RU2578103C1

RU2578103C1 - Combined semiconductor receiver of electromagnetic emission

Info

Publication number: RU2578103C1
Application number: RU2014145095/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Геннадьевич Средин; Юлия Викторовна Васильева; Александр Васильевич Войцеховский
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2016-03-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: combined semiconductor receiver of electromagnetic emission includes coaxial channels registering optical and high-energy electromagnetic emission and it is developed on the basis of alternating epitaxial-matched layers of semiconductor materials sensitive in the respective spectral ranges with or without p-n junctions, the sensitive layers are placed at different sides of the substrate, thickness of the material sensitive to high-energy electromagnetic emission in the receiver is twice more than sensitive material of an optical detector; a layer of semiconductor material sensitive to high-energy electromagnetic emission is used as a filter locking emission of optical range, and on the basis of this material the optical detector of optical range is formed.

EFFECT: simplified design and expanded functionality is provided for the systems registering electromagnetic emission.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области техники детектирования сигналов с помощью полупроводниковых фотоприемников и может использоваться для регистрации электромагнитного излучения со сложным спектральным составом, содержащим излучение оптического и рентгеновского диапазонов для применения в астрономии, медицинской диагностике, средствах контроля за ядерными испытаниями и радиационной обстановки на местности, в датчиках исполнительных устройствах робототехники и т.д.The invention relates to the field of signal detection technology using semiconductor photodetectors and can be used to record electromagnetic radiation with a complex spectral composition containing radiation of the optical and x-ray ranges for use in astronomy, medical diagnostics, means of monitoring nuclear tests and radiation conditions on the ground, in sensors executive devices of robotics, etc.

Полупроводники обладают чувствительностью к электромагнитному излучению как оптического, включая инфракрасный (ИК), так и жесткого - рентгеновского и гамма-диапазонов спектра. Принцип действия полупроводниковых приемников основан на сборе носителей заряда - электронов и дырок, рождаемых поглощенным квантом излучения. В силу значительного различия энергии квантов оптического и рентгеновского диапазонов механизмы их взаимодействия с поглощающим веществом различны: кванты оптического излучения взаимодействуют с валентными электронами кристаллов, в то время как рентгеновские - с электронами внутренних электронных оболочек атомов. Тем ни менее известны полупроводниковые материалы, обладающие чувствительностью одновременно в обоих указанных диапазонах, например CdTe, Zn_xCd_1-xTe и другие. Однако использование одного кристалла для регистрации излучения сразу в двух указанных областях спектра невозможно из-за принципиальных ограничений, накладываемых требованиями к конструкции этих детекторов.Semiconductors are sensitive to electromagnetic radiation, both optical, including infrared (IR), and hard - x-ray and gamma-ray spectra. The principle of operation of semiconductor receivers is based on the collection of charge carriers - electrons and holes, generated by an absorbed radiation quantum. Due to the significant difference in the energy of the quanta of the optical and x-ray ranges, the mechanisms of their interaction with the absorbing substance are different: the quanta of optical radiation interact with the valence electrons of the crystals, while the x-ray ones interact with the electrons of the internal electron shells of atoms. Nevertheless, semiconductor materials are known having sensitivity simultaneously in both of these ranges, for example CdTe, Zn _x Cd _1-x Te, and others. However, the use of a single crystal for detecting radiation in two indicated spectral regions at once is impossible due to the fundamental limitations imposed by the design requirements of these detectors.

