RU142188U1

RU142188U1 - SELF-DISPLACED FAST NEUTRON DETECTOR

Info

Publication number: RU142188U1
Application number: RU2013158524/28U
Authority: RU
Inventors: Геннадий Иванович Бритвич; Алексей Владимирович Черных; Сергей Владимирович Черных; Федор Михайлович Барышников; Сергей Иванович Диденко; Геннадий Иосифович Кольцов; Александр Поликарпович Чубенко
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-06-20

Abstract

Самосмещенный детектор быстрых нейтронов, состоящий из водородосодержащего конвертера и сенсора протонов отдачи, причем последний отличается тем, что содержит подложку GaAs n-типа проводимости, на обратной стороне которой сформирован омический контакт, а на рабочей стороне подложки последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой GaAs с уровнем легирования не более 1·10сми толщиной 10-20 мкм, эпитаксиальный слой GaAs р-типа проводимости и омический контакт.A self-biased fast neutron detector consisting of a hydrogen-containing converter and a recoil proton sensor, the latter being characterized in that it contains an n-type GaAs substrate, on the reverse side of which an ohmic contact is formed, and on the working side of the substrate, a GaAs epitaxial layer with a level doping no more than 1 · 10 cm with a thickness of 10-20 μm, p-type GaAs epitaxial layer and ohmic contact.

Description

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам излучений. Область применения - индивидуальный дозиметр быстрых нейтронов для проведения дозиметрического контроля персонала за защитой ядерно-физических установок (ЯФУ), таких как реакторы, ускорители, генераторы нейтронов для медицинских целей и др.The utility model relates to semiconductor radiation detectors. Scope - an individual fast neutron dosimeter for conducting dosimetric monitoring of personnel for the protection of nuclear physical installations (NFU), such as reactors, accelerators, neutron generators for medical purposes, etc.

Известен детектор нейтронов, содержащий конвертер быстрых нейтронов и кремниевый поверхностно-барьерный сенсор [Т.М. Filho, M.M. Hamada, F. Shiraishi, and С.Н. Mesquita, «Development of neutron detector using the surface barrier sensor with polyethylene (n, p) and ¹⁰B (n, α) converters», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A-485, pp. 441-447, 2001]. Детектор работает по принципу регистрации протонов отдачи, используя в качестве конвертера полиэтилен и регистрируя кремниевым поверхностно-барьерным сенсором выбитые протоны. Кремниевый сенсор изготовлен на основе подложек высокоомного кремния толщиной 1 мм с удельным сопротивлением 50 кОм·см и имеет площадь чувствительной области 3.14 см² и толщину обедненного слоя 420 мкм при обратном внешнем смещении 40 В. Недостатком данного детектора является более низкая (на один-два порядка) радиационная стойкость кремния в сравнении с широкозонными материалами, значительное ухудшение характеристик кремниевых приборов при температурах выше комнатной, чувствительность к гамма-фону, а также относительно высокое напряжение питания.Known neutron detector containing a fast neutron converter and a silicon surface-barrier sensor [T.M. Filho, MM Hamada, F. Shiraishi, and S.N. Mesquita, “Development of neutron detector using the surface barrier sensor with polyethylene (n, p) and ¹⁰ B (n, α) converters”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A-485, pp. 441-447, 2001]. The detector works according to the principle of registration of recoil protons, using polyethylene as a converter and detecting knocked-out protons with a silicon surface-barrier sensor. The silicon sensor is made on the basis of high-resistance silicon substrates 1 mm thick with a specific resistance of 50 kOhm · cm and has a sensitive area of 3.14 cm ² and a depletion layer thickness of 420 μm with a reverse external bias of 40 V. The disadvantage of this detector is lower (by one or two order) the radiation resistance of silicon in comparison with wide-gap materials, a significant deterioration in the characteristics of silicon devices at temperatures above room temperature, sensitivity to gamma background, and also a relatively high voltage nutrition.

