RU2551257C1 - Матричный сенсор ионизирующего излучения - Google Patents
Матричный сенсор ионизирующего излучения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2551257C1 RU2551257C1 RU2013158939/28A RU2013158939A RU2551257C1 RU 2551257 C1 RU2551257 C1 RU 2551257C1 RU 2013158939/28 A RU2013158939/28 A RU 2013158939/28A RU 2013158939 A RU2013158939 A RU 2013158939A RU 2551257 C1 RU2551257 C1 RU 2551257C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- substrate
- region
- windows
- regions
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title abstract description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title abstract description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 45
- 238000000637 aluminium metallisation Methods 0.000 claims abstract description 18
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 claims description 12
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 7
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 5
- 238000004857 zone melting Methods 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 4
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 5
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 abstract description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 4
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 abstract 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 18
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 9
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical group [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005442 electron-positron pair Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- OYLRFHLPEAGKJU-UHFFFAOYSA-N phosphane silicic acid Chemical compound P.[Si](O)(O)(O)O OYLRFHLPEAGKJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/115—Devices sensitive to very short wavelength, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation
Landscapes
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования ионизирующего излучения в электрический сигнал. Сущность изобретения заключается в том, что матричный сенсор (чувствительный элемент) ионизирующего излучения представляет собой p-i-n структуру, выполненную по планарной технологии. Сенсор содержит высокоомную подложку высокочистого БЗП кремния n-типа 1 проводимости, на лицевой (рабочей) стороне которой расположены p-области 2, 3, слой 4 (покрытие) из SiO, алюминиевая металлизация 5, пассивирующий (защитный) слой 6. P-области 2, занимающие большую часть площади поверхности, образуют чувствительную область сенсора. При этом количество p-областей 2, образующих чувствительную область сенсора, выполнено равным 2, где n=1÷8. По крайней мере, две p-области 3, выполненные в виде кольцеобразных элементов (охранных колец), расположены в нечувствительной области по периферии подложки вокруг сформированной p-областями 2 чувствительной области с обеспечением снижения величины поверхностного тока и плавного падения потенциала от чувствительной области к периферии прибора. В слое 4 SiOсформированы окна 7 для обеспечения контакта металла (алюминиевой металлизации) с p-областью; в пассивирующем слое над p-областью, расположенной в центральной части подложки, сформированы окна 8 для контактирования с p-n областями в процессе тестирования, и окна 9 для присоединения выводов. На подложке со стороны, противоположной лицевой поверхности, расположен слой n-области 10 и металла 11. Технический результат - расширение диапазона регистрируемых энергий, уменьшение габаритов и массы сенсора. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение 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, изобретение относится к полупроводниковым чувствительным элементам (сенсорам или детекторам), представляющим собой матрицу p-i-n-диодов, предназначенную для использования в различных системах измерения уровней радиации: дозиметрах, индикаторах превышения фона и радиометрах, в том числе 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.
Уровень техники
Полупроводниковые сенсоры 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 (чувствительный элемент) ионизующей частицы заряд, индуцированный в веществе счетчика, собирается на электродах.
Важной особенностью полупроводниковых счетчиков являются их малые габариты. Это сильно расширило возможности применения таких сенсоров не только в области физического эксперимента, но и в технике - в приборах технологического контроля и в медицине.
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 // Nuclear 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.
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.
Изобретение 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.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка матричного сенсора (чувствительного элемента) для регистрации ионизирующего излучения всех видов заряженных частиц и гамма квантов в широком диапазоне энергий и потоков.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является уменьшение времени измерения радиационного фона, значительное снижение размеров и массы сенсора, расширение диапазона регистрируемых энергий и возможность регистрации различных видов ионизирующего излучения при снижении уровня шумов и увеличении чувствительности сенсора.
Известно, что шумы зарядочувствительной считывающей электроники линейно зависят от емкости, подключенной к входам усилителя:
N=a+b∗C,
где N - уровень шума, а и b - постоянные коэффициенты, зависящие от параметров усилителя, С - входная емкостная нагрузка, причем, как правило, b∗C>а.
