малошумящий детектор, изготовленный по планарной технологии (Kemmer J. Fabrication of low noise silicon radiation detectors by the planar process // Niclear Instruments and Methods. - 1980. - V. 169. - P. 499-502.) и дальнейшее его усовершенствование (Патент на изобретение US 4442592). В этих материалах 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.The prior art semiconductor pin-diode silicon low-noise detector made by planar technology (Kemmer J. Fabrication of low noise silicon radiation detectors by the planar process // Niclear Instruments and Methods. - 1980. - V. 169. - P. 499 -502.) And its further improvement (Patent for invention US 4442592). These materials present methods for producing detectors using planar technology for detecting radiation and having semiconductor pn junctions. However, the described designs of planar semiconductor diodes have a different design.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является полупроводниковый детектор для регистрации рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения (патент на изобретение РФ №2248012, МПК: G01T 1/24, H01L 31/115), выполненный из монокристаллического кремния и содержащий плоский сигнальный p+-n переход, вокруг которого расположены охранные кольцевые p+-n переходы с электродами, предварительный усилитель, причем электрод плоского сигнального p+-n перехода соединен с входом предварительного усилителя, а электрод внутреннего охранного кольцевого p+-n перехода соединен с шиной нулевого потенциала предварительного усилителя.Closest to the claimed technical solution is a semiconductor detector for recording x-ray and low-energy gamma radiation (patent for the invention of the Russian Federation No. 2248012, IPC: G01T 1/24, H01L 31/115), made of single-crystal silicon and containing a flat signal p + -n junction around which there are guard ring p + -n junctions with electrodes, a preamplifier, the electrode of a flat signal p + -n junction connected to the input of the preamplifier, and an electrode of the inner guard ring of the p + -n junction is connected to the bus of the zero potential of the pre-amplifier.

Изобретение по патенту РФ №2248012 решает задачу повышения эффективности работы устройства, путем отвода паразитного тока охранного кольца для улучшения энергетического разрешения и контрастности спектра измеряемой энергии. Однако прибор предназначен только для регистрации рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения. Для повышения чувствительности и высокой скорости регистрации всего спектра ионизирующих излучений (за исключением нейтронного), необходимо увеличивать объем полупроводника, чтобы повысить вероятность попадания и рассеяния в нем, например, гамма-кванта и, соответственно повысить скорость счета частиц радиационного потока.The invention according to the patent of the Russian Federation No. 2248012 solves the problem of increasing the efficiency of the device by removing the stray current of the guard ring to improve the energy resolution and contrast of the spectrum of the measured energy. However, the device is intended only for registration of x-ray and low-energy gamma radiation. To increase the sensitivity and high speed of recording the entire spectrum of ionizing radiation (with the exception of neutron radiation), it is necessary to increase the volume of the semiconductor in order to increase the probability of hit and scattering in it, for example, of a gamma quantum and, accordingly, increase the count rate of particles of the radiation flux.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Задачей полезной модели является разработка чувствительного элемента для регистрации ионизирующего излучения всех видов заряженных частиц и гамма квантов в широком диапазоне энергий и потоков.The objective of the utility model is to develop a sensitive element for detecting ionizing radiation of all types of charged particles and gamma rays in a wide range of energies and flows.

Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является уменьшение времени измерения радиационного фона, значительное снижение размеров и массы сенсора, расширение диапазона регистрируемых энергий и возможность регистрации различных видов ионизирующего излучения. Кремниевые детекторы могут работать без охлаждения, при этом энергетический эквивалент шума составляет несколько кэВ.The technical result, which is achieved by the claimed utility model, is to reduce the measurement time of the radiation background, a significant reduction in the size and mass of the sensor, expanding the range of recorded energies and the possibility of recording various types of ionizing radiation. Silicon detectors can operate without cooling, while the energy equivalent of noise is several keV.

