RU221951U1 - Координатный чувствительный элемент быстродействующего детектора потока электронов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области полупроводниковой электронной техники и может быть использована для создания быстродействующих координатных детекторов потоков электронов на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs p-i-n диодов. Сущность полезной модели заключается в том, что координатный полупроводниковый чувствительный элемент детектора потока электронов содержит индивидуальные диодные пиксели гетероэпитаксиальной структуры, содержащей последовательно расположенные слои: подложку-носитель с массивом адресных контактов, соединенные через массив индивидуальных токопроводящих контактов с многослойной эпитаксиальной гетероструктурой AlGaAs/GaAs с p-i-n диодной структурой и общим металлическим контактным слоем в виде сетки, при этом гетероструктура разделена на пиксели площадью не более 50 х 50 мкм². Многослойная эпитаксиальная гетероструктура AlGaAs/GaAs с p-i-n диодной структурой может включать в себя последовательно расположенные нижний контактный слой GaAs; тыльный потенциальный барьер AlGaAs; активную область, включающую в себя эмиттер GaAs одного типа носителей, базу GaAs, эмиттер GaAs второго типа носителей; слой широкозонного окна AlGaAs и верхний контактный слой GaAs. Активная область гетероструктуры в составе эмиттера одного типа носителей, базы и эмиттера второго типа носителей может иметь общую толщину не менее 500 нм, при этом толщина широкозонного окна AlGaAs не должна превышать 20 нм. Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение быстродействия координатного чувствительного элемента детектора, регистрирующего потоки электронов с энергиями в диапазоне от 1 до 10 кэВ. 1з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области полупроводниковой электронной техники и может быть использована для создания быстродействующих координатных детекторов потоков электронов на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs p-i-n диодов.

В ряде радиоэлектронных приложений, связанных с вакуумной эмиссионной техникой, а также физикой высоких энергий, требуется детектирование, а также количественное измерение потока заряженных частиц, основными из которых являются электроны. Детекторы и измерители электронного потока представляют собой устройства, задачей которых является преобразование падающего на них потоков электронов в электрический сигнал, который затем может быть считан радиоэлектронными устройствами, в частности электронно-вычислительными машинами (ЭВМ). Одной из задач, которую решает детектор электронного потока, является усиление сигнала от входящего потока электронов за счет использования эффектов пропорционального умножения сигнала, природа которых зависит от физических принципов, лежащих в работе конкретного изделия. В зависимости от конструктивной реализации детекторы электронного потока могут характеризоваться различными выходными параметрами, такими как коэффициент умножения, уровень шума, скорость считывания, пространственное разрешение и пр. Особо востребованы координатные детекторы, позволяющие проводить визуализацию и количественное определение пространственного распределения потока электронов.

Известны реализации детекторов потока электронов в составе более сложных устройств, выполненных с использованием вакуумной эмиссионной технологии. Известно изобретение (RU2476952), назначение которого заключается в создании электронно-оптического преобразователя для детектирования инфракрасного излучения низкой интенсивности. Принцип работы детектора основан на преобразовании оптического излучения с помощью фотокатода в поток электронов, усилении потока и его регистрации.

Известно изобретение - детектор вторичной электронной эмиссии, созданный для исследования состояния поверхности материалов методами вторичной электронной эмиссии (RU2552596). Сущность изобретения заключается в том, что детектор вторичной электронной эмиссии включает электростатический селектор электронов по энергиям, регистратор электронов, установленный на выходе из селектора и содержащий последовательно расположенные сцинтиллятор в виде слоя люминофора с управляющей металлической сеткой и фотоэлектронный умножитель с входным светопроникающим окном, при этом слой люминофора нанесен на поверхность входного светопроникающего окна фотоэлектронного умножителя, а управляющая сетка размещена внутри этого слоя, при этом толщина сетки не превышает толщины слоя люминофора, а ее геометрическая прозрачность составляет 0,6…0,9. Технический результат заключается в повышении чувствительности детектора, а также обеспечении возможности регистрации разделения электронов по диапазонам энергий.