Известны полупроводниковые фотоприемники, способные регистрировать излучение одновременно в двух и более спектральных диапазонах, состоящие из нескольких фоточувствительных полупроводников. Например, в [1] представлена принципиальная схема такого приемника, содержащего две фоточувствительные площадки из полупроводниковых материалов. Причем первая из них имеет большую ширину запрещенной зоны E_g1, благодаря чему на вторую чувствительную полупроводниковую площадку попадает излучение с длинами волн λ₁>hc/E_g1 (с - скорость света в вакууме, h - постоянная Планка), которое содержится в спектре регистрируемого широкополосного сигнала. Поглощенное в чувствительных площадках излучение преобразуют в электрический сигнал, либо одним общим для площадок, либо независимыми электронными блоками обработки. Такой фотоприемник способен регистрировать излучение в диапазонах, простирающихся от длины волны λ₂=hc/E_g2 в коротковолновую область. Однако указанный выше и подобные им приемники регистрируют излучение в достаточно близких или вообще перекрывающихся областях спектра, как правило - оптических, и не обладают чувствительностью в жестком - рентгеновском и гамма-диапазонах, хотя последние содержат информацию, недоступную для оптического диапазона.Known semiconductor photodetectors capable of detecting radiation simultaneously in two or more spectral ranges, consisting of several photosensitive semiconductors. For example, in [1] a schematic diagram of such a receiver is presented, which contains two photosensitive pads of semiconductor materials. Moreover, the first of them has a large band gap E _g1 , due to which radiation with wavelengths λ ₁ > hc / E _g1 (c is the speed of light in vacuum, h is the Planck constant) gets into the second sensitive semiconductor circuit, which is contained in the spectrum of the recorded broadband signal. The radiation absorbed in sensitive sites is converted into an electrical signal, either by one common to the sites, or by independent electronic processing units. Such a photodetector is capable of detecting radiation in the ranges extending from the wavelength λ ₂ = hc / E _g2 to the short-wavelength region. However, the aforementioned and similar receivers detect radiation in rather close or generally overlapping spectral regions, usually optical ones, and do not have sensitivity in the hard X-ray and gamma ranges, although the latter contain information not available for the optical range.

Известны также способы регистрации рентгеновского и гамма-излучения с помощью полупроводниковых приемников [2]. Для этих целей используют полупроводниковые материалы, в состав которых входят атомы, характеризующиеся высокими значениями сечений поглощения рентгеновских и гамма-квантов, например CdTe [3]. На основе этих полупроводников создают устройства как фоторезистивного, так и фотодиодного типов [4]. При этом для исключения срабатывания приемника ионизирующего излучения от квантов оптического диапазона на чувствительную поверхность полупроводника наносят фильтр в виде тонкой металлической пленки, например из бериллия [5].There are also known methods of recording x-ray and gamma radiation using semiconductor receivers [2]. For these purposes, semiconductor materials are used, which include atoms characterized by high absorption cross-sections of x-ray and gamma rays, for example, CdTe [3]. Based on these semiconductors, devices of both photoresist and photodiode types are created [4]. In this case, to exclude the operation of the ionizing radiation detector from optical quanta, a filter in the form of a thin metal film, for example, from beryllium, is applied to the sensitive surface of the semiconductor [5].

При одновременной регистрации излучения от источника, содержащего как жесткую компоненту электромагнитного излучения, так и излучение оптического диапазона, используют детекторы различных типов, что приводит к необходимости создания независимых каналов с собственными фокусирующими системами и средствами регистрации, что усложняет конструкцию. При этом из-за наличия угла между осями каналов они имеют различающиеся поля наблюдения.While registering radiation from a source containing both a rigid component of electromagnetic radiation and radiation of the optical range, various types of detectors are used, which leads to the need to create independent channels with their own focusing systems and recording means, which complicates the design. Moreover, due to the presence of an angle between the axes of the channels, they have different observation fields.