Известен детектор нейтронов, содержащий конвертер быстрых нейтронов и сенсор на основе кремниевого p-i-n фотодиода марки S 3590-09 фирмы HAMAMATSU [С.Н. Mesquita, Т.М. Filho, and M.M. Hamada, «Development of Neutron Detector Using the PIN Photodiode With Polyethylene (n, p) Converter». IEEE Transactions On Nuclear Science, vol. 50, NO. 4, pp. 1170-1174, 2003]. Детектор работает по принципу регистрации протонов отдачи, используя полиэтилен в качестве конвертера. Использующийся в качестве сенсора кремниевый p-i-n фотодиод имеет площадь чувствительной области 1 см², толщину обедненного слоя 300 мкм и напряжение питания 70-100 В. Недостатком данного детектора является более низкая (на один-два порядка) радиационная стойкость кремния в сравнении с широкозонными материалами, значительное ухудшение характеристик кремниевых приборов при температурах выше комнатной, чувствительность к гамма-фону, а также относительно высокое напряжение питания.Known neutron detector containing a fast neutron converter and a sensor based on a silicon pin photodiode brand S 3590-09 company HAMAMATSU [S.N. Mesquita, T.M. Filho, and MM Hamada, "Development of Neutron Detector Using the PIN Photodiode With Polyethylene (n, p) Converter." IEEE Transactions On Nuclear Science, vol. 50, NO. 4, pp. 1170-1174, 2003]. The detector operates on the principle of registration of recoil protons, using polyethylene as a converter. The silicon pin photodiode used as a sensor has a sensitive area of 1 cm ² , a depletion layer thickness of 300 μm and a supply voltage of 70-100 V. The disadvantage of this detector is the lower (by one or two orders of magnitude) radiation resistance of silicon in comparison with wide-gap materials, significant deterioration of the characteristics of silicon devices at temperatures above room temperature, sensitivity to gamma background, and also a relatively high supply voltage.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является детектор нейтронов, содержащий конвертер быстрых нейтронов и поверхностно-барьерный GaAs сенсор [Патент США №6,479,826 B1, 2002]. Детектор работает по принципу регистрации протонов отдачи. В качестве конвертера используется полимер с большим содержанием водорода, как например полиолефин, парафин или полиэтилен высокой плотности. Сенсор устроен следующим образом. На первой поверхности полуизолирующей (ПИ) GaAs подложки сформирован барьер Шоттки, который может быть выполнен из ряда металлов, таких как, Ti, Pt, Au, Ge, Pd и Ni, на второй, противоположной, поверхности подложки сформирован контакт с низким сопротивлением (омический) состоящий из металлов, как например, Au, Ge и Ni.Closest to the claimed utility model is a neutron detector containing a fast neutron converter and a surface-barrier GaAs sensor [US Patent No. 6,479,826 B1, 2002]. The detector operates on the principle of registration of recoil protons. A polymer with a high hydrogen content, such as a polyolefin, paraffin or high density polyethylene, is used as a converter. The sensor is arranged as follows. A Schottky barrier is formed on the first surface of the semi-insulating (PI) GaAs substrate, which can be made of a number of metals, such as Ti, Pt, Au, Ge, Pd, and Ni; on the second, opposite, surface of the substrate, a contact with low resistance (ohmic ) consisting of metals such as Au, Ge and Ni.

В основе данного изобретения лежит тот факт, что в объемном ПИ GaAs присутствуют глубокие EL2 центры с концентрацией на уровне 10¹⁵-10¹⁶ см^-3, что имеет следствием неравномерное распределение электрического поля в обратно смещенных диодах из ПИ GaAs. Область пространственного заряда в таком материале можно условно разделить на область высокого поля (приблизительно (1-2)·10⁴ В·см^-1) и низкого (ниже 2·10³ В·см^-1). В результате лишь небольшая область вблизи выпрямляющего контакта (несколько десятков микрометров) является фактически активной при низких обратных смещениях, с увеличением смещения эта область увеличивается линейно в среднем как 1 мкм/В. Таким образом, посредством подачи соответствующего напряжения смещения можно устанавливать оптимальные размеры активной области, в зависимости от величины пробегов детектируемых сенсором протонов. Поскольку область низкого электрического поля является неактивной, то взаимодействие фоновых гамма-квантов в ней не регистрируется.The basis of this invention is the fact that deep EL2 centers with a concentration of 10 ¹⁵ -10 ¹⁶ cm ^-3 are present in the bulk GaAs PI, which results in an uneven distribution of the electric field in the reverse biased GaAs PI diodes. The space charge region in such a material can be conditionally divided into a high field (approximately (1-2) · 10 ⁴ V · cm ^-1 ) and low (below 2 · 10 ³ V · cm ^-1 ). As a result, only a small region near the rectifying contact (several tens of micrometers) is actually active at low reverse biases; with increasing bias, this region increases linearly on average as 1 μm / V. Thus, by applying the appropriate bias voltage, it is possible to establish the optimal dimensions of the active region, depending on the size of the paths of the protons detected by the sensor. Since the region of low electric field is inactive, the interaction of background gamma rays is not recorded in it.