Известно также, что общая величина шума при сложении n сигналов определяется выражением:
Таким образом, при использовании n-канальной электроники считывания можно получить снижение общего шума до √n раз. В свою очередь, снижение шумов позволяет снизить энергетический порог регистрации и увеличить чувствительность системы: «сенсор - усилитель».
Заявляемый сенсор чувствителен ко всем видам ионизирующего излучения, за исключением нейтронов, нижняя граница энергии регистрируемых частиц не более 1000 эВ, а практически определяется уровнем шумов электроники считывания. Верхняя граница энергетического диапазона регистрации отсутствует, для высокоэнергетичных (релятивистских) частиц энерговыделение в сенсоре становится практически не зависящим от энергии, и средняя величина ионизационных потерь составляет 388 эВ/мкм, или для сенсора толщиной 500 мкм - 194 кэВ. Регистрация сигнала такого уровня не представляет какой-либо сложности для современной электроники.
Поставленная задача решается тем, что сенсор ионизирующего излучения представляет собой p-i-n структуру, выполненную по планарной технологии, содержащую высокоомную подложку высокочистого кремния бестигельной зонной плавки (БЗП) n-типа проводимости, на лицевой (рабочей) стороне которой сформированы:
- p-области методом ионной имплантации;
- выращен маскирующий слой SiO2;
- нанесена алюминиевая металлизация;
- нанесен пассивирующий (защитный) слой.
При этом, по крайней мере, две p-области расположены в центральной части подложки и занимают большую часть площади поверхности, образуя чувствительную область сенсора и, по крайней мере, две p-области выполнены в виде кольцеобразных элементов (охранных колец), концентрично расположенных в нечувствительной области по периферии подложки с возможностью 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 над p-областью, расположенной в центральной части подложки, сформированы окна для присоединения выводов. На подложке со стороны, противоположной лицевой поверхности, расположен слой n-области и металла.
Количество p-областей, образующих чувствительную область сенсора, выполнено равным 2n, где n=1÷8, при этом p-обрасти имеют, преимущественно, прямоугольную форму, выполнены гальванически не связанными между собой и равными по площади. Количество окон для присоединения выводов соответствует количеству данных p-областей.
Окна для присоединения выводов расположены по краям подложки в нечувствительной области подложки. При этом p-области, образующие чувствительную область сенсора, имеют профилированные участки по краям в виде выемок, обеспечивающих формирование неактивных зон для размещения окон для присоединения выводов.
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.
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) может быть 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 широком диапазоне. 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 (VПО): Vраб=VПО+20 В; напряжение пробоя, не менее - 2·VПО; темновой ток при рабочем напряжении, не более - 200 нА/см2; при этом измерения перечисленных параметров осуществляют при температуре 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.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлено заявляемое устройство - вид сверху, вариант выполнения сенсора с двумя чувствительными p-областями, образующими чувствительную область сенсора, 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 представлен вариант выполнения сенсора, в котором чувствительная область сенсора сформирована из восьми p-областей, вид сверху; на фиг.7 представлен разрез Д-Д фиг.6.
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 - окна для контактирования с p-n областью в процессе тестирования, расположенные в пассивирующем слое над p-областью центральной части каждого матричного элемента; 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 p-областей в виде выемок, обеспечивающих формирование неактивных зон для размещения окон 9 для присоединения выводов.
Осуществление изобретения
Заявляемый матричный сенсор (чувствительный элемент) ионизирующего излучения представляет собой p-i-n структуру, выполненную по планарной технологии. Сенсор содержит высокоомную подложку высокочистого кремния бестигельной зонной плавки (БЗП) n-типа (см. фиг.1-7) 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.
