RU207343U1

RU207343U1 - P-I-N-Diode Dosimeter

Info

Publication number: RU207343U1
Application number: RU2021119618U
Authority: RU
Inventors: Надежда Сергеевна Решетова; Василий Васильевич Федоренко
Original assignee: OOO «СофтЭксперт»
Priority date: 2021-07-05
Filing date: 2021-07-05
Publication date: 2021-10-25

Abstract

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам для преобразования воздействий радиационного излучения в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить уровень радиации или набранную дозу облучения, предпочтительно нейтронного.P-I-N-диодный дозиметр содержит высокоумную подложку кремния область I(N)-типа со временем жизни неосновных носителей заряда свыше 1000 мкс, содержащую с нижней стороны пластины слой проводимости N+-типа для формирования омического контакта к подложке, с верхней стороны пластины выполнен слой с проводимостью P-типа.Он снабжен обедненной областью I(N)-типа, находящейся между областями P-типа и N+-типа, имеет форму куба, а расположенная в ней область P-типа достигает границы диода только с лицевой стороны и занимает 90% её поверхности, при этом контактное окно, составляет 80-85% площади области Р+-типа.Технический результат заключается в повышении чувствительности обнаружения нейтронного излучения. 1 ил.The utility model relates to semiconductor devices for converting the effects of radiation into an electrical signal, the measurement of which makes it possible to determine the level of radiation or the accumulated dose of radiation, preferably neutron. over 1000 μs, containing an N + -type conductivity layer on the bottom side of the plate to form an ohmic contact to the substrate, a P-type conductivity layer is made on the upper side of the plate, which is equipped with an I (N) -type depletion region located between the P-type regions and N + -type, has the shape of a cube, and the P-type region located in it reaches the diode boundary only from the front side and occupies 90% of its surface, while the contact window is 80-85% of the area of the P + -type region. consists in increasing the sensitivity of detecting neutron radiation. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам для преобразования воздействий радиационного излучения в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить уровень радиации или набранную дозу облучения, предпочтительно нейтронного.The utility model relates to semiconductor devices for converting the effects of radiation into an electrical signal, the measurement of which makes it possible to determine the level of radiation or the accumulated dose of radiation, preferably neutron.

Из уровня техники известен P-I-N-диодный преобразователь нейтронного излучения (RU 2408955 C1, опубл. 10.01.2011) содержащий высокоомную подложку кремния N-типа проводимости и несколько инжектирующих электродов p-типа проводимости, при этом эмиттеры p-типа проводимости P-I-N-диодного преобразователя нейтронного излучения расположены в виде матрицы на лицевой стороне подложки, а значение длины базы варьируется глубиной травления кремния на обратной стороне подложки, в области между эмиттером и контактом к области N-типа проводимости.A PIN diode converter of neutron radiation is known from the prior art (RU 2408955 C1, publ. 10.01.2011) containing a high-resistance silicon substrate of N-type conductivity and several injection electrodes of p-type conductivity, while emitters of p-type conductivity of a PIN-diode converter of neutron radiations are arranged in the form of a matrix on the front side of the substrate, and the value of the base length is varied by the depth of silicon etching on the back side of the substrate, in the region between the emitter and the contact to the N-type conductivity region.

Недостатком известного полупроводникового прибора является значительный разброс по чувствительности от образца к образцу и зависимость дозы излучения от угла падения, и энергии нейтронного потока, причем эта зависимость будет различной для каждого детектора в группе.The disadvantage of the known semiconductor device is a significant spread in sensitivity from sample to sample and the dependence of the radiation dose on the angle of incidence and the energy of the neutron flux, and this dependence will be different for each detector in the group.