Технический результат достигается за счет работы сенсора при напряжениях выше напряжения полного обеднения, что позволяет использовать всю толщину кремниевой пластины в качестве «регистрирующего объема». В связи с этим, повышается эффективность регистрации, значительно сокращается длительность импульса тока, а также появляется возможность регистрации широкого спектра излучений, как заряженных, так и гамма-квантов.The technical result is achieved due to the operation of the sensor at voltages above the voltage of full depletion, which allows you to use the entire thickness of the silicon wafer as a "recording volume". In this regard, the registration efficiency is increased, the duration of the current pulse is significantly reduced, and it is also possible to register a wide range of radiation, both charged and gamma rays.

Поставленная задача решается тем, что сенсор ионизирующего излучения, представляет собой p-i-n структуру, выполненную по планарной технологии, содержащую высокоомную подложку кремния n-типа проводимости, на лицевой (рабочей) стороне которой сформированы:The problem is solved in that the ionizing radiation sensor is a p-i-n structure, made according to planar technology, containing a high-resistance n-type silicon substrate of conductivity, on the front (working) side of which are formed:

- p-области методом ионной имплантации;- p-region by ion implantation;

- выращен маскирующий слой SiO₂,;- grown masking layer of SiO ₂ ,;

- нанесена алюминиевая металлизация;- applied aluminum metallization;

- нанесен пассивирующий (защитный) слой.- applied passivating (protective) layer.

При этом, по крайней мере, одна p-область расположена в центральной части подложки и занимает большую часть площади поверхности, образуя чувствительную область сенсора, по крайней мере, две p-области, выполнены в виде кольцеобразных элементов (охранных колец), концентрично расположены в нечувствительной области по периферии подложки с целью 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 сформированы окна для присоединения выводов. На подложке со стороны, противоположной лицевой поверхности, расположен слой n-области и металла.At the same time, at least one p-region is located in the central part of the substrate and occupies most of the surface area, forming a sensitive region of the sensor, at least two p-regions are made in the form of ring-shaped elements (guard rings), concentrically located in insensitive region along the periphery of the substrate in order to reduce the surface current and a smooth drop in potential from the sensitive region to the periphery of the device. Windows are formed in the SiO ₂ layer to ensure contact of the metal (aluminum metallization) with the p-region; windows for attaching leads are formed in the passivating layer. On the substrate from the side opposite the front surface, there is a layer of n-region and metal.

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.The total area of the windows to ensure the contact of the metal (aluminum metallization) with the p-region does not exceed 1% of the surface area of the sensitive region of the sensor to prevent diffusion of aluminum into silicon.