Для реализации координатного разрешения (определения пространственного распределения потока электронов) чувствительную часть детектора разделяют на отдельные независимые элементы (пиксели). При этом, в общую конструкцию, как указано в примерах выше, входит элемент, преобразующий поток заряженных частиц или высокоэнергетического излучения в свет - люминофор.

Известна полезная модель (RU190405), которая относится к области сегментированных детекторных модулей, в которой для регистрации ионизирующих излучений применяется рентгенография с использованием тормозного излучения от частиц высоких энергий для анализа внутренней структуры высокоплотных оптически непрозрачных объектов. Система регистрации теневых рентгеновских изображений содержит координатный экран-преобразователь, состоящий из прилегающих боковыми поверхностями кристаллов-сцинтилляторов, которые изолированы друг от друга светоотражающим материалом, при этом каждый кристалл-сцинтиллятор снабжен собственным спектросмещающим оптическим волокном и фотоприемником, количество и взаимное расположение кристаллов-сцинтилляторов соответствует количеству и взаимному расположению фотоприемников, а спектросмещающее оптическое волокно каждого из кристаллов-сцинтилляторов соединено оптическим волокном с соответствующим ему по расположению фотоприемником. Технический результат заключается в повышении качества получаемых изображений исследуемого объекта, а также продлении срока службы регистрирующей аппаратуры.

Известна полезная модель, относящаяся к области радиографии, детектированию ядерных излучений, неразрушающему контролю материалов и изделий радиационными методами (RU84137). Техническим результатом является повышение координатного разрешения при регистрации различных видов проникающего излучения: тепловых и быстрых нейтронов, рентгеновских и гамма лучей. Технический результат достигается за счет того, что координатный экран-преобразователь ионизирующего излучения, содержащий люминесцентный материал в матричных каналах, выполнен в виде микроканальной пластины с непрозрачными для света стенками каналов, заполненных сцинтиллятором, при этом оси каналов микроканальной пластины перпендикулярны ее поверхности, одна из поверхностей микроканальной пластины покрыта светоотражающим материалом, а каналы заполнены порошковым люминофором состава Gd2O2S:Tb(Eu) или жидким сцинтиллятором, или полимерным сцинтиллятором.

Известно изобретение (RU2494416), использующееся при неразрушающем контроле в промышленности, для обеспечения безопасности при осмотре личного имущества, в физике высоких энергий. Сцинтиллятор для детектирования нейтронов содержит кристалл фторида металла из ряда, включающего LiCaAlF6, LiSrAlF6, LiYF4, служащий в качестве координатной матрицы, в котором содержание атомов 6Li в единице объема лежит в диапазоне от 1,1 до 20 атом/нм3. Кристалл состоит из атомов, имеющих эффективный атомный номер от 10 до 40, и содержит, по меньшей мере, один вид лантаноида, выбранного из группы, состоящей из церия, празеодима и европия. Нейтронный детектор содержит указанный сцинтиллятор и фотодетектор. Сцинтиллятор имеет высокую чувствительность к нейтронному излучению и пониженный фоновый шум, связанный с γ-лучами.

Известна полезная модель (RU174980), суть которой заключается в защите смежных элементов линейного координатного приемника от рассеянного рентгеновского излучения. Технический результат полезной модели выражается в повышении контраста цифрового рентгеновского изображения. Данный технический результат достигается за счет того, что в детекторе рентгеновского излучения, содержащем щелевой коллиматор, в створе щелевого канала которого находится линейный координатный приемник полупроводникового типа, каждый из элементов которого имеет сцинтиллятор и фотодиод, соединенный с цифровым преобразователем электрического сигнала, в каждом элементе координатного приемника сцинтиллятор заключен в ячейку квадратной формы, стенки которой изготовлены из металла с высоким атомным номером толщиной 0,5-1,0 мкм. Предложенная конструкция детектора рентгеновского излучения обеспечивает надежную защиту кристаллических сцинтилляторов от воздействия бокового рассеянного рентгеновского излучения, что приводит к повышению контрастности рентгеновского изображения.