Известен твердотельный детектор заряженных частиц (US 7714300 B1, опубл. 11.05.2010), содержащий PIN-диод; металлический слой на тыльной стороне PIN-диода; проводящее покрытие, которое является однородным и сплошным на лицевой стороне PIN-диода, при этом передняя сторона принимает падающие заряженные частицы, подлежащие обнаружению; электрические соединения с металлическим слоем и проводящим покрытием; оксидное покрытие между проводящим покрытием и PIN-диодом; и проводящие переходные отверстия через оксидное покрытие.Known solid-state detector of charged particles (US 7714300 B1, publ. 11.05.2010), containing a PIN diode; metal layer on the back of the PIN diode; a conductive coating that is uniform and continuous on the face of the PIN diode, with the face receiving the incident charged particles to be detected; electrical connections with a metal layer and a conductive coating; oxide coating between the conductive coating and the PIN diode; and conductive vias through the oxide coating.

Недостатком известного детектора является очень низкая эффективность регистрации нейтронного излучения за счет незначительной по объему обедненной области.The disadvantage of the known detector is the very low efficiency of registration of neutron radiation due to the depletion region, which is insignificant in volume.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является PIN – диод (US 3982267 A, опубл. 21.09.1976), содержащий зону из полупроводникового материала с очень высоким удельным сопротивлением, причем эта зона состоит, по существу, из внутреннего материала и имеет две параллельные поверхности. На одной из граней находится слой полупроводника, сильно легированного примесью первого типа N или P. На противоположной грани находится слой, сильно легированный примесью типа, противоположного примеси первого типа.The closest in technical essence to the claimed technical solution is a PIN diode (US 3982267 A, publ. 09/21/1976), containing a zone of semiconductor material with a very high resistivity, and this zone consists essentially of an internal material and has two parallel surfaces. On one of the faces there is a semiconductor layer heavily doped with an impurity of the first type, N or P. On the opposite face, there is a layer heavily doped with an impurity of the opposite type to the impurity of the first type.

Недостатком известного диода является значительный разброс по чувствительности от образца к образцу и зависимость дозы излучения от угла падения, и энергии нейтронного потока, причем эта зависимость будет различной для каждого детектора в группе, что ведет к снижению чувствительности обнаружения нейтронного излучения.The disadvantage of the known diode is a significant spread in sensitivity from sample to sample and the dependence of the radiation dose on the angle of incidence and the energy of the neutron flux, and this dependence will be different for each detector in the group, which leads to a decrease in the detection sensitivity of neutron radiation.

Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является устранение перечисленных недостатков прототипа.The technical problem to be solved by the utility model is the elimination of the aforementioned shortcomings of the prototype.

Техническим результатом является повышение чувствительности обнаружения нейтронного излучения.The technical result is to increase the sensitivity of detection of neutron radiation.

Технический результат достигается тем, что P-I-N-диодный дозиметр, содержит высокоумную подложку кремния область I(N)-типа со временем жизни неосновных носителей заряда свыше 1000 мкс, содержащую с нижней стороны пластины слой проводимости N⁺ - типа для формирования омического контакта к подложке, с верхней стороны пластины выполнен слой с проводимостью P-типа, согласно полезной модели, обедненная область I(N)-типа, находящаяся между областями P-типа и N⁺-типа, имеет форму куба, а расположенная в ней область P-типа достигает границы диода только с лицевой стороны и занимает 90% её поверхности, при этом контактное окно, составляет 80-85% площади области Р⁺-типа.The technical result is achieved by the fact that the PIN-diode dosimeter contains a highly intelligent silicon substrate of the I (N) -type region with a lifetime of minority charge carriers of more than 1000 μs, containing an N ⁺ -type conduction layer on the bottom side of the plate to form an ohmic contact to the substrate, a layer with P-type conductivity is made on the upper side of the plate, according to the utility model , the depletion region of the I (N) -type, located between the regions of the P-type and N ⁺ -type, has the shape of a cube, and the P-type region located in it reaches the diode borders only on the front side and occupies 90% of its surface, while the contact window is 80-85% of the area of the P ⁺ -type region.