Более близок по конструкции к предлагаемому многоканальный полупроводниковый приемник излучения, регистрирующий излучение в нескольких диапазонах, детекторы которого имеют общую оптическую ось [6]. Указанный приемник состоит из нескольких (трех) дискретных полупроводниковых детекторов различной толщины и из определенного материала, расположенных друг за другом, каждый из которых соединен с зарядочувствительным усилителем, компаратором, стречером-усилителем и аналогово-цифровым преобразователем. Регистрация сигналов автоматизировано за счет использования ЭВМ для индикации, запоминания и управления устройством.Closer in design to the proposed multichannel semiconductor radiation detector, detecting radiation in several ranges, the detectors of which have a common optical axis [6]. The specified receiver consists of several (three) discrete semiconductor detectors of various thicknesses and of a certain material located one after another, each of which is connected to a charge-sensitive amplifier, a comparator, a streamer-amplifier and an analog-to-digital converter. The registration of signals is automated through the use of computers for indicating, memorizing and controlling the device.

Недостатками аналога являются:The disadvantages of the analogue are:

1. Устройство предназначено для регистрации только ионизирующего излучения и не содержит канала регистрации оптического излучения, что существенно сокращает объем анализируемой с его помощью информации.1. The device is designed to record only ionizing radiation and does not contain a channel for recording optical radiation, which significantly reduces the amount of information analyzed with it.

2. Детектор построен на пространственно разнесенных пластинах различных полупроводниковых чувствительных материалов, что значительно увеличивает массогабаритные характеристики всего устройства и снижает его функциональность.2. The detector is built on spatially spaced plates of various semiconductor sensitive materials, which significantly increases the mass and size characteristics of the entire device and reduces its functionality.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому изобретению является полупроводниковый детектор [7], регистрирующий излучение одновременно в нескольких оптических диапазонах. Детектор [7] содержит несколько слоев эпитаксиально согласованных полупроводниковых материалов, которые наносят последовательно на общую подложку и располагают их по одну ее сторону. Подложка прозрачна для регистрируемого излучения, поэтому освещение детектора производят через нее. Ширина запрещенной зоны чувствительных слоев последовательно уменьшается по направлению от подложки. Поэтому первый чувствительный слой регистрирует излучение с максимальной энергией кванта. Чувствительные к излучению слои чередуют с контактными элементами. Последние имеют также электрический контакт с тыльной стороной чувствительных слоев. Напряжение смещения подают на подложку и контактные слои в виде индиевых столбиков. Такая конструкция контактов обеспечивает электронной схеме считывания сигнала независимый доступ к любому чувствительному элементу.The closest in design to the claimed invention is a semiconductor detector [7], detecting radiation simultaneously in several optical ranges. The detector [7] contains several layers of epitaxially matched semiconductor materials that are applied sequentially to a common substrate and placed on one side of it. The substrate is transparent to the detected radiation; therefore, the detector is illuminated through it. The band gap of the sensitive layers decreases sequentially in the direction from the substrate. Therefore, the first sensitive layer registers radiation with a maximum quantum energy. Sensitive to radiation layers alternate with contact elements. The latter also have electrical contact with the back of the sensitive layers. The bias voltage is applied to the substrate and the contact layers in the form of indium columns. This contact design provides electronic signal reading circuit independent access to any sensitive element.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

1. Отсутствие канала регистрации ионизирующего излучения и невозможность использовать в этих целях существующие фоточувствительные слои, т.к. для надежной регистрации жесткого электромагнитного излучения необходимы полупроводниковые приемники толщиной в несколько миллиметров, в то время как для регистрации оптического излучения достаточны толщины в 10-20 микрометров. Известные технологии не позволяют выращивать чувствительные слои необходимого качества столь различной толщины в последовательной композиции в рамках единого технологического цикла.1. The absence of a channel for recording ionizing radiation and the inability to use the existing photosensitive layers for these purposes. semiconductor detectors with a thickness of several millimeters are necessary for reliable registration of hard electromagnetic radiation, while thicknesses of 10-20 micrometers are sufficient for recording optical radiation. Known technologies do not allow to grow sensitive layers of the required quality of such various thicknesses in a sequential composition within a single technological cycle.