P-области 2, расположенные в центральной части подложки и занимающие большую часть площади поверхности, образуют чувствительную область сенсора. Количество таких p-областей может варьироваться от 2 до 128. Указанное число чувствительных независимых областей может быть и больше, их число определяется только разумной необходимостью понижения шумов и, соответственно, увеличением числа каналов считывания. Очевидно, что увеличение числа каналов считывания приводит к увеличению энергопотребления дозиметра-радиометра в целом и для бытовых приборов разумно ограничится небольшим числом элементов матрицы (4 или 8), для профессиональных или стационарных приборов с большой общей площадью датчика, где требуется высокая точность измерений, число каналов может быть существенно увеличено. Современный рынок электроники предлагает монокристальные усилители с количеством каналов до 128.
По крайней мере, две p-области 3, выполненные в виде кольцеобразных элементов (охранных колец), расположены в нечувствительной области по периферии подложки вокруг p-областей 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-областями; в пассивирующем слое над p-областями, расположенными в центральной части подложки, сформировано окно 8 для контактирования с каждой р-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.
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.
Окна 9 для присоединения выводов расположены в нечувствительной области подложки, при этом p-области 2 имеют 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.
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 мм, 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 (VПО) - Vраб=VПО+20 В; напряжение пробоя, не менее - 2·VПО; темновой ток при рабочем напряжении, не более - 200 нА/см2; при этом измерения перечисленных параметров осуществляют при температуре 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, изобретение может быть реализовано по технологии, близкой к представленной в публикациях Кеммера (Kemmer J. Fabrication of low noise silicon radiation detectors by the planar process // Nuclear 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 образующими 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.
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 1÷3%, 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.
Для проверки работоспособности сенсора были созданы опытные образцы с 2, 4 и 8 элементами, в которых 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. Плоский сигнальный p+-n переход представляет собой ионно-имплантированную p+область с повышенной концентрацией атомов бора. Вокруг плоского сигнального p+-n перехода, занимающегобольшую часть подложки (размер активной области составил - 10×10 мм2, при этом размер каждой p-области составил 50, 25 и 12,5 мм2, соответственно), 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 в см3) слой n+-10 толщиной 2÷4 мкм и слой алюминиевой металлизации 11 толщиной 0,9÷1,1 мкм.
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 мкм; 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.
Изготовленные устройства характеризовались следующими электрическими характеристиками:
Рабочий режим - обратное смещение при полном обеднении.
Рабочее напряжение определяется из значения напряжения полного обеднения (VПО)-Vраб=VПО+20 B;
Напряжение пробоя, не менее - 2·VПО;
Темновой ток при рабочем напряжении, не более - 200 нА/см2;
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.
Таким образом, изобретение 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 и пониженные шумовые характеристики.
Claims (10)
1. Сенсор ионизирующего излучения, представляющий собой p-i-n структуру, содержащую высокоомную подложку высокочистого кремния бестигельной зонной плавки (БЗП) n-типа проводимости, на лицевой (рабочей) стороне которой расположены p-области, а также маскирующее покрытие SiO2; алюминиевая металлизация; пассивирующий слой; на оборотной стороне подложки расположены высоколегированный слой n-области и алюминиевая металлизация;
при этом, по крайней мере, две p-области, образующие чувствительную область сенсора и занимающие большую часть площади поверхности подложки, выполнены, преимущественно, прямоугольными, гальванически не связанными между собой; по крайней мере, две p-области выполнены 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 SiO2 сформированы окна для обеспечения контакта металла с p-областями;
в пассивирующем слое над p-областями, образующими чувствительную область сенсора, сформированы окна для присоединения выводов.
при этом, по крайней мере, две p-области, образующие чувствительную область сенсора и занимающие большую часть площади поверхности подложки, выполнены, преимущественно, прямоугольными, гальванически не связанными между собой; по крайней мере, две p-области выполнены 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 SiO2 сформированы окна для обеспечения контакта металла с p-областями;
в пассивирующем слое над p-областями, образующими чувствительную область сенсора, сформированы окна для присоединения выводов.
2. Сенсор по п.1, характеризующийся тем, что p-области, образующие чувствительную область сенсора, выполнены равными по площади.
3. Сенсор по п.1, характеризующийся тем, что количество p-областей, образующих чувствительную область сенсора, выполнено равным 2n, где n=1÷8, при этом количество окон для присоединения выводов соответствует количеству данных p-областей.