В качестве общих для представленных изобретений особенностей можно отметить высокую чувствительность детекторов к высокоэнергетическому излучению, заряженным и нейтральным частицам (нейтронам). В качестве основных недостатков следует отметить конструктивную сложность устройств, а также ограничения на предельную рабочую частоту, что связано с использованием люминофоров, которые как правило имеют длительные времена послесвечения. В случае необходимости использования детекторов для регистрации быстрых процессов требуется оптимизация люминофорного покрытия, либо удаление слоя люминофора.

В качестве ближайшего аналога заявляемой полезной модели можно выделить патент на изобретение (RU2532241), посвященный созданию монолитного быстродействующего координатного детектора ионизирующих частиц, электрическая схема которого содержит координатную матрицу пикселей, состоящую из двухэмиттерных биполярных транзисторов с общим коллектором, при этом первые эмиттеры транзисторов подключены к разрядным координатным шинам строк Xj, а вторые эмиттеры, соответственно, к разрядным координатным шинам столбцов Yj, которые подсоединены к транзисторам периферийных усилительных и кодирующих электронных схем, подсоединенных к соответствующим адресным шинам строк Zj и столбцов Wj, при этом, координатные шины Xj и Yj матрицы пикселей подсоединены к базам биполярных транзисторов с общим коллектором, периферийных усилительных и кодирующих электронных схем. В одном из вариантов реализации изобретения конструкция содержит в полупроводниковой подложке 1-го типа проводимости, которая является общей коллекторной областью биполярных транзисторов, в которой расположены области базы пикселей матрицы детектора 2-го типа проводимости, в которых расположены области первого и второго эмиттеров 1-го типа проводимости, на которых расположены соответствующие электроды, соответственно подсоединенные к разрядным координатным шинам Xj и Yj, которые, в свою очередь, подсоединены к транзисторам периферийных усилительных и кодирующих электронных схем подсоединенных к соответствующим адресным шинам строк Zj и столбцов Wj, при этом разрядные координатные шины Xj и Yj подсоединены к базам соответствующих биполярных транзисторов периферийных усилительных и кодирующих электронных схем, при этом их коллектор также является общей коллекторной областью, образуемой подложкой 1-ого типа проводимости. В одном из вариантов реализации изобретения детектор состоит из одной строки пиксель одноэмиттерных транзисторов, эмиттеры которых подключены к координатным шины Yj, которые, соответственно, подсоединены к базам биполярных транзисторов с общим коллектором, периферийных усилительных и кодирующих электронных схем. Технический результат достигается за счет использования оригинальной схемотехники детектора, в которой используются только биполярные транзисторы, включенные по схеме с общим коллектором, также за счет функционально-интегрированной монолитной конструкции детектора, где полупроводниковая подложка, в которой генерируются носители заряда, является одновременно общей коллекторной областью биполярных структур транзисторов. Преимущество данного изобретения заключается в использовании активной полупроводниковой структуры в роли детектора высокоэнергетичных частиц, что положительно влияет на быстродействие. В качестве недостатков можно, во-первых, отметить выполнение активной области изделия из кремния, что ограничивает предельную дозу облучения и срок эксплуатации изделия ввиду образования радиационных дефектов в кремнии, которые влияют на рабочие характеристики прибора. Вторым недостатком является наличие достаточно толстых слоев легированных областей, что несущественно для исследования высокоэнергетичных частиц, но неприменимо для детектирования, например, электронных потоков с энергиями 1-3 кэВ.

Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание чувствительного элемента быстродействующего координатного детектора электронных потоков, в котором за счет обеспечения непосредственного пропорционального преобразования потока электронов в электрический ток в полупроводниковой диодной структуре, достигается способность работы на высоких частотах модуляции электронного потока.

Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что координатный полупроводниковый чувствительный элемент детектора потока электронов содержит индивидуальные диодные пиксели гетероэпитаксиальной структуры, содержащей последовательно расположенные слои: подложку-носитель с массивом адресных контактов, соединенные через массив индивидуальных токопроводящих контактов с многослойной эпитаксиальной гетероструктурой AlGaAs/GaAs с p-i-n диодной структурой и общим металлическим контактным слоем в виде сетки, при этом гетероструктура разделена на пиксели площадью не более 50 х 50 мкм². Многослойная эпитаксиальная гетероструктура AlGaAs/GaAs с p-i-n диодной структурой может включать в себя последовательно расположенные нижний контактный слой GaAs; тыльный потенциальный барьер AlGaAs; активную область, включающую в себя эмиттер GaAs одного типа носителей, базу GaAs, эмиттер GaAs второго типа носителей; слой широкозонного окна AlGaAs и верхний контактный слой GaAs. Активная область гетероструктуры в составе эмиттера одного типа носителей, базы и эмиттера второго типа носителей может иметь общую толщину не менее 500 нм, при этом толщина широкозонного окна AlGaAs не должна превышать 20 нм.

Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение быстродействия координатного чувствительного элемента детектора, регистрирующего потоки электронов с энергиями в диапазоне от 1 до 10 кэВ. Технический результат заявляемой полезной модели достигается за счет того, что в качестве активной области в конструкции чувствительного элемента детектора электронного потока выступает координатная матрица AlGaAs/GaAs p-i-n диодов (без использования люминофора). Такая конструкция обеспечивает высокую скорость отклика диодной структуры на изменение параметров потока электронов, а также высокое координатное разрешение чувствительного элемента детектора благодаря отсутствию эффекта перехвата излучения люминофора соседними пикселями.

На прилагаемых чертежах дано:

Фиг 1 - Схематическое изображение (а) эпитаксиальной гетероструктуры на ростовой подложке; (б) конструкции координатного чувствительного элемента детектора потока электронов.

Фиг 2 - График зависимости темпа рождения электрон-дырочных пар от расстояния до лицевой поверхности детектора для различных энергий налетающих электронов.

На чертежах используются следующие обозначения:

1 - Ростовая подложка.

2 - Технологический выглаживающий слой.

3 - Стоп-слой AlGaAs.

4 - Контактный слой GaAs одного типа носителей.

5 - Широзонное окно AlGaAs.

6 - Эмиттер GaAs одного типа носителей.

7- База GaAs.

8 - Эмиттер GaAs другого типа носителей.

9 - Тыльный потенциальный барьер AlGaAs.

10 - Контактный слой GaAs другого типа носителей.

11 - Активная область эпитаксиальной гетероструктуры.

12 - Эпитаксиальная гетероструктура без технологического выглаживающего слоя.

13 - Массив индивидуальных токопроводящих контактов.

14 - Общий металлический контактный слой в виде сетки.

15 - Массив адресных металлических контактов.

16 - Подложка-носитель.

Чувствительный элемент детектора электронного потока выполнен на базе многослойной эпитаксиальной гетероструктуры AlGaAs/GaAs с p-i-n диодной структурой (фиг. 1а), включающей в свой состав последовательно расположенные слои: технологический выглаживающий слой 2, стоп-слой AlGaAs 3, контактный слой GaAs одного типа носителей 4, широкозонное окно AlGaAs 5, эмиттер GaAs одного типа носителей 6, базу GaAs 7, эмиттер GaAs другого типа носителей 8, тыльный потенциальный барьер AlGaAs 9 и контактный слой GaAs 10 другого типа носителей. При этом эмиттер GaAs одного типа носителей 6, база GaAs 7, эмиттер GaAs другого типа носителей 8 образуют активную область детектора 11. Благодаря высокой устойчивости GaAs и AlGaAs к формированию радиационных дефектов при их облучении заряженными частицами, AlGaAs/GaAs p-i-n диод не требует использования люминофора для промежуточного преобразования электронных потоков в излучение с последующим его поглощением, что снимает ограничения на скорость работы детектора из-за послесвечения люминофора. С использованием методов постростовых технологий в объеме активной области чувствительного элемента детектора формируются электрически изолированные детекторные элементы (пиксели, фиг. 1б), которые за счет малой электрической емкости способны работать на высоких частотах. Для обеспечения высокой квантовой эффективности работы чувствительного элемента детектора, достижения требуемого уровня электропроводности токоведущих дорожек и увеличения доли использования рабочей поверхности, лицевая сторона диодной структуры монтируется на вспомогательную подложку-носитель 16 с сформированной электрической разводкой адресных металлических контактов 15. После этого ростовая подложка 1, на которой ранее формировалась диодная гетероструктура, удаляется методом селективного химического травления. Для детектирования потоков медленных электронов с кинетической энергией от 1 до 10 кэВ, толщина слоя широкозонного окна устройства выбирается как можно меньшей и должна составлять не более 20 нм (фиг. 1), при этом толщина активной области составляет более 500 нм для уменьшения емкости всей структуры и увеличения быстродействия детектора. Методами постростовых технологий формируются контакты: с одной стороны - массив индивидуальных токопроводящих контактов 13, с другой - общий металлический контактный слой в виде сетки 14.