Количество окон для присоединения выводов выполнено равным 4, при этом окна расположены по краям подложки - по одному с каждой стороны. Окна для присоединения выводов расположены в нечувствительной области подложки. P-область, расположенная в центральной части подложки, имеет профилированные участки по краям в виде выемок, обеспечивающих формирование неактивных зон для размещения окон для присоединения выводов. В качестве подложки кремния используется пластину из высокочистого кремния бестигельной зонной плавки (БЗП) с удельным сопротивлением 3÷12 кОм·см, толщиной 250÷1000 мкм. Количество кольцеобразных элементов (охранных колец) выбрано равным 4, расположенных на расстоянии друг от друга, увеличивающемся от центра подложки к периферии. В одном из вариантов выполнения сенсора ширина кольцеобразных элементов выбрана равной 25 мкм, при этом расстояние между первым и вторым элементом выбрано равным 40 мкм, между вторым и третьим - 50 мкм, между третьим и четвертым - 70 мкм, при этом первый элемент отстоит от границы чувствительной p-области на расстоянии 40 мкм. При этом данные параметры могут варьироваться в диапазоне 20%. Точность указанных размеров при производстве сенсора определяется точностью изготовления фотошаблонов и составляет ±0,1 мкм. Подложка может быть выбрана с габаритными размерами рабочей поверхности до 102×102 мм², при этом габаритные размеры поверхности активной области составляют 100×100 мм², толщина сенсора составляет 250÷1000 мкм (определяется толщиной пластины), область, занимаемая кольцеобразными элементами, составляет не более - 1 мм по периметру подложки. 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 (V_ПО):V_раб=V_ПО+20 В; напряжение пробоя, не менее - 2·V_ПО; темповой ток при рабочем напряжении, не более - 200 нА/см²; при этом измерения перечисленных параметров осуществляют при температуре 20±2°C.The number of windows for attaching the leads is 4, while the windows are located on the edges of the substrate, one on each side. Windows for attaching leads are located in the insensitive region of the substrate. The P-region located in the central part of the substrate has profiled sections along the edges in the form of recesses, which provide the formation of inactive zones for the placement of windows for connecting leads. As a silicon substrate, a plate of high-purity silicon, crucible-free zone melting (BZP) with a specific resistance of 3 ÷ 12 kΩ · cm, thickness 250 ÷ 1000 μm, is used. The number of ring-shaped elements (guard rings) is chosen equal to 4, located at a distance from each other, increasing from the center of the substrate to the periphery. In one embodiment of the sensor, the width of the ring-shaped elements is chosen equal to 25 μm, while the distance between the first and second elements is selected equal to 40 μm, between the second and third - 50 μm, between the third and fourth - 70 μm, while the first element is spaced from the boundary sensitive p-region at a distance of 40 microns. Moreover, these parameters can vary in the range of 20%. The accuracy of these dimensions in the production of the sensor is determined by the accuracy of the manufacture of photomasks and is ± 0.1 microns. The substrate can be selected with overall dimensions of the working surface of up to 102 × 102 mm ² , while the overall dimensions of the surface of the active region are 100 × 100 mm ² , the thickness of the sensor is 250 ÷ 1000 μm (determined by the thickness of the plate), the area occupied by the ring-shaped elements is no more than 1 mm around the perimeter of the substrate. This design of the sensor ensures the following electrical characteristics: the value of the reverse bias from 40 ÷ 200 V to achieve a full depletion mode, depending on the resistivity and thickness of the sensor; operating mode characterized by reverse bias at full depletion; operating voltage, determined from the value of the voltage of full depletion (V _PO ): V _slave = V _PO +20 V; breakdown voltage, not less than - 2 · V _software ; rate current at operating voltage, not more than - 200 nA / cm ² ; while the measurements of the above parameters are carried out at a temperature of 20 ± 2 ° C.

Способ изготовления сенсора ионизирующего излучения по планарной технологии включает изготовление комплекта из 4 рабочих фотошаблонов контактной фотолитографии, первым из которых является фотошаблон для формирования p+-области, второй - для формирования контактов к p+-области диода и охранным кольцам по периферии на лицевой стороне пластины, третий - для Al металлизации, четвертый - для формирования контактов к металлизации.A method of manufacturing an ionizing radiation sensor according to planar technology involves manufacturing a set of 4 working photomasks of contact photolithography, the first of which is a photomask for forming the p + region, the second for forming contacts to the p + region of the diode and the guard rings along the periphery on the front side of the plate, the third - for Al metallization, the fourth - for the formation of contacts to metallization.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлено заявляемое устройство - вид сверху, 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 - схема снятия величины электрического заряда с сенсора для передачи на регистрирующее устройство.The utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 schematically shows the claimed device is a top view, in FIG. 2 and 3 - sections aa and bb of FIG. 1, respectively, in FIG. 4 shows an enlarged portion B of FIG. 1, in FIG. 5 is a section GG of FIG. 4. in FIG. 6 is a diagram for measuring the amount of electric charge from a sensor for transmission to a recording device.