4. Сенсор по п.1, характеризующийся тем, что конструктивные элементы выполнены по планарной технологии с использованием контактной фотолитографии.
5. Сенсор по п.1, характеризующийся тем, что суммарная площадь окон для обеспечения контакта металла с p-областью не превышает 1% площади поверхности чувствительной области сенсора для предотвращения диффузии алюминия в кремний.
6. Сенсор по п.1, характеризующийся тем, что окна для присоединения выводов расположены по краям подложки на нечувствительной области подложки, при этом p-области, образующие чувствительную область сенсора, имеют профилированные участки по краям в виде выемок, обеспечивающих формирование неактивных зон для размещения окон для присоединения выводов.
7. Сенсор по п.1, характеризующийся тем, что количество кольцеобразных элементов (охранных колец) выбрано равным 4, расположенных на расстоянии друг от друга, увеличивающемся от центра подложки к периферии.
8. Сенсор по п.1, характеризующийся тем, что 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, параметры указаны с допустимой погрешностью ±20%.
9. Сенсор по п.1, характеризующийся тем, что подложка 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.
10. Сенсор по п.9, характеризующийся тем, что он обеспечивает достижение следующих электрических характеристик: величину обратного смещения от 40÷200 В до достижения режима полного обеднения, в зависимости от удельного сопротивления и толщины сенсора; рабочий режим, характеризующийся обратным смещением при полном обеднении; рабочее напряжение (Vраб), определяемое из значения напряжения полного обеднения (VПО)-Vраб=VПО+20 В; напряжение пробоя, не менее - 2·VПО; темновой ток при рабочем напряжении, не более - 200 нА/см2; при этом измерения перечисленных параметров осуществляют при температуре 20±2°C.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013158939/28A RU2551257C1 (ru) | 2013-12-31 | 2013-12-31 | Матричный сенсор ионизирующего излучения |
| PCT/RU2014/000526 WO2015102517A1 (en) | 2013-12-31 | 2014-07-18 | Matrix sensor of ionizing radiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013158939/28A RU2551257C1 (ru) | 2013-12-31 | 2013-12-31 | Матричный сенсор ионизирующего излучения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2551257C1 true RU2551257C1 (ru) | 2015-05-20 |
Family
ID=53294349
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013158939/28A RU2551257C1 (ru) | 2013-12-31 | 2013-12-31 | Матричный сенсор ионизирующего излучения |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2551257C1 (ru) |
| WO (1) | WO2015102517A1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634324C1 (ru) * | 2016-05-18 | 2017-10-25 | Публичное акционерное общество "Интерсофт Евразия", ПАО "Интерсофт Евразия" | Сенсор ионизирующего излучения на основе кремния бестигельной зонной плавки р-типа проводимости |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10813607B2 (en) * | 2018-06-27 | 2020-10-27 | Prismatic Sensors Ab | X-ray sensor, method for constructing an x-ray sensor and an x-ray imaging system comprising such an x-ray sensor |
| CN115274912B (zh) * | 2022-08-01 | 2024-01-30 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | 高空间分辨率的x射线探测器单元、探测器及其制作方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090096046A1 (en) * | 2006-03-15 | 2009-04-16 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Semiconductor device for radiation detection |
| RU87569U1 (ru) * | 2009-06-25 | 2009-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН" | Германиевый планарный фотодиод |
| RU2387049C2 (ru) * | 2006-01-05 | 2010-04-20 | Артто АУРОЛА | Полупроводниковый детектор излучения, оптимизированный для обнаружения видимого света |
| EP2535740A1 (en) * | 2010-02-12 | 2012-12-19 | Consejo Superior De Investigaciones Científicas (CSIC) | Ionizing radiation detector sensitive to the 2d position |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3003391C2 (de) * | 1980-01-31 | 1984-08-30 | Josef Dipl.-Phys. Dr. 8041 Fahrenzhausen Kemmer | Strahlungsdetektor mit einem passivierten pn-Halbleiterübergang |