Для эпитаксиального синтеза используется GaAs подложка 1, подготовленная для эпитаксии. Подложка распаковывается и незамедлительно загружается в установку эпитаксиального синтеза (например, установку молекулярно-пучковой эпитаксии), где проводится ее предварительный отжиг при температуре 250-300°С для удаления с ее поверхности конденсированных паров воды. Затем подложка 1 помещается в ростовую камеру установки эпитаксии, где проводится процедура нагрева подложки 1, сгона оксидного слоя и контроль качества поверхности подложки 1.

Для формирования p-i-n диодной структуры, являющейся активной областью 11 чувствительного элемента детектора, выбираются режимы синтеза, потоки материалов, температура подложки для обеспечения формирования слоев, обладающих требуемым составом, типом и уровнем легирования в соответствии с геометрией AlGaAs/GaAs эпитаксиальной гетероструктуры. Эпитаксиальная гетероструктура последовательно содержит технологический слой GaAs для выглаживания ростовой поверхности 2 после сгона оксидного слоя, стоп-слой 3 InGaP или AlGaAs для селективного травления, контактный слой GaAs одного типа носителей 4, широзонное окно AlGaAs 5, эмиттер GaAs одного типа носителей 6, базу GaAs 7, эмиттер GaAs другого типа носителей 8, тыльный потенциальный барьер AlGaAs 9 и контактный слой GaAs другого типа носителей 10. После синтеза ростовая подложка 1 охлаждается и далее извлекается из установки эпитаксии. Пример реализации подобной многослойной эпитаксиальной гетероструктуры AlGaAs/GaAs с p-i-n диодной структурой приведен в таблице 1.

Таблица 1. Многослойная эпитаксиальная гетероструктура AlGaAs/GaAs с p-i-n диодной структурой
Наименование слоя	Материал	Толщина
Контактный слой другого типа носителей	GaAs	300 нм
Тыльный потенциальный барьер	AlGaAs	50 нм
Эмиттер другого типа носителей	GaAs	50 нм
База	GaAs	500 нм
Эмиттер одного типа носителей	GaAs	50 нм
Широзонное окно	AlGaAs	20 нм
Контактный слой одного типа носителей	GaAs	300 нм
Стоп-слой	AlGaAs	50 нм
Технологический выглаживающий слой	GaAs	500 нм
Ростовая подложка	GaAs	300 мкм