Позициями на фигурах обозначены: 1 - высокоомная подложка кремния n-типа проводимости; 2 - p-область, расположенная в центральной части подложки, образующая чувствительную область сенсора; 3 - p-области, представляющие собой охранные кольца; 4 - слой (покрытие) из SiO₂; 5 - алюминиевая металлизация, образующая один из электродов сенсора; 6 - пассивирующий (защитный) слой; 7 - окна для обеспечения контакта металла (алюминиевой металлизации) с p-областью, сформированы в слое SiO₂; 8 - окно для контактирования с p-n областью в процессе тестирования, расположенное в пассивирующем слое над p-областью центральной части подложки; 9 - окна для присоединения выводов; 10 - n-область, расположенная на обратной стороне подложки; 11 - алюминиевая металлизация с обратной стороны подложки, образующая второй электрод сенсора, 12 - профилированные участки по краям подложки в виде выемок, обеспечивающих формирование неактивных зон для размещения окон 9 для присоединения выводов.The positions in the figures indicate: 1 - high-resistance silicon substrate of n-type conductivity; 2 - p-region located in the Central part of the substrate, forming a sensitive region of the sensor; 3 - p-areas representing guard rings; 4 - layer (coating) of SiO ₂ ; 5 - aluminum metallization forming one of the sensor electrodes; 6 - passivating (protective) layer; 7 - windows to ensure contact of the metal (aluminum metallization) with the p-region, formed in a layer of SiO ₂ ; 8 - a window for contacting with the pn region during the test, located in the passivation layer above the p-region of the Central part of the substrate; 9 - windows for attaching leads; 10 - n-region located on the back side of the substrate; 11 - aluminum metallization on the reverse side of the substrate, forming the second sensor electrode, 12 - profiled sections along the edges of the substrate in the form of grooves, providing the formation of inactive zones for the placement of windows 9 for connecting conclusions.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Заявляемый чувствительный элемент (сенсор) ионизирующего излучения, представляет собой p-i-n структуру, выполненную по планарной технологии. Сенсор содержит высокоомную подложку кремния n-типа 1 (см. фиг. 1-5) проводимости, на лицевой (рабочей) стороне которой расположены p-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, является не более 0,5÷1,1 мкм.The inventive sensitive element (sensor) of ionizing radiation is a pin structure made according to planar technology. The sensor contains a high-resistance substrate of n-type 1 silicon (see Fig. 1-5) of conductivity, on the front (working) side of which there are p-regions 2, 3, layer 4 (coating) of SiO ₂ . aluminum metallization 5, passivating (protective) layer 6 of phosphor-silicate glass (SiO ₂ + P ₂ O ₅ ). The thickness of the layers is determined by the technology of their manufacture and. as a rule, is not more than 0.5 ÷ 1.1 microns.

P-область 2, расположенная в центральной части подложки, и занимающая большую часть площади поверхности, образует чувствительную область сенсора. По крайней мере, две p-области 3, выполненные в виде кольцеобразных элементов (охранных колец), расположены в нечувствительной области по периферии подложки вокруг центральной p-области 2 с обеспечением 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 p-областью; в пассивирующем слое над p-областью, расположенной в центральной части подложки, сформировано окно 8 для контактирования с p-n областью в процессе тестирования, и окна 9 для присоединения выводов. На подложке со стороны, противоположной лицевой поверхности, расположен сильно легированный до 10¹⁹ атомов донорной примеси на см³ слой n⁺ - 10 толщиной 2÷4 мкм и слой алюминиевой металлизации 11 толщиной 0,9÷1,1 мкм.P-region 2, located in the central part of the substrate, and occupying most of the surface area, forms a sensitive region of the sensor. At least two p-regions 3, made in the form of ring-shaped elements (guard rings), are located in the insensitive region along the periphery of the substrate around the central p-region 2 to ensure a decrease in surface current and a smooth drop in potential from the sensitive region to the periphery of the device. Windows 7 are formed in the SiO ₂ layer 4 to provide contact of the metal (aluminum metallization) with the p-region; in the passivation layer above the p-region located in the central part of the substrate, a window 8 is formed for contacting with the pn region during testing, and a window 9 for attaching the leads. On the substrate, from the side opposite the front surface, there is a heavily doped up to 10 ¹⁹ donor impurity atoms per cm ³ layer n ⁺ - 10 with a thickness of 2 ÷ 4 μm and a layer of aluminum metallization 11 with a thickness of 0.9 ÷ 1.1 μm.