2. Последовательное расположение фоточувствительных слоев приводит к возникновению перекрестного влияния электрического смещения, подаваемого на отдельные слои. При регистрации ионизирующего излучения типичные значения напряжений смещения на полупроводниковых детекторах составляет десятки вольт, поэтому их использование совместно с полупроводниковыми детекторами видимого и инфракрасного диапазонов в конфигурации прототипа представляется невозможным из-за электрических наводок на последние.2. The sequential arrangement of the photosensitive layers leads to a cross-effect of the electric displacement applied to the individual layers. When registering ionizing radiation, the typical values of bias voltages on semiconductor detectors are tens of volts, so their use together with semiconductor detectors of the visible and infrared ranges in the configuration of the prototype seems impossible due to electrical interference on the latter.

Настоящее изобретение направлено на упрощение конструкции и расширение возможностей существующих систем регистрации электромагнитного излучения и устраняет недостатки аналогов и прототипа.The present invention is aimed at simplifying the design and expanding the capabilities of existing systems for recording electromagnetic radiation and eliminates the disadvantages of analogues and prototype.

Полупроводниковый комбинированный приемник электромагнитного излучения, регистрирующий как в инфракрасное, так и жесткое электромагнитное излучение, создают по планарной технологии с использованием эпитаксиально согласованных слоев. В отличие от известных технических решений детекторы ионизирующего и оптического излучения в настоящем приемнике располагают соосно на противоположных поверхностях подложки, обладающей диэлектрическими свойствами. Кроме того, в отличие от прототипа напряжение смещения на приемнике ионизирующего излучения прилагают параллельно поверхности подложки к торцам достаточно толстого чувствительного слоя. Такая конструкция аналогична плоскому конденсатору, благодаря чему стационарное электрическое поле не проникает в объем подложки. В результате достигают электрической развязки между приемниками оптического и ионизирующего излучения путем исключения взаимного влияния электрических смещений, которые подают на приемники. Кроме того, в предлагаемом многоканальном приемнике реализована оптическая развязка между каналами регистрации путем выбора в качестве материала для детектора оптического излучения узкозонного полупроводника с малым значением ширины запрещенной зоны. Благодаря этому оптическое излучение поглощается в узкозонном слое и не достигает детектора ионизирующего излучения, что предотвращает его ложное срабатывание от квантов оптического диапазона. Материал оптического детектора выбирают, в свою очередь, нечувствительным к ионизирующему излучению, в частности за счет существенно меньшей его толщины по сравнению с толщиной приемника ионизирующего излучения. Заявляемое устройство фактически осуществляет первичное спектральное разложение сигнала по различным диапазонам длин волн без использования диспергирующего элемента.A semiconductor combined receiver of electromagnetic radiation, recording both in infrared and hard electromagnetic radiation, is created according to planar technology using epitaxially matched layers. In contrast to the known technical solutions, ionizing and optical radiation detectors in the present receiver are arranged coaxially on opposite surfaces of a substrate having dielectric properties. In addition, unlike the prototype, a bias voltage at the ionizing radiation detector is applied parallel to the surface of the substrate to the ends of a sufficiently thick sensitive layer. This design is similar to a flat capacitor, so that a stationary electric field does not penetrate into the volume of the substrate. As a result, electrical isolation between the receivers of optical and ionizing radiation is achieved by eliminating the mutual influence of electrical displacements that are fed to the receivers. In addition, the proposed multi-channel receiver implements optical isolation between the registration channels by selecting a narrow-gap semiconductor with a small band gap as the material for the optical radiation detector. Due to this, optical radiation is absorbed in the narrow-gap layer and does not reach the ionizing radiation detector, which prevents its false operation from quanta in the optical range. The material of the optical detector is selected, in turn, insensitive to ionizing radiation, in particular due to its significantly smaller thickness compared to the thickness of the ionizing radiation receiver. The inventive device actually performs the primary spectral decomposition of the signal in different wavelength ranges without the use of a dispersing element.

