RU220064U1 - Полупроводниковый детектор рентгеновского излучения с высоким энергетическим разрешением - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений. Детектор содержит чувствительный элемент на основе высокорезистивного арсенида галлия, компенсированного хромом. Чувствительный элемент HR GaAs:Cr оборудован трехэлектродной системой металлических контактов, два из которых расположены на облучаемой поверхности, сформированы в виде встречно-штыревой системы с шагом b, равным половине толщины активной области полупроводника d, один из контактов заземлен, на второй подано напряжение положительной полярности. На третий контакт, сформированный в виде сплошной площадки на обратной поверхности чувствительного элемента, подано отрицательное напряжение. Выбором оптимальной топологии контактов, изменяющей зарядо-транспортные свойства HR GaAs:Cr, решается проблема разделения генерируемых зарядов при дрейфе в поле напряженности и эффективности сбора их металлическими контактами. Техническим результатом является улучшение энергетического разрешения детектора. 2 табл., 4 ил.

Description

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений. Твердотельные детекторы на основе полупроводников с высоким атомным номером Z используются в современной физике высоких энергий, системах безопасности и радиационного контроля, спектрометрии, медицине и астрономии.

Известны детекторы, использующие сцинтилляционные счетчики, например, по патенту RU2367980C1. Работа таких счетчиков основана на непрямой конвертации квантов излучения в электрический сигнал, что приводит к низкой эффективности DQE (Detective Quantum Efficiency).

Для значительного увеличения объема и качества информации при исследовании излучающих объектов необходимы устройства и системы, которые обладают не только высоким пространственным, но и высоким энергетическим разрешением. Наиболее широкое распространение получили полупроводниковые детекторы на основе кремния (Si), сверхчистого германия (Ge), а также теллурида кадмия (CdTe), твердого раствора кадмий-цинк-теллур (CdZnTe) и арсенида галлия (GaAs).

Основным недостатком Si является резкое падение коэффициента поглощения рентгеновского и гамма-излучения с энергией более 12 кэВ [1]. Структуры из высокочистого германия (Ge) обладают высокой эффективностью DQE и энергетическим разрешением. Однако малая ширина запрещенной зоны приводит к увеличению темновых токов, что позволяет использовать данные детекторы только при наличии охлаждения до температур жидкого азота [2, 3].

Детекторы на основе тройного соединения кадмий-цинк-теллур (CdZnTe) могут работать при комнатных температурах и обладают высоким коэффициентом поглощения рентгеновского излучения. Однако рабочий диапазон энергий сенсоров CdTe и CdZnTe начинается с 30 кэВ, так как при меньших энергиях в амплитудном спектре наблюдаются нежелательные пики собственного характеристического излучения Cd и Те [4].

Аренид галлия (GaAs) обладает высоким коэффициентом поглощения ионизирующего излучения в области энергий 10-60 кэВ и является подходящим материалом для создания детекторов ионизирующего излучения. Для работы детектора в условиях комнатной температуры, при которой уровень темнового тока не будет превышать регистрируемый сигнал, необходимо обеспечить высокое удельное сопротивление полупроводникового материала (10⁷ ÷ 10⁹ Ом⋅см). В настоящее время есть два пути, позволяющие получать полуизолирующие (HR - High Resistivity) GaAs структуры:

- за счет контролируемого введения глубоких донорных уровней собственных антиструктурных дефектов в процессе роста полупроводника (EL2-центры);

- путем компенсации акцепторными примесями.

В работах [5-7] разработан метод компенсации проводимости исходного n-GaAs введением в структуру глубоких акцепторов, в качестве которого выступает хром (Cr) с концентрацией: N_Cr>N_d>N_f, где N_d и N_f - концентрация мелких доноров и фоновых примесей, соответственно.

Однако из-за большой разницы дрейфовых длин носителей заряда в HR GaAs:Cr (L_n≈100L_p, где L_n и L_p - дрейфовые длины электронов и дырок, соответственно), эффективность сбора заряда детектора определяется только электронной составляющей спектра. Неполный сбор заряда из трека приводит к размытию спектра и уменьшению энергетического разрешения детектора.

Энергетическое разрешение детекторов на основе HR GaAs:Cr может быть улучшено при использовании матричных детекторов [8]. Улучшение энергетического разрешения наблюдается за счет эффекта малого пикселя [9]. Когда размер пикселя D намного меньше толщины детектора d (d>>D), поле, влияющее на индуцируемый заряд, сосредоточено непосредственно под пикселем. По теореме Рамо-Шокли, ток, наведенный на рассматриваемом электроде, движущимся носителем заряда зависит от напряженности поля, которое проходит данный заряд. Таким образом, происходит модуляция электрического поля, что позволяет нивелировать сбор только одной (электронной или дырочной) компоненты заряда.

