RU2797929C2 - X-ray and gamma-ray photodiode - Google Patents

X-ray and gamma-ray photodiode Download PDF

Info

Publication number
RU2797929C2
RU2797929C2 RU2019130429A RU2019130429A RU2797929C2 RU 2797929 C2 RU2797929 C2 RU 2797929C2 RU 2019130429 A RU2019130429 A RU 2019130429A RU 2019130429 A RU2019130429 A RU 2019130429A RU 2797929 C2 RU2797929 C2 RU 2797929C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ray
photodiode
gamma
rays
detector
Prior art date
Application number
RU2019130429A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2019130429A (en
RU2019130429A3 (en
Inventor
Анна Меган БАРНЕТТ
Сильвия БУТЕРА
Original Assignee
Дзе Юниверсити Оф Сассекс
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from GBGB1703196.4A external-priority patent/GB201703196D0/en
Application filed by Дзе Юниверсити Оф Сассекс filed Critical Дзе Юниверсити Оф Сассекс
Publication of RU2019130429A publication Critical patent/RU2019130429A/en
Publication of RU2019130429A3 publication Critical patent/RU2019130429A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2797929C2 publication Critical patent/RU2797929C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: detecting systems.
SUBSTANCE: group of inventions relates, in general, to photodiodes for the detection of photons of X-ray and gamma-radiation. A photodiode contains InGaP located and made with the possibility of absorption of X-ray radiation and/or gamma-radiation supplied to this photodiode, and generation of charge carriers in response to it.
EFFECT: increase in energy resolution of a detector.
20 cl, 4 tbl, 20 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Настоящее изобретение относится в целом к фотодиодам для обнаружения фотонов и, в частности, к фотодиоду, который обладает улучшенными характеристиками.The present invention relates generally to photodiodes for detecting photons, and in particular to a photodiode that has improved performance.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

Фотодиоды обычно используются в качестве детекторов рентгеновского излучения, гамма-излучения (γ-излучения) и других типов излучения. Большинство фотодиодов для областей применения, связанных с рентгеновским излучением и гамма-излучением, изготавливаются из кремния. В последнее время значительные усилия были затрачены в попытках разработки альтернативных материалов, которые, в отличие от кремния, были бы способны работать при высокой температуре и в окружающих средах с высокими уровнями излучения и которые были бы более эффективными (т.е. обнаруживали бы более высокую процентную долю падающего излучения). Были исследованы многие материалы, включая GaAs, AlGaAs, AlInP, SiC, CdTe и CdZnTe как одни из самых многообещающих. Тем не менее, было обнаружено, что все эти материалы подвержены значительным проблемам и ограничениям и обладают как преимуществами, так и недостатками. Например, хотя SiC является наиболее «современным» материалом для этих фотодиодов, способным работать при сравнительно высоких температурах и средах с высоким уровнем излучения, он является не более эффективным, чем кремний.Photodiodes are commonly used as detectors for x-rays, gamma rays (γ rays), and other types of radiation. Most photodiodes for X-ray and gamma ray applications are made from silicon. Recently, significant efforts have been expended in trying to develop alternative materials that, unlike silicon, would be able to operate at high temperatures and in environments with high levels of radiation and that would be more efficient (i.e., would detect a higher percentage of incident radiation). Many materials have been explored including GaAs, AlGaAs, AlInP, SiC, CdTe and CdZnTe as some of the most promising. However, all of these materials have been found to be subject to significant problems and limitations, and have both advantages and disadvantages. For example, while SiC is the most "state of the art" material for these photodiodes, capable of operating at relatively high temperatures and high radiation environments, it is no more efficient than silicon.

Желательно использовать фотодиоды, например, в спектрометрах со счетом фотонов рентгеновского излучения и гамма-излучения. Такие спектрометры требуются во многих областях применения в науке и промышленности. Например, в настоящее время существует большой коммерческий спрос на разработку детекторов для предотвращения контрабанды ядерных материалов (например, ядерного оружия, «грязных бомб» и т.п.). Однако требования к таким спектрометрам со счетом фотонов обуславливают крайне высокие требования к материалам, используемым в фотодиодах.It is desirable to use photodiodes, for example, in X-ray and gamma-ray photon counting spectrometers. Such spectrometers are required in many applications in science and industry. For example, there is currently a strong commercial demand for the development of detectors to prevent the smuggling of nuclear materials (eg nuclear weapons, dirty bombs, etc.). However, the requirements for such photon counting spectrometers place extremely high demands on the materials used in photodiodes.