Далее ростовая подложка 1 с эпитаксиальной гетероструктурой AlGaAs/GaAs подвергается процедуре постростовой обработки. На лицевой стороне эпитаксиальной гетероструктуры с использованием методов фотолитографии формируется маска из резиста, рисунок которой соответствует будущему расположению массиву отдельных индивидуальных токопроводящих контактов 13. С помощью методов жидкостной химии проводится травление активной области 11 гетероэпитаксиальной гетероструктуры, в том числе тыльного потенциального барьера AlGaAs 9 и контактного слоя GaAs другого типа носителей 10 для того чтобы сформировать индивидуальные диодные пиксели (поз. 6-10, фиг. 1) гетероэпитаксиальной структуры. На следующем этапе методами фотолитографии, термического напыления металлов в вакууме и быстрого термического отжига проводится формирование токопроводящих контактов 13 для координатного детектирования электронных потоков. Также, методами фотолитографии и напыления в вакууме на отдельной подложке-носителе 16 формируется массив адресных металлических контактов 15, в качестве которой может быть использована группа электрически-независимых контактов или микросхема, для последующего сопряжения подложки-носителя с эпитаксиальной гетероструктурой. После чего проводится процедура защиты периферии эпитаксиальной структуры химически стойким полимером и жидкостное селективное удаление ростовой подложки 1 включая технологический выглаживающий слой 2. Для формирования ответного контакта со стороны удалённой ростовой подложки 1 проводится травление по стоп-слоя AlGaAs 3 и контактного слоя GaAs одного типа носителей 4 по фоторезистной маске вплоть до широзонного окна AlGaAs 5. Завершающим этапом является формирование общего металлического контактного слоя в виде сетки 14 к текстурированному стоп-слою AlGaAs 3. Схематично результат постростовой обработки представлен на фиг. 1б.

Принцип работы рассматриваемого чувствительного элемента детектора потока электронов основан на эффекте неупругого рассеяния падающих электронов в активной области полупроводниковой гетероструктуры, что приводит к рождению вторичных электронов, рентгеновского излучения и электрон-дырочных пар. В рассматриваемой конструкции чувствительного элемента детектора происходит регистрация электрон-дырочных пар, рожденных в слоях полупроводниковой p-i-n диодной структуры AlGaAs/GaAs, которые за счет наличия электрического поля разделяются, обеспечивая протекание электрического тока в цепи. При этом, как показывают результаты численного моделирования (фиг. 2), глубина формирования электрон-дырочных пар зависит от энергии первичных электронов пучка, падающего на чувствительный элемент детектора. Установлено, что с ростом энергии электронов область генерации электрон-дырочных пар смещается вглубь диодной структуры к активной области, что приводит к росту эффективности работы детектора. При этом, для детектирования потоков электронов с энергией в диапазоне 1-10 кэВ, толщина широкозонного окна должна быть не более 20 нм. В этом случае область рождения электрон-дырочных пар входит в активную область p-i-n диодной структуры. Быстродействие и предельная рабочая частота чувствительного элемента детектора зависят от электрической емкости p-i-n диодной структуры и сопротивления токоведущих металлических дорожек. В рамках данной полезной модели предлагается использовать толщину нелегированной области p-i-n диодной структуры, равной 500 нм, и площадью пикселей 50х50 мкм, что соответствует величине емкости порядка 0,5 пФ. Данный уровень емкости с учетом типичных величин сопротивления токоведущих металлических дорожек гарантирует работу измерителя на более высокой частоте.

Claims (2)

1. Координатный полупроводниковый чувствительный элемент детектора потока электронов, отличающийся тем, что содержит индивидуальные диодные пиксели гетероэпитаксиальной структуры, содержащей последовательно расположенные слои: подложку-носитель с массивом адресных контактов, соединенные через массив индивидуальных токопроводящих контактов с многослойной эпитаксиальной гетероструктурой AlGaAs/GaAs с p-i-n диодной структурой и общим металлическим контактным слоем в виде сетки, при этом гетероструктура разделена на пиксели площадью не более 50×50 мкм², активная область гетероструктуры в составе эмиттера одного типа носителей, базы и эмиттера второго типа носителей имеет общую толщину не менее 500 нм, толщина широкозонного окна AlGaAs не превышает 20 нм.

2. Чувствительный элемент детектора по п. 1, отличающийся тем, что многослойная эпитаксиальная гетероструктура AlGaAs/GaAs с p-i-n диодной структурой включает в себя последовательно расположенные нижний контактный слой GaAs; тыльный потенциальный барьер AlGaAs; активную область, включающую в себя эмиттер GaAs одного типа носителей, базу GaAs, эмиттер GaAs второго типа носителей; слой широкозонного окна AlGaAs и верхний контактный слой GaAs.