Суммарная площадь окон 7 для обеспечения контакта металла (алюминиевой металлизации) с p-областью не превышает 1% площади поверхности чувствительной области детектора для предотвращения диффузии алюминия в кремний.The total area of the windows 7 to ensure contact of the metal (aluminum metallization) with the p-region does not exceed 1% of the surface area of the sensitive region of the detector to prevent diffusion of aluminum into silicon.

Количество окон 9 для присоединения выводов выполнено равным 4, при этом окна расположены по краям подложки - по одному с каждой стороны. Окна для присоединения выводов расположены в нечувствительной области подложки. P-область 2, расположенная в центральной части подложки, имеет профилированные участки по краям в виде выемок 12 (см. фиг.1). обеспечивающих формирование неактивных зон для размещения окон 9 для присоединения выводов. 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) 2 выбрано равным 4, расположенных на расстоянии друг от друга, увеличивающемся от центра подложки к периферии. Число и конфигурация охранных колец определяется с учетом особенностей технологического процесса. Система охранных колец должна обеспечивать плавное падение потенциала от активной области к краю сенсора.The number of windows 9 for connecting the terminals is 4, while the windows are located on the edges of the substrate, one on each side. Windows for attaching leads are located in the insensitive region of the substrate. The P-region 2 located in the central part of the substrate has profiled sections at the edges in the form of recesses 12 (see Fig. 1). providing the formation of inactive zones for placing windows 9 for connecting conclusions. As a silicon substrate, a plate of high-purity silicon, crucible-free zone melting (BZP) with a specific resistance of 3 ÷ 12 kΩ · cm, thickness 250 ÷ 1000 μm, is used. The number of ring-shaped elements (guard rings) 2 is chosen equal to 4, located at a distance from each other, increasing from the center of the substrate to the periphery. The number and configuration of guard rings is determined taking into account the features of the process. The guard ring system should ensure a smooth drop in potential from the active region to the edge of the sensor.

В одном из вариантов выполнения сенсора ширина кольцеобразных элементов 3 выбрана равной 25 мкм, при этом расстояние между первым и вторым элементом выбрано равным 40 мкм, между вторым и третьим - 50 мкм, между третьим и четвертым - 70 мкм, при этом первый элемент отстоит от границы чувствительной p-области на расстоянии 40 мкм. При этом данные параметры могут варьироваться в диапазоне 20%. Точность указанных размеров определяется точностью изготовления фотошаблонов и составляет ±0.1 мкм. Подложка может быть выбрана с габаритными размерами рабочей поверхности до 102×102 мм², при этом габаритные размеры поверхности активной области составляют до 100×100 мм², толщина сенсора составляет 250÷1000 мкм (определяется толщиной пластины), область, занимаемая кольцеобразными элементами, составляет не более - 1 мм по периметру подложки. 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 (V_ПО)-V_раб=V_ПО+20 В; напряжение пробоя, не менее - 2·V_ПО; темновой ток при рабочем напряжении, не более - 200 нА/см²; при этом измерения перечисленных параметров осуществляют при температуре 20±2°C.In one embodiment of the sensor, the width of the ring-shaped elements 3 is chosen equal to 25 μm, while the distance between the first and second elements is chosen equal to 40 μm, between the second and third - 50 μm, between the third and fourth - 70 μm, while the first element is separated from boundaries of the sensitive p-region at a distance of 40 μm. Moreover, these parameters can vary in the range of 20%. The accuracy of these sizes is determined by the accuracy of the manufacture of photomasks and is ± 0.1 microns. The substrate can be selected with overall dimensions of the working surface up to 102 × 102 mm ² , while the overall dimensions of the surface of the active region are up to 100 × 100 mm ² , the thickness of the sensor is 250 ÷ 1000 μm (determined by the thickness of the plate), the area occupied by the ring-shaped elements, is not more than - 1 mm around the perimeter of the substrate. This design of the sensor ensures the following electrical characteristics: the value of the reverse bias from 40 ÷ 200 V to achieve a full depletion mode, depending on the resistivity and thickness of the sensor; operating mode characterized by reverse bias at full depletion; operating voltage, determined from the value of the voltage of full depletion (V _ON ) -V _slave = V _ON +20 V; breakdown voltage, not less than - 2 · V _software ; dark current at operating voltage, no more than 200 nA / cm ² ; while the measurements of the above parameters are carried out at a temperature of 20 ± 2 ° C.