При увеличении смещения на детекторе размер области высокого поля увеличивается, что приводит к увеличению энергии, осаждаемой протоном отдачи в ней, и увеличению сигнала с детектора. Однако авторами изобретения было показано, что скорость счета нейтронов для смещений от 30 до 170 В является относительно постоянной во всем диапазоне напряжений смещения (12% изменение), а общая скорость счета увеличивается в 15 раз. То есть при увеличении смещения увеличивается не только осажденная протоном энергия в активной области, но и гамма отклик детектора, при этом сигнал с детектора увеличивается всего в три раза. Поэтому оптимальными размерами активной области являются 10-20 мкм.As the bias at the detector increases, the size of the high-field region increases, which leads to an increase in the energy deposited by the recoil proton in it and to an increase in the signal from the detector. However, the inventors have shown that the neutron count rate for displacements from 30 to 170 V is relatively constant over the entire range of bias voltages (12% change), and the total count rate increases 15 times. That is, when the bias increases, not only the energy deposited by the proton in the active region increases, but also the gamma response of the detector, while the signal from the detector increases only three times. Therefore, the optimal dimensions of the active region are 10-20 μm.

Недостатком данной конструкции является необходимость в питании минимум 20-30 В.The disadvantage of this design is the need for power supply of at least 20-30 V.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность регистрации быстрых нейтронов детектором в смешанных гамма-нейтронных полях без использования внешнего источника питания при эффективности сбора заряда, генерированного частицей в рабочем слое, близкой к 100% при сохранении низкой чувствительности к гамма-фону.The technical result of the claimed utility model is the possibility of detecting fast neutrons by a detector in mixed gamma-neutron fields without using an external power source while the charge collection efficiency generated by the particle in the working layer is close to 100% while maintaining low sensitivity to the gamma background.

Сущность полезной модели заключается в использовании в качестве сенсора протонов отдачи самосмещенного p-i-n GaAs диода, в котором параметры p-слоя и i-области выбираются таким образом, что осажденной протоном энергии достаточно для его регистрации, а встроенного поля достаточно для полного сбора носителей, при этом сохраняется низкая чувствительность к гамма-фону.The essence of the utility model is to use a self-biased pin GaAs diode as a recoil proton sensor, in which the p-layer and i-region parameters are selected in such a way that the proton-deposited energy is sufficient to detect it, and the built-in field is sufficient to completely collect carriers, while low sensitivity to gamma background.

Полезная модель поясняется приведенными ниже чертежами:The utility model is illustrated by the following drawings:

На фиг. 1 показана принципиальная конструкция самосмещенного детектора быстрых нейтронов 1, который содержит водородосодержащий конвертер 2 и сенсор протонов отдачи 3, причем последний отличается тем, что содержит GaAs подложку 4 n-типа проводимости, на обратной стороне которой сформирован омический контакт 8, а на рабочей стороне подложки 4 последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой GaAs 5 с уровнем легирования не более 1·10¹² см^-3 и толщиной 10-20 мкм, эпитаксиальный слой GaAs p-типа проводимости 6 и омический контакт 7.In FIG. 1 shows the basic design of a self-biased fast neutron detector 1, which contains a hydrogen-containing converter 2 and a recoil proton sensor 3, the latter being characterized in that it contains an n-type GaAs substrate 4, on the reverse side of which an ohmic contact 8 is formed, and on the working side of the substrate 4, a GaAs 5 epitaxial i-layer with a doping level of not more than 1 · 10 ¹² cm ^-3 and a thickness of 10-20 μm, p-type GaAs epitaxial layer 6 and ohmic contact 7 are successively formed.

Самосмещенный детектор быстрых нейтронов 1 содержит водородосодержащий конвертер 2 и сенсор протонов отдачи 3, причем последний отличается тем, что содержит GaAs подложку 4 n-типа проводимости, на обратной стороне которой сформирован омический контакт 8, а на рабочей стороне подложки 4 последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой GaAs 5 с уровнем легирования не более 1·10¹² см^-3 и толщиной 10-20 мкм, эпитаксиальный слой GaAs p-типа проводимости 6 и омический контакт 7.The self-biased fast neutron detector 1 contains a hydrogen-containing converter 2 and a recoil proton sensor 3, the latter being different in that it contains an n-type GaAs substrate 4, on the reverse side of which an ohmic contact 8 is formed, and on the working side of the substrate 4 epitaxial i- a GaAs 5 layer with a doping level of not more than 1 · 10 ¹² cm ^-3 and a thickness of 10-20 μm, a p-type GaAs epitaxial layer of conductivity 6 and ohmic contact 7.