Недостатком матричных сенсоров является наличие эффекта разделения заряда, при котором электронное облако, образованное при поглощении квантов излучения, увеличивается за счет явления диффузии при движении в объеме сенсора [10]. Такое облако по размеру может быть больше, чем единичный элемент матрицы (пикселя). Тогда при дрейфе к аноду, в роли которого обычно выступают пиксельные электроды, заряд будет индуцирован на нескольких соседних пикселях, что приведет к ограничению энергетического разрешения. Матричные детекторы показали свою эффективность при температурах, близких к 0°С, но при повышении температуры до комнатной энергетическое разрешение ухудшается до 15% и выше [8]. Разделение заряда приводит к необходимости обработки получаемых спектров с помощью специализированного программного обеспечения. Кроме того, производство матричных детекторов включает в себя большое количество технологических операций, в том числе флип-чип сборку со считывающей микросхемой, что ведет к усложнению и удорожанию технологии. Матричный детектор [8] выбран в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) заявленной полезной модели.

Проблема разделения зарядов решается выбором оптимальной топологии контактов, изменяющей зарядо-транспортные свойства HR GaAs.Cr. Улучшить энергетическое разрешение HR GaAs:Cr детектора можно за счет изменения распределения напряженности электрического поля в активной области таким образом, чтобы сгенерированный заряд проходил через участок повышенной напряженности поля. Технической задачей является разработка детектора на основе HR GaAs:Cr структуры, не имеющего указанных недостатков прототипа и способного различать линии спектра с разрешением не хуже 7%.

Поставленная задача решается тем, что чувствительный элемент HR GaAs:Cr оборудован трехэлектродной системой металлических контактов, два из которых расположены на облучаемой поверхности чувствительного элемента, сформированы в виде встречно-штыревой системы с шагом b, равным половине толщины активной области полупроводника d, один из контактов заземлен, на второй подано напряжение положительной полярности, а на третий контакт, сформированный в виде сплошной площадки на обратной поверхности чувствительного элемента, подано отрицательное напряжение.

Как и в матричном прототипе, в приповерхностной области создано электрическое поле, характеризующееся высокой напряженностью (до 10³ В/см и выше), а планарный контакт, сформированный на противоположной стороне образца, позволяет использовать всю толщину d полупроводника в качестве активной области. В отличие от матричного прототипа, один из верхних контактов заземлен и играет роль экранирующего электрода. При этом эффект разделения зарядов снижается, а эффективность сбора заряда увеличивается, что улучшает энергетическое разрешение датчика.

Техническое решение поясняется рисунками.

На фиг. 1 приведена схема полупроводникового сенсорного элемента детектора. Цифрами обозначены: 1 - полуизолирующая структура HR GaAs:Cr; 2 - верхние металлические контакты; 3 - изолирующий слой диоксида кремния; 4 - площадка для ультразвуковой микросварки; 5 - нижний металлический контакт. Верхние контакты 2 представляют собой встречно штыревую систему (ВШС), сформированную на облучаемой поверхности. Нижний контакт 5 является сплошным.

На фиг. 2 показана схема облучения HR GaAs:Cr детектора. Направление излучения показано стрелкой. Цифрами обозначены: 6 - сенсорный элемент датчика; 7 - контактные площадки для монтажа электродов; 8 - электроды для подключения напряжения смещения; 9 - корпус.

На фиг. 3. показана блок-схема измерительной установки.

Сенсорный элемент заявленного датчика выполнен на основе высокорезистивного полупроводника HR GaAs:Cr. Толщина активной области не превышает 500 мкм, металлические контакты

В частном случае воплощения полезной модели упомянутые элементы датчика (фиг. 2) могут быть выполнены из следующих материалов: 2 - слой ванадия толщиной 50 нм сформирован методом электронно-лучевого напыления с использованием методов фотолитографии, 3 - пассивирующий слой диоксида кремния толщиной 250 нм сформирован с помощью метода высокочастотного магнетронного распыления. 4 - слой алюминия толщиной 1,2 мкм создан методом магнетронного распыления 5 - слой никелида ванадия толщиной 1 мкм нанесен методом электронно-лучевого напыления. Изготовленная структура размещена в металлическом корпусе, экранирующем внешние наводки. Три проволочных электрода 8 соединены с контактными площадками 7 методом ультразвуковой микросварки и выведены из корпуса.

Было проведено компьютерное моделирование напряженности электрического поля чувствительного элемента, оборудованного трехэлектродной ВШС контактов. С помощью программы ELCUT проведен расчет напряженности поля в исследуемой структуре при шаге контактов b от 100 до 300 мкм. Результаты моделирования напряженности поля использовались далее в программной среде Mathcad для расчета формы импульса тока, эффективности сбора заряда и амплитудного спектра в зависимости от точки генерации электронно-дырочной пары при поглощении кванта излучения. Анализ полученных амплитудных спектров показал, что максимальное энергетическое разрешение достигается при b ≈ 0,5 d, где b - шаг ВШС контактов, d - толщина активной области полупроводника. Расчетные значения энергетического разрешения представлены в таблице 1.