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 полезная модель может быть реализована по технологии, представленной в публикациях Кеммера (Kemmer J. Fabrication of low noise silicon radiation detectors by the planar process // Niclear Instruments and Methods. - 1980. - V. 169. - Р. 499-502.).The inventive sensors are manufactured according to planar technology, which is a set of technological operations by which the structure of planar semiconductor sensors is formed only on one side of a plate cut from a silicon single crystal with a diameter of up to 150 mm. In particular, the utility model can be implemented according to the technology presented in Kemmer's publications (Kemmer J. Fabrication of low noise silicon radiation detectors by the planar process // Niclear 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.Planar technology is based on the creation of regions with different types of conductivity or with different impurity concentrations of the same type in the surface layer of the substrate, which together form the sensor structure. The regions of the structures are created by local introduction of impurities into the substrate (by diffusion from the gas phase or ion implantation) through a mask (usually from a SiO ₂ film) formed by photolithography. By sequentially carrying out oxidation processes (creating a SiO ₂ film), photolithography, and introducing impurities, a doped region of any desired configuration is obtained, as well as regions with a different type of conductivity (or other impurity concentration). Planar technology makes it possible to simultaneously produce in a single technological process a large number (up to several hundreds and even thousands) of identical discrete semiconductor devices (for example, sensors) or integrated circuits on one plate. Batch processing provides good reproducibility of instrument parameters and high productivity at a relatively low cost of products.

Сенсор ионизирующего излучения работает следующим образом. 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 0.01÷0.03, 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 и дырки) 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 (см. например, фиг. 6).The ionizing radiation sensor operates as follows. When quanta of x-ray and low-energy gamma radiation get into the sensor material interact with it, which leads to the birth, depending on the energy of the incident quantum: photoelectron, Compton electron or electron-positron pair. The probability of this process is 0.01–0.03, but taking into account the fact that the probability of registration of a charged particle (electron, positron, proton, alpha particle, etc.) is 1, this is quite enough for reliable detection of ionizing gamma radiation even with background damage with accuracy not worse than 20% in 1 ÷ 2 minutes of measurement. Charged particles penetrate the sensitive area of the sensor and generate electron-hole pairs in it. The charge carriers (electrons and holes) under the action of an electric field applied to the semiconductor sensor “absorb”, move to the electrodes. As a result, an electric pulse arises in the external circuit of the semiconductor detector, which is recorded by the charge-sensitive pre-amplifier and converted into a voltage drop at its output, and then transmitted to the signal processing unit (see, for example, Fig. 6).

Для проверки работоспособности сенсора был создан опытный образец, в котором полупроводниковый сенсор (детектор) представляет собой высоковольтный p-i-n 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. Конструктивное решение изготовленного сенсора соответствует варианту, представленному на фиг. 1-5. Плоский сигнальный p+-n переход представляет собой ионно-имплантированную p+ область с повышенной концентрацией атомов бора. Вокруг плоского сигнального p+-n перехода, занимающую большую часть подложки (размер активной области составил - 10×10 мм²), расположены охранные кольцевые p+-n переходы, выполненные аналогичным способом, что и плоский сигнальный p+-n 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 10¹⁹ атомов донорной примеси на см³ слой n⁺ - 10 толщиной 2÷4 мкм и слой алюминиевой металлизации 11 толщиной 0,9÷1,1 мкм.To test the operability of the sensor, a prototype was created in which the semiconductor sensor (detector) is a high-voltage pin diode in the form of a one-sided structure made according to planar technology on a substrate of high-purity silicon silicon oxide with a specific resistance of 3 ÷ 4 kΩ · cm, with overall dimensions of 12 × 12 mm and a thickness of 450 microns. The design of the manufactured sensor corresponds to the embodiment shown in FIG. 1-5. The planar signal p + -n junction is an ion-implanted p + region with an increased concentration of boron atoms. Around the planar signal p + -n junction, which occupies most of the substrate (the size of the active region was 10 × 10 mm ² ), guard ring p + -n junctions are located, made in the same way as the plane signal p + -n junction located in the central part the substrate. The area occupied by the guard rings was not more than 1 mm around the perimeter. Metal electrodes are made of aluminum. On the substrate, from the side opposite the front surface, there is a heavily doped up to 10 ¹⁹ donor impurity atoms per cm ³ layer n ⁺ - 10 with a thickness of 2 ÷ 4 μm and a layer of aluminum metallization 11 with a thickness of 0.9 ÷ 1.1 μm.