Принцип работы детектора заключается в следующем. Быстрые нейтроны с энергией E_n вследствие упругого рассеяния на атомах водорода, выбивают из водородосодержащего конвертера 2 протоны. В качестве конвертера может быть взят полиэтилен, парафин или любой другой богатый водородом материал. Выбитые протоны в свою очередь регистрируются сенсором на основе GaAs p-i-n диода 3. Энергия протонов отдачи определяется углом между траекториями движения нейтрона до рассеяния и протона отдачи, начальным направлением нейтрона относительно нормали к поверхности детектора, толщиной конвертера, глубиной «рождения» протона отдачи в конвертере и соответственно находятся в диапазоне от 0 до E_n. Протон отдачи наводит ионизацию в рабочей области сенсора на основе GaAs p-i-n диода, встроенное электрическое поле в i-области диода разделяет неравновесные носители, их движение к контактам создает импульсы тока во внешней цепи детектора, которые регистрируются внешней считывающей электроникой. Количество импульсов соответствует количеству протонов отдачи, попадающих в детектор.The principle of operation of the detector is as follows. Fast neutrons with energy E _n due to elastic scattering by hydrogen atoms knock out 2 protons from the hydrogen-containing converter. As the converter, polyethylene, paraffin or any other hydrogen-rich material can be taken. Knocked-out protons, in turn, are recorded by a sensor based on a GaAs pin diode 3. The energy of the recoil protons is determined by the angle between the neutron trajectories before scattering and the recoil proton, the initial direction of the neutron relative to the normal to the detector surface, the thickness of the converter, the depth of the "birth" of the recoil proton in the converter, and respectively, are in the range from 0 to E _n . The recoil proton induces ionization in the working area of the sensor based on the GaAs pin diode, the built-in electric field in the i-region of the diode separates nonequilibrium carriers, their movement to the contacts creates current pulses in the external circuit of the detector, which are detected by external sensing electronics. The number of pulses corresponds to the number of recoil protons entering the detector.

В настоящей полезной модели предлагается выбрать параметры рабочего слоя и p-слоя таким образом, чтобы встроенного поля в рабочей области хватало для полного сбора носителей, а размеры рабочей области соответствовали достаточному осаждению энергии протоном. Для эффективного счета нейтронов достаточно иметь прогаженность i-области 10-20 мкм. Уровень легирования i-слоя выбирается исходя из условия полного обеднения - менее 1·10¹² см^-3. Уровни легирования n⁺-подложки и p⁺-слоя выбираются максимально возможными. Для такой конструкции среднее значение встроенного электрического поля в i-области составит от 1·10³ до 5·10² В/см, соответственно для толщин от 10 до 20 мкм и позволит иметь эффективность сбора заряда близкую к 100%. Следует отметить, что выбор p-i-n структуры обусловлен тем фактом, что позволяет иметь большее встроенное поле в сравнении с барьером Шоттки.In this utility model, it is proposed to select the parameters of the working layer and p-layer so that the built-in field in the working region is sufficient for the complete collection of carriers, and the dimensions of the working area correspond to sufficient proton energy deposition. For effective neutron counting, it is sufficient to have an i-range of 10–20 μm. The doping level of the i-layer is selected based on the condition of complete depletion - less than 1 · 10 ¹² cm ^-3 . The doping levels of the n ⁺ substrate and p ⁺ layer are selected as high as possible. For this design, the average value of the built-in electric field in the i-region will be from 1 · 10 ³ to 5 · 10 ² V / cm, respectively, for thicknesses from 10 to 20 μm and will allow to have a charge collection efficiency close to 100%. It should be noted that the choice of pin structure is due to the fact that it allows you to have a larger built-in field in comparison with the Schottky barrier.