Изготовлен опытный образец датчика и проведено экспериментальное исследование эффективности сбора заряда облучаемого детектора под действием гамма-квантов с энергией 34,8 кэВ при различных топологиях контактов на облучаемой поверхности. Облучение детектора проводилось при комнатной температуре с помощью изотопа ¹³³ Ва перпендикулярно поверхности сенсорного элемента. Схема измерительной установки показана на фиг. 3. Напряжение смещения в диапазоне U_cм=10 ÷ 150 В подавалось на один из верхних контактов 2 и на нижний контакт 5. Сигнал с облучаемого HR GaAs:Cr детектора поступал на измерительную часть установки (фиг. 3), включающей зарядочувствительный предусилитель, усилитель формирователь и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Оценка энергетического разрешения датчика проведена с помощью аппроксимации амплитудных спектров импульсов функцией Гаусса. Энергетическое разрешение рассчитывалось как отношение ΔЕ/Е (%), где ΔЕ - полная ширина на полувысоте пика, Е - энергия детектируемого излучения, определяемая по высоте пика в его центре. Результаты представлены в табл.2

Из таблицы 2 видно, что экспериментальные параметры превосходят расчетные параметры моделирования. Наилучшее энергетическое разрешение также достигается для детектора с шагом штыревых контактов ВШС, равным половине толщины активной области GaAs:Cr

На фиг. 4 в качестве примера проведено экспериментальное сравнение амплитудного спектра детектора заявленной топологии ВШС с шагом 250 мкм, с матричным датчиком планарной конструкции из того же материала, при одинаковых условиях облучения. Проведено исследование эффективности сбора заряда (ССЕ) детекторов, облучаемых гамма-квантами с энергией 34,8 кэВ в диапазоне напряжений смещения U_cм=10 ÷ 150 В. Напряжение смещения U_cм ~150 В обеспечивает дрейф электронной компоненты заряда, формируемого поглощенным квантом излучения, с максимальной скоростью Модуляция электрического поля трехэлектродной ВШС контактов уменьшает влияние эффекта разделения зарядов, повышает эффективность сбора индуцированных зарядов и практически вдвое улучшает энергетическое разрешение датчика по сравнению с датчиком - прототипом. Это подтверждает решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата.

Источники информации:

1. Tull C.R. [et al.], High efficiency silicon X-ray detectors // 2003 IEEE Nuclear Science Symposium. Conference Record (IEEE Cat. No.03CH37515). -2003.

2. Panth R. [et al.], Characterization of high-purity germanium detectors with amorphous germanium contacts in cryogenic liquids // - European Physical Journal C. - 2020. - 80:667

3. Информация о Ge детекторах компании Miron technologies. Открытый источник https://www.mirion.com/products/germanium-detectors. (обращение 25 января 2023)

4. Таблица характеристического излучения элементов. Открытый источник. http://skuld.bmsc.washington.edu/scatter/AS_periodic.html (обращение 25 января 2023)

5. Budnitsky D. [et al.], Chromium-compensated GaAs detector material and sensors // Journal of Instrumentation. - 2014. - V.9 C07011.

6. Ayzenshtat G.I. [et al.], GaAs X-ray coordinate detectors // Nuclear Instruments and Methods. - 2001. - A466 162.

7. Tyazhev A. [et al.], Investigation of the current-voltage characteristics, the electric field distribution and the charge collection efficiency in X-ray sensors based on chromium compensated gallium arsenide // SPIE Conference Proceedings. - 2014. - 9213 9210G. Chsherbakov I. [et al.], GaAs:Cr X-ray sensors noise characteristics investigation by means of amplitude spectrum analysis // Journal of Instrumentation. - 2017. - V. 12 C02016.

8. A. Lozinskaya [et al.], Influence of temperature on the energy resolution of sensors based on HR GaAs:Cr // Journal of Instrumentation. - 2021. V. 16 P02026.

9. Barrett H.H. Charge transport in arrays of semiconductor gamma-ray detectors / H.H. Barrett, J.D. Eskin, H.B. Barber // Physical Review Letters. - 1995. - V.75. - P. 156-159.

10. Hamann E. Characterization of high resistivity GaAs as sensor material for photon counting semiconductor pixel detectors.: Ph.D. thesis. / Uni Freiburg. Freiburg, 2013. - 232 p.

Claims (1)

1. Полупроводниковый детектор рентгеновского излучения с высоким энергетическим разрешением, содержащий чувствительный элемент на основе высокорезистивного арсенида галлия, компенсированного хромом, отличающийся тем, что чувствительный элемент HR GaAs:Cr оборудован трехэлектродной системой металлических контактов, два из которых расположены на облучаемой поверхности чувствительного элемента, и сформированы в виде встречно-штыревой системы с шагом b, равным половине толщины активной области полупроводника d, причем один из контактов заземлен, на второй подано напряжение положительной полярности, а на третий контакт, сформированный в виде сплошной площадки на обратной поверхности чувствительного элемента, подано отрицательное напряжение.