При изготовлении сенсора по планарной технологии использован комплект из 4 рабочих фотошаблонов (ф/ш) контактной фотолитографии, первым из которых является фотошаблон для формирования p+-области, второй - для формирования контактов к p+-области диода и охранным кольцам по периферии на лицевой стороне пластины, третий - для Al металлизации, четвертый - для формирования контактов к металлизации. Шаблоны перечислены в порядке их использования в технологическом процессе. При этом в первом ф/ш минимальная ширина периферических колец составила 25 мкм; во втором ф/ш для формирования контактов к p+ 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 третьем ф/ш для Al металлизации минимальная ширина колец на периферии диода составила 20 мкм; размеры четвертого ф/ш для формирования контактов к центральной области металлизации - не критичны.In the manufacture of the sensor according to planar technology, a set of 4 working photomasks (f / w) of contact photolithography was used, the first of which is a photomask for forming the p + region, the second for forming contacts to the p + region of the diode and the guard rings along the periphery on the front side of the plate , the third for Al metallization, the fourth for the formation of contacts to metallization. The templates are listed in the order they are used in the process. In the first f / w, the minimum width of the peripheral rings was 25 μm; in the second f / w, for the formation of contacts to the p + diode and the guard rings along the periphery on the front side of the plate, the minimum contact size was: - 25 × 25 μm ² ; on the periphery to the guard rings - 10 × 40 and 40 × 10 μm ² ; in the third f / w for Al metallization, the minimum ring width at the periphery of the diode was 20 μm; the dimensions of the fourth f / w for forming contacts to the central region of metallization are not critical.

Изготовленное устройство характеризовалось следующими электрическими характеристиками:The manufactured device was characterized by the following electrical characteristics:

Рабочий режим - обратное смещение при полном обеднении.Operating mode - reverse bias at full depletion.

Рабочее напряжение определяется из значения напряжения полного обеднения (V_ПО)-V_раб=V_ПО+20 В;The operating voltage is determined from the value of the voltage of full depletion (V _ON ) -V _slave = V _ON +20 V;

Напряжение пробоя, не менее - 2·V_ПО;Breakdown voltage, not less than - 2 · V _software ;

Темновой ток при рабочем напряжении, не более - 200 нА/см²;Dark current at operating voltage, not more than - 200 nA / cm ² ;

Все измерения проводились при температуре 20±2°C. На пластине расположены тестовые структуры для определения удельного сопротивления p-области четырехточечным методом. Подключение охранных колец не предусматривалось.All measurements were carried out at a temperature of 20 ± 2 ° C. On the plate are test structures for determining the resistivity of the p-region by the four-point method. Connection of guard rings was not provided.