Выбранные толщины эпитаксиальных слоев позволяют получить GaAs сенсор, нечувствительный к фоновому гамма-излучению. Гак для i-слоя GaAs толщиной 10 мкм для углов вылета протонов из конвертера менее 60° (при использовании 2.2 мм полиэтиленового конвертера и энергии налетающих нейтронов 14 МэВ), осажденная протоном энергия составит от 250 кэВ до 2.3 МэВ. Внутренняя эффективность регистрации γ-квантов с такими энергиями детектором достаточно низка, и составляет 0.07 и 0.02% соответственно (соответствующие полные массовые коэффициенты ослабления 0.13 и 0.038 см²/г). Сигналы от квантов с более низкими энергиями отсекаются дискриминатором. Эффективность регистрации нейтронов таким детектором составляет не менее 0.25% и определяется эффективностью конвертера.The selected thicknesses of the epitaxial layers make it possible to obtain a GaAs sensor insensitive to background gamma radiation. For a GaAs i-layer with a thickness of 10 μm for proton exit angles of less than 60 ° (when using a 2.2 mm polyethylene converter and an incident neutron energy of 14 MeV), the proton-deposited energy will be from 250 keV to 2.3 MeV. The internal detection efficiency of gamma quanta with such energies by the detector is rather low and amounts to 0.07 and 0.02%, respectively (the corresponding total mass attenuation coefficients are 0.13 and 0.038 cm ² / g). Signals from quanta with lower energies are cut off by the discriminator. The neutron detection efficiency of such a detector is at least 0.25% and is determined by the efficiency of the converter.

Далее представлен один из примеров реализации предлагаемой полезной модели. Детектор изготавливается с помощью стандартных технологических операций микроэлектроники на основе 10 мкм эпитаксиальных слоев с концентрацией носителей на уровне 3·10¹¹ см^-3, выращенных методом хлоридной эпитаксии на n⁺-GaAs подложках, легированных до концентрации 2·10¹⁸ см^-3. Сверху i-слоя МОС-гидридным методом выращивается p⁺-слой 0.3 мкм толщиной и с концентрацией дырок 5·10¹⁹ см^-3.The following is one example of the implementation of the proposed utility model. The detector is manufactured using standard technological operations of microelectronics based on 10 μm epitaxial layers with a carrier concentration of 3 × 10 ¹¹ cm ^-3 , grown by chloride epitaxy on n ⁺ -GaAs substrates doped to a concentration of 2 × 10 ¹⁸ cm ^-3 . A p ⁺ layer 0.3 microns thick and with a hole concentration of 5 · 10 ¹⁹ cm ^{-3 is} grown on top of the i-layer by the MOS hydride method.

Основные технологические операции изготовления детектора:The main technological operations of manufacturing the detector:

1) Формирование Ni/AuGe/Au омического контакта 7 к подложке арсенида галлия n-типа проводимости 4.1) Formation of Ni / AuGe / Au ohmic contact 7 to the substrate of n-type gallium arsenide 4.

2) Вжигание контакта к n⁺ в течение 1.5 мкн при температуре 450°C в атмосфере азота или вакууме при остаточном давлении не ниже 2·10^-6 мм. рт.ст.2) Burning the contact to n ⁺ for 1.5 microns at a temperature of 450 ° C in a nitrogen atmosphere or vacuum at a residual pressure of at least 2 · 10 ^-6 mm. Hg

3) Формирование омического контакта 8 на основе металлизации Ti/Pd/Au к слою p-типа проводимости.3) The formation of ohmic contact 8 based on the metallization of Ti / Pd / Au to a p-type conductivity layer.

4) Формирование меза-структуры методом реактивного ионно-лучевого травления и вжигание контактов 1 мин при температуре 400°C в атмосфере азота или вакууме при остаточном давлении не ниже 2·10^-6 мм.рт.ст.4) Formation of the mesa structure by reactive ion-beam etching and contact burning for 1 min at a temperature of 400 ° C in an atmosphere of nitrogen or vacuum at a residual pressure of at least 2 · 10 ^-6 mm Hg

5) Формирование контактных площадок с помощью гальванического осаждения золота и осаждение пассивирующего покрытия, например Si₃N₄.5) The formation of contact pads using galvanic deposition of gold and the deposition of a passivating coating, for example Si ₃ N ₄ .

6) Посадка поверхностно-барьерного GaAs сенсора 3 в корт с и нанесение (СН₂)_n слоя конвертера 2.6) Landing of the surface-barrier GaAs sensor 3 in court c and the deposition of (CH ₂ ) _n layer of converter 2.

Представленная технология позволяет создавать детекторы быстрых нейтронов с площадью активной области не менее 25 мм².The presented technology allows the creation of fast neutron detectors with an active region of at least 25 mm ² .

Claims

A self-biased fast neutron detector consisting of a hydrogen-containing converter and a recoil proton sensor, the latter being characterized in that it contains an n-type GaAs substrate, on the reverse side of which an ohmic contact is formed, and on the working side of the substrate, a GaAs epitaxial layer with a level doping no more than 1 · 10 ¹² cm ^-3 and a thickness of 10-20 microns, p-type GaAs epitaxial layer and ohmic contact.