Полезная модель поясняется чертежом. На фиг. показан разрез P-I-N-диодного дозиметра.The utility model is illustrated by a drawing. FIG. shows a cross-section of a P-I-N-diode dosimeter.

P-I-N-диодный дозиметр состоит из высокоомной кремниевой пластины (область I(N)-типа) толщиной не менее 1,2 мм. Область проводимости P-типа в верхней части кремниевой пластины образована легированием примесью, например, бором. Для формирования надежного омического контакта дополнительно выполняется подлегирование верхнего слоя с Р-типом проводимостью. Конструкция диода выполнена таким образом, чтобы обедненная область I(N)-типа, находящаяся между областями P-типа и N⁺-типа, имеет форму куба, а расположенная в ней область P-типа достигает границу диода только с лицевой стороны.The PIN-diode dosimeter consists of a high-resistance silicon wafer (I (N) -type region) with a thickness of at least 1.2 mm. The P-type conduction region at the top of the silicon wafer is formed by doping with an impurity such as boron. To form a reliable ohmic contact, the top layer with P-type conductivity is additionally doped. The design of the diode is made in such a way that the I (N) -type depletion region, located between the P-type and N ⁺ -type regions, has the shape of a cube, and the P-type region located in it reaches the diode boundary only from the front side.

Это необходимо, чтобы граница P-N перехода не выходила на край диода при скрайбировании (разделении пластины на отдельные кристаллы). Такая конструкция позволяет избежать неконтролируемых токов утечки по границе раздела перехода.This is necessary so that the border of the P-N junction does not go to the edge of the diode during scribing (dividing the plate into separate crystals). This design avoids uncontrolled leakage currents at the junction interface.

Основу конструкции диода составляет область I(N)-типа (высокоомный кремний) 1 в котором методом ионной имплантации с последующим отжигом и разгонкой сформированы следующие слои. С нижней стороны пластины выполнена область (слой) N⁺-типа проводимости 2 для создания омического контакта к подложке 1. С верхней стороны пластины выполнена область (слой) с проводимостью P-типа 3 легированием примесью для формирования P-N перехода, таким образом, чтобы после всех термических операций область Р-типа достигла границ диода только с лицевой стороны и не попала в область разделения кристаллов, при изготовлении диодов. Для надежного формирования контакта области Р-типа 3 дополнительно подлигируется примесью до образования области (слоя) с проводимостью P⁺-типа 4 так, чтобы с учетом всех термических операций область P⁺-типа не достигала области скрайбирования на боковых поверхностях кристалла. После окисления лицевой части пластины методом фотолитографии формируется контактное окно, отделенное слоем диоксида кремния 7 от остальных зон лицевой поверхности диода, составляющее 80-85% площади области Р⁺-типа 4 для формирования алюминиевой контактной площадки Al 6.The diode design is based on the I (N) -type region (high-resistance silicon) 1 in which the following layers are formed by the method of ion implantation followed by annealing and distillation. On the lower side of the plate, a region (layer) of N ⁺ -type conductivity 2 is made to create an ohmic contact to substrate 1. On the upper side of the plate, an area (layer) with conductivity of P-type 3 is made by doping with an impurity to form a PN junction, so that after of all thermal operations, the P-type area reached the boundaries of the diode only from the front side and did not fall into the crystal separation area during the manufacture of diodes. For reliable contact formation, the P-type region 3 is additionally ligated with an impurity to form a region (layer) with the P ⁺ -type 4 conductivity so that, taking into account all thermal operations, the P ⁺ -type region does not reach the scribing region on the side surfaces of the crystal. After oxidation of the front part of the plate by photolithography, a contact window is formed, separated by a layer of silicon dioxide 7 from the remaining zones of the front surface of the diode, making up 80-85% of the area of the P ⁺ -type region 4 to form an aluminum contact pad Al 6.