Таким образом, полезная модель обеспечивает получение сенсора, который может применяться в различных устройствах, предназначенных для регистрации и/или измерения ионизирующего излучения. При этом заявляемый сенсор обеспечивает малые габариты - возможность использования в портативных автономных устройствах; надежность детектирования любых ионизирующих излучений в сочетании с рабочим широким температурным диапазоном; высокую чувствительность (возможность работы в режиме счета гамма-квантов; высокую радиационную стойкость материала детектора; широкий диапазон измерений; отсутствие необходимости периодического обслуживания; низкое энергопотребление, низковольтное питание.Thus, the utility model provides a sensor that can be used in various devices designed to record and / or measure ionizing radiation. Moreover, the inventive sensor provides small dimensions - the ability to use in portable stand-alone devices; the reliability of the detection of any ionizing radiation in combination with a wide working temperature range; high sensitivity (the ability to work in gamma-quanta counting mode; high radiation resistance of the detector material; wide measurement range; no need for periodic maintenance; low power consumption, low voltage power supply.

Claims

1. A sensitive element of ionizing radiation, which is a pin structure containing a high-resistance n-type silicon substrate of conductivity from high-purity silicon silicon oxide with a specific resistance of 3 ÷ 12 kΩ · cm, a thickness of 250-1000 μm, on the front (working) side of which there are p- areas, as well as a masking coating of SiO ₂ ; aluminum metallization; passivating layer; wherein at least one p-region is located in the central part of the substrate and occupies most of the surface area, forming a sensitive region of the sensor, and at least two p-regions made in the form of ring-shaped elements are concentrically located in the insensitive region along the periphery of the substrate with the possibility of reducing the surface current and ensure a smooth drop in potential from the sensitive region to the periphery of the substrate; windows are formed in the SiO ₂ layer to ensure metal contact with the p region; windows for attaching leads are formed in the passivating layer.

2. The sensitive element according to claim 1, characterized in that the structural elements are made according to planar technology using contact photolithography.

3. The sensitive element according to claim 1, characterized in that the total area of the windows to ensure metal contact with the p-region does not exceed 1% of the surface area of the sensitive region to prevent diffusion of aluminum into silicon.

4. The sensing element according to claim 1, characterized in that the number of windows for attaching the leads is 4, while the windows are located on the edges of the substrate, one on each side.

5. The sensitive element according to claim 1, characterized in that the windows for attaching the terminals are located in the insensitive region of the substrate.

6. The sensing element according to claim 1, characterized in that the p-region located in the Central part of the substrate has profiled sections along the edges in the form of recesses, providing the formation of inactive zones for the placement of windows for connecting conclusions.

7. The sensing element according to claim 1, characterized in that the number of ring-shaped elements (guard rings) is chosen equal to 4, located at a distance from each other, increasing from the center of the substrate to the periphery.

8. The sensing element according to claim 8, characterized in that the width of the ring-shaped elements is selected equal to 25 μm, while the distance between the first and second element is chosen equal to 40 μm, between the second and third - 50 μm, between the third and fourth - 70 μm, the first element is spaced from the boundary of the sensitive p-region at a distance of 40 μm with an allowable error of not more than 0.1 μm, while the indicated values of the values have an allowable deviation of up to 20%.

9. The sensitive element according to claim 1, characterized in that the substrate is selected with overall dimensions of the working surface of up to 102 × 102 mm ² , while the overall dimensions of the surface of the active region are up to 100 × 100 mm ² , the thickness of the sensor is 250-1000 μm ( determined by the thickness of the plate); the area occupied by the ring-shaped elements is not more than 1 mm around the perimeter of the substrate with an allowable error of not more than 0.1 μm.

10. The sensitive element according to claim 1, characterized in that it ensures the achievement of the following electrical characteristics: the value of the reverse bias from 40-200 V to achieve the mode of complete depletion depending on the resistivity and thickness of the sensor; operating mode characterized by reverse bias at full depletion; operating voltage determined from the value of the voltage of full depletion (V _software ) -V _pa = V _software +20 V; breakdown voltage not less than 2 · V _software ; dark current at an operating voltage of not more than 200 nA / cm ² ; while the measurements of the above parameters are carried out at a temperature of 20 ± 2 ° C.

11. The sensitive element according to claim 1, characterized in that on the reverse side of the substrate there is a high-alloyed layer of the n-region and aluminum metallization.