Пример реализации. Полупроводниковый комбинированный приемник рентгеновского и инфракрасного излучения получен путем осаждения соответствующим методом (например, вакуумным термическим осаждением) слоя Zn_0.15Cd_0.85Te (точное значение химического состава x выбирают исходя из необходимости подгонки, либо удельного сопротивления, либо параметра решетки) на одну из сторон эпитаксиально согласованной подложки из CdTe. Этот приемник регистрирует рентгеновское излучение в диапазоне до 60 кэВ. С другой стороны подложки выращивают фоторезистивную структуру инфракрасного фотоприемника на основе твердого раствора Cd_xHg_1-xTe толщиной 10-20 мкм, молярный состав x которого выбирают в соответствии с задачами регистрации инфракрасного излучения: для диапазона 3-5 мкм используют состав с x=0.3, для диапазона 8-12 мкм - с x=0.2. Этот приемник может быть создан с использованием какого-либо иного технологического метода, например молекулярно-лучевой эпитаксией. Полупроводниковый комбинированный приемник освещают со стороны приемника ИК (оптического) излучения, который образует таким образом фильтр для оптического диапазона по отношению к детектору ионизирующего излучения.Implementation example. A semiconductor combined detector of x-ray and infrared radiation was obtained by deposition by an appropriate method (for example, vacuum thermal deposition) of a Zn _0.15 Cd _0.85 Te layer (the exact value of the chemical composition x is selected based on the need to fit either the resistivity or the lattice parameter) on one side epitaxially matched CdTe substrate. This receiver records x-rays in the range of up to 60 keV. On the other hand, the substrates grow a photoresistive structure of an infrared photodetector based on a Cd _x Hg _1-x Te solid solution with a thickness of 10-20 μm, the molar composition x of which is selected in accordance with the tasks of recording infrared radiation: for a range of 3-5 μm, a composition with x = 0.3, for the range of 8-12 microns - with x = 0.2. This receiver can be created using any other technological method, for example, molecular beam epitaxy. The semiconductor combined receiver is illuminated from the side of the IR (optical) radiation receiver, which thus forms a filter for the optical range with respect to the ionizing radiation detector.

Принципиальная схема комбинированного приемника представлена на фиг. 1. Толщина подложки (1) составляет 0.6-0.8 мм, толщина слоя твердого раствора теллуридов кадмия-цинка 1-1.5 мм (2), омические контакты из золота к нему (3) наносят на торцевую часть так, чтобы направление смещения было параллельно поверхности подложки. Благодаря такому выбору конфигурации приемника (аналог плоского конденсатора) стационарное электрическое поле из него не проникает в подложку. Толщина чувствительной структуры фоторезистора на основе Cd_xHg_1-xTe (4) составляет не более 30 мкм, поэтому поглощением ионизирующего излучения в нем можно пренебречь по сравнению со слоем Zn_0.15Cd_0.85Te. Освещение приемника (5) производят со стороны оптического приемника.A schematic diagram of a combined receiver is shown in FIG. 1. The thickness of the substrate (1) is 0.6-0.8 mm, the thickness of the cadmium-zinc telluride solid solution layer is 1-1.5 mm (2), the ohmic contacts made of gold to it (3) are applied to the end part so that the direction of displacement is parallel to the surface the substrate. Due to this choice of receiver configuration (analogue of a flat capacitor), a stationary electric field from it does not penetrate the substrate. The thickness of the sensitive structure of a Cd _x Hg _1-x Te (4) based photoresistor is no more than 30 μm; therefore, the absorption of ionizing radiation in it can be neglected in comparison with the Zn _0.15 Cd _0.85 Te layer. The illumination of the receiver (5) is produced from the side of the optical receiver.

Т.о. достигают полной независимости регистрации излучения в каналах, принадлежащих различным диапазонам, что создает возможность для одновременного и независимого их функционирования и сравнительного анализа сигналов.T.O. they achieve complete independence in registering radiation in channels belonging to different ranges, which makes it possible for their simultaneous and independent functioning and comparative analysis of signals.