Контакт к области I(N)-типа 1 формируется с тыльной стороны пластины напылением алюминия с дальнейшим выжиганием алюминия. Таким образом при линейном размере диода 1,1х1,1мм и толщине пластины 1,2 мм формируется изделие с областью I(N)-типа кубической формы.The contact to the region of I (N) -type 1 is formed from the back side of the plate by sputtering aluminum with further burning of aluminum. Thus, with a linear size of the diode of 1.1x1.1 mm and a plate thickness of 1.2 mm, a product with an I (N) -type region of a cubic shape is formed.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Вольт амперная характеристика диода данной конструкции отличается от классической характеристики PIN диода тем, что ток проходящий от контактной площадки 6 к областям P⁺- типа 4, P - типа 3, I(N) - типа 1, N⁺- типа 2 до контакта пластины 5 не растет по экспоненте, а его рост органичен резистивной составляющей I(N)-области 1. Таким образом, если измерять напряжение на отрытом P-N переходе на границе разделов областей 3-1, при заданном токе на восходящей ветви вольтамперной характеристики то можно четко фиксировать изменения, происходящие под действием нейтронного излучения. Под действием нейтронного излучения происходит два процесса в области I(N)-типа 1:The current-voltage characteristic of a diode of this design differs from the classical characteristic of a PIN diode in that the current passing from the contact pad 6 to the areas P ⁺ - type 4, P - type 3, I (N) - type 1, N ⁺ - type 2 to the plate contact 5 does not grow exponentially, and its growth is limited by the resistive component of the I (N) -region 1. Thus, if you measure the voltage at the open PN junction at the interface between regions 3-1, at a given current on the ascending branch of the current-voltage characteristic, then you can clearly fix changes occurring under the influence of neutron radiation. Under the action of neutron radiation, two processes occur in the region of I (N) -type 1:

-за счет возникающих структурных изменений под действием нейтронного излучения происходит изменение напряжения открытия перехода P-N перехода на границе разделов областей 3-1. Данное изменение пропорционально поглощенной дозе;- due to the arising structural changes under the influence of neutron radiation, there is a change in the opening voltage of the P-N transition at the boundary of the sections of regions 3-1. This change is proportional to the absorbed dose;

- при больших поглощенных дозах более 10 Гр [Грей] нейтронного излучения происходит легирование кремния 1 за счет ядерных реакций. Под воздействием потока тепловых нейтронов происходит образование радиоактивного изотопа ³¹Si и его последующий распад с образованием стабильного фосфора ³¹P. Легирование уменьшает сопротивление обедненной части кремния и тем самым увеличивает точность измерения поглощенной дозы нейтронного излучения при больших дозах, другими словами, достигаем повышения чувствительности обнаружения нейтронного излучения.- at large absorbed doses of more than 10 Gy [Gray] of neutron radiation, silicon 1 is doped due to nuclear reactions. Under the influence of the flux of thermal neutrons, the radioactive isotope ³¹Si is formed and its subsequent decay with the formation of stable phosphorus ³¹P. Alloying reduces the resistance of the depleted part of silicon and thereby increases the accuracy of measuring the absorbed dose of neutron radiation at high doses, in other words, we achieve an increase in the sensitivity of detecting neutron radiation.

После выпуска партии кристаллов, измеряют начальное напряжение открытия P-N перехода на границе разделов областей 3-1 перехода при токе близком к 1мА. В дальнейшем с заданной периодичностью контролируют изменение данного параметра. Рост напряжения открытия P-N перехода на границе разделов областей 3-1 пропорционален поглощенной дозе и имеет линейную зависимость. Для пересчета измеренного напряжения в дозу или флюенс нейтронов радиации используют калибровочную кривую, которая снимается экспериментально для изготовленной партии детекторов изготовленных с одной партии пластин с одного слитка и в одном технологическом процессе.After the release of a batch of crystals, the initial voltage of the opening of the P-N junction is measured at the boundary of the sections of the transition regions 3-1 at a current close to 1 mA. Subsequently, the change in this parameter is monitored at a predetermined frequency. The increase in the opening voltage of the P-N junction at the interface between regions 3-1 is proportional to the absorbed dose and has a linear dependence. To recalculate the measured voltage into the dose or fluence of radiation neutrons, a calibration curve is used, which is measured experimentally for a manufactured batch of detectors made from one batch of plates from one ingot and in one technological process.