| RU2248012C2 (ru) * | 2002-06-21 | 2005-03-10 | Институт физико-технических проблем | Устройство для регистрации рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения |
-
2013
- 2013-12-31 RU RU2013158939/28A patent/RU2551257C1/ru not_active IP Right Cessation
-
2014
- 2014-07-18 WO PCT/RU2014/000526 patent/WO2015102517A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2387049C2 (ru) * | 2006-01-05 | 2010-04-20 | Артто АУРОЛА | Полупроводниковый детектор излучения, оптимизированный для обнаружения видимого света |
| US20090096046A1 (en) * | 2006-03-15 | 2009-04-16 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Semiconductor device for radiation detection |
| RU87569U1 (ru) * | 2009-06-25 | 2009-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН" | Германиевый планарный фотодиод |
| EP2535740A1 (en) * | 2010-02-12 | 2012-12-19 | Consejo Superior De Investigaciones Científicas (CSIC) | Ionizing radiation detector sensitive to the 2d position |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634324C1 (ru) * | 2016-05-18 | 2017-10-25 | Публичное акционерное общество "Интерсофт Евразия", ПАО "Интерсофт Евразия" | Сенсор ионизирующего излучения на основе кремния бестигельной зонной плавки р-типа проводимости |
| WO2017200416A1 (ru) * | 2016-05-18 | 2017-11-23 | Владимир Александрович Елин | Сенсор ионизирующего излучения на основе кремния бестигельной зонной плавки р-типа проводимости |
| US10797195B2 (en) | 2016-05-18 | 2020-10-06 | Publichnoe Aktsionernoe Obschestvo “Intersoft Evraziya” | Ionizing radiation sensor based on float-zone silicon with p-type conductivity |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2015102517A1 (en) | 2015-07-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2545502C2 (ru) | Сенсор ионизирующего излучения | |
| CN103261914B (zh) | 直接转换x射线探测器 | |
| JPS63193088A (ja) | 半導体放射線検出器 | |
| RU140489U1 (ru) | Чувствительный элемент ионизирующего излучения | |
| CN104221157B (zh) | 具有增强的伽玛辐射灵敏度的固态辐射探测器 | |
| Li et al. | Study of silicon pixel sensor for synchrotron radiation detection | |
| RU2551257C1 (ru) | Матричный сенсор ионизирующего излучения | |
| Bellinger et al. | Characteristics of 3D micro-structured semiconductor high efficiency neutron detectors | |
| US3564245A (en) | Integrated circuit multicell p-n junction radiation detectors with diodes to reduce capacitance of networks | |
| US10797195B2 (en) | Ionizing radiation sensor based on float-zone silicon with p-type conductivity | |
| Marrocchesi et al. | Charged particle detection with NUV-sensitive SiPM in a beam of relativistic ions | |
| Ohsugi et al. | Design and properties of the GLAST flight silicon micro-strip sensors | |
| RU2408955C1 (ru) | P-i-n-диодный преобразователь нейтронного излучения | |
| Bao et al. | CdZnTe quasi-hemispherical detector for gamma–neutron detection | |
| CN102636804A (zh) | 测量γ/X辐射场强度的方法及电流型半导体探测结构 | |
| WO2015026261A1 (en) | Ionizing radiation sensing element | |
| JP2001027674A (ja) | 中性子線量率計 | |
| Hutton et al. | Diamond-based radiation detectors for very high dose rate environments– | |
| Kalliopuska et al. | A novel silicon detector for neutral particle analysis in JET fusion research | |
| CN217306527U (zh) | 一种多段式阳极等间距分布的硅漂移室探测器 | |
| Moncaster et al. | A semiconductor monitor for nuclear radiations | |
| Srivastava et al. | Characterization of pin diode silicon radiation detector | |
| KR100458277B1 (ko) | 저저항 Ｓｉ 기판에서의 ＰＩＮ형 반도체 검출기 제작방법 | |
| Cho et al. | Fabrication of silicon PIN diode as proton energy detector | |
| Kalliopuska et al. | Overview on Measured Properties of VTT's Edgeless Detectors and their use in High Energy Physics |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170101 |