Для повышения чувствительности приемник охлаждают до температуры кипения жидкого азота путем помещения в криостат, причем крепление приемника осуществляют путем механического и теплового контакта подложки с охлаждаемой криогенной системой площадкой, имеющей отверстие, через которое проходит оптическая ось системы.To increase the sensitivity, the receiver is cooled to the boiling point of liquid nitrogen by placing it in a cryostat, and the receiver is fixed by mechanical and thermal contact of the substrate with a cooled cryogenic system with a hole with a hole through which the optical axis of the system passes.

Путем выбора подходящих комбинаций чувствительных полупроводниковых материалов можно получить и другие варианты комбинированного приемника, регистрирующего излучение как в различных оптических диапазонах, так и в диапазонах жесткого ЭМ излучения.By choosing the appropriate combinations of sensitive semiconductor materials, one can also obtain other variants of a combined receiver that records radiation both in different optical ranges and in the ranges of hard EM radiation.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Norton P. Opto-Elecn. Review, 2002, v. 10, №3, p. 159-174.1. Norton P. Opto-Elecn. Review, 2002, v. 10, No. 3, p. 159-174.

2. Бараночников M.A. Приемники и детекторы излучений. 2012, ДМК Пресс, 634 с.2. Baranochnikov M.A. Radiation receivers and detectors. 2012, DMK Press, 634 p.

3. Полупроводниковый элемент-детектор излучения. Патент РФ 2281531 C2.3. A semiconductor element-detector of radiation. RF patent 2281531 C2.

4. Дворянкин В.Ф., Дворянкина Г.Г., Иванов Ю.М., Кудряшов А.А., Петров А.Г., Фотовольтаические детекторы рентгеновского излучения на основе кристаллов CdTe с p-n переходом. ЖТФ, 2010, т. 88, №7, с. 156-158.4. Dvoryankin VF, Dvoryankina GG, Ivanov Yu.M., Kudryashov AA, Petrov AG, Photovoltaic X-ray detectors based on CdTe crystals with p-n junction. ZhTF, 2010, v. 88, No. 7, p. 156-158.

5. Кульчицкий А.Н., Кульчицкий Н.А., Мельников А.А., Мельников О.А. Неохлаждаемые детекторы рентгеновского и гамма-излучения на основе кристаллов ZnCdTe. Труды XXII международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. 22.05.2012, М., 2012 г., с. 261-263.5. Kulchitsky A.N., Kulchitsky N.A., Melnikov A.A., Melnikov O.A. Uncooled X-ray and gamma-ray detectors based on ZnCdTe crystals. Proceedings of the XXII International Scientific and Technical Conference on Photoelectronics and Night Vision Devices. 05.22.2012, M., 2012, p. 261-263.

6. Спектрометр-дозиметр. Патент РФ 2029316 C1.6. Spectrometer dosimeter. RF patent 2029316 C1.

7. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. Пер. под ред. А.В. Войцеховского. Новосибирск. «Наука», 636 с., 2003, с. 435-438.7. Rogalsky A. Infrared detectors. Per. under the editorship of A.V. Wojciechowski. Novosibirsk “Science”, 636 p., 2003, p. 435-438.

Claims

A semiconductor combined electromagnetic radiation receiver, including coaxially arranged optical and hard electromagnetic radiation detection channels, created on the basis of alternating epitaxially matched layers of semiconductor materials sensitive in the corresponding spectral ranges with or without electron-hole transitions, characterized in that
- sensitive layers are placed on opposite sides of the substrate,
- the thickness of the receiver material sensitive to hard electromagnetic radiation is two orders of magnitude greater than that of the sensitive material of the photodetector,
- as a filter for a receiver of hard electromagnetic radiation that cuts off radiation in the optical range, a layer of semiconductor material sensitive to this radiation is used, on the basis of which an optical range photodetector is formed.