Для достижения высокой чувствительности особенно к быстрым нейтронам используется кремний с высоким удельным сопротивлением не менее 5000 Ом⋅см² с временем жизни неосновных носителей более 1000 мкс. Для компенсации «Анизотропии» - зависимости чувствительности от угла падения нейтронного потока на PIN -детектор, диод спроектирован так, чтобы область I(N)-типа 1 имела кубическую форму с размером стороны около 1 мм. При этом большая область I(N)-типа 1 способствует увеличению чувствительности. Область Р-типа занимает 90% поверхности диода с лицевой стороны, что способствует меньшему разбросу чувствительности диода к нейтронному излучению как на пластине, так и между пластинами при групповом производстве. Кроме того, такая конструкция позволяет избежать неконтролируемых токов утечки, возникающих по границе скрайбирования (резки) пластины на отдельные кристаллы, так как область P-N перехода на границе разделов областей 3-1 не выходит на границу скрайбирования и защищена диоксидом кремния 7.To achieve high sensitivity, especially to fast neutrons, silicon with a high resistivity of at least 5000 Ohm⋅cm ² with a minority carrier lifetime of more than 1000 μs is used. To compensate for "Anisotropy" - the dependence of the sensitivity on the angle of incidence of the neutron flux on the PIN-detector, the diode is designed so that the I (N) -type 1 region has a cubic shape with a side size of about 1 mm. At the same time, a large area of I (N) -type 1 contributes to an increase in sensitivity. The P-type area occupies 90% of the diode surface on the front side, which contributes to a smaller spread in the diode sensitivity to neutron radiation both on the plate and between the plates in group production. In addition, this design makes it possible to avoid uncontrolled leakage currents arising along the scribing (cutting) boundary of the wafer into separate crystals, since the PN junction region at the interface of regions 3-1 does not go to the scribing boundary and is protected by silicon dioxide 7.

Полезная модель позволяет повысить чувствительность обнаружения нейтронного излучения за счет обедненной области I(N)-типа 1, находящейся между областями P-типа и N⁺-типа, выполненной в форме куба, и расположенной в ней области P-типа достигающей границы диода только с лицевой стороны и занимающей 90% её поверхности, при этом контактное окно отделено слоем диоксида кремния от остальных зон лицевой поверхности диода и составляет 80-85% площади области Р⁺ типа.The useful model makes it possible to increase the sensitivity of neutron radiation detection due to the depletion region of I (N) -type 1, located between the P-type and N ⁺ -type regions, made in the form of a cube, and the P-type region located in it, reaching the diode boundary only with the front side and occupying 90% of its surface, while the contact window is separated by a layer of silicon dioxide from the remaining zones of the front surface of the diode and makes up 80-85% of the area of the P ⁺ type region.

Таким образом достигается повышение чувствительности обнаружения нейтронного излучения.Thus, an increase in the sensitivity of detecting neutron radiation is achieved.

Claims

The PIN-diode dosimeter contains a high-intelligence silicon substrate of the I (N) -type region with a lifetime of minority charge carriers of more than 1000 μs, containing an N ⁺ -type conductivity layer on the lower side of the plate to form an ohmic contact to the substrate; on the upper side of the plate, a layer with conductivity of the P-type, characterized in that the depletion region of the I (N) -type, located between the regions of the P-type and N ⁺ -type, has the shape of a cube, and the P-type region located in it reaches the diode boundary only from the front side and occupies 90% of its surface, while the contact window is 80-85% of the area of the P ⁺ -type region.