Было бы желательно создать усовершенствованные фотодиоды.It would be desirable to create improved photodiodes.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION

В настоящем изобретении предложен фотодиод для использования при обнаружении рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, содержащий фосфид индия галлия InGaP, размещенный и выполненный с возможностью поглощения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, падающего на фотодиод, и генерирования носителей заряда в ответ на это.The present invention provides a photodiode for use in detecting x-rays and/or gamma rays, comprising indium gallium phosphide InGaP, positioned and configured to absorb x-rays and/or gamma rays incident on the photodiode and generate charge carriers in response to This.

Авторами изобретения было обнаружено, что использование InGaP (известного также как GaInP) в качестве активного материала в фотодиоде обеспечивает возможность использования фотодиода для обнаружения рентгеновского излучения и гамма-излучения. Это весьма неожиданно, поскольку InGaP представляет собой тернарное соединение фосфида индия InP и фосфида галлия GaP, в отношении обоих из которых известно, что они являются довольно неподходящими в качестве активных материалов для рентгеновских и гамма-лучевых фотодиодов. Например, в отношении GaP ранее было обнаружено, что он не является спектроскопическим при энергиях рентгеновского излучения, а в отношении InP ранее было обнаружено, что он является спектроскопическим при энергиях рентгеновского излучения лишь при низких температурах (≤-60°С). Поскольку InGaP представляет собой тернарное соединение InP и GaP, было принято считать, что характеристики InGaP будут еще хуже, чем у каждого из его бинарных эквивалентов.The inventors have found that the use of InGaP (also known as GaInP) as an active material in a photodiode allows the photodiode to be used to detect x-rays and gamma rays. This is quite surprising since InGaP is a ternary compound of indium phosphide InP and gallium phosphide GaP, both of which are known to be quite unsuitable as active materials for X-ray and gamma-ray photodiodes. For example, GaP was previously found not to be spectroscopic at X-ray energies, and InP was previously found to be spectroscopic at X-ray energies only at low temperatures (≤-60°C). Because InGaP is a ternary compound of InP and GaP, it has been assumed that InGaP performance will be even worse than either of its binary equivalents.

Использование InGaP-фотодиодов особенно полезно в рентгеновской спектроскопии и в рентгеновской спектроскопии со счетом фотонов. Было обнаружено, что InGaP-детекторы работают значительно лучше, чем соответствующие бинарные соединения GaP и InP, а также было обнаружено, что они обладают достаточно высоким энергетическим разрешением для обеспечения возможности рентгеновской спектроскопии со счетом ионов при комнатной температуре, что невозможно в устройствах на основе GaP и InP.The use of InGaP photodiodes is particularly useful in X-ray spectroscopy and in X-ray photon counting spectroscopy. InGaP detectors have been found to perform significantly better than the corresponding GaP and InP binary compounds, and have also been found to have sufficiently high energy resolution to enable room temperature X-ray ion counting spectroscopy, which is not possible in GaP based devices. and InP.

Кроме того, InGaP имеет низкий ток утечки, благодаря чему фотодиоды согласно вариантам осуществления, описанным в данном документе, имеют возможность работы при комнатной температуре и выше (т.е. ≥20°С) без использования систем охлаждения. Таким образом обеспечивается возможность создания системы обнаружения рентгеновского излучения и гамма-излучения, имеющей сравнительно малые массу, объем и потребляемую мощность. Следовательно, указанная система может быть сравнительно недорогой, компактной и нетребовательной к температуре и, благодаря этому, особенно полезной в таких областях применения, как, например, космонавтика или наземные области применения вне лабораторной среды (например, подводная разведка). Также предполагаются приборы, содержащие охлаждающие системы, с тем, чтобы была обеспечена возможность работы светодиода в средах с очень высокой температурой. Благодаря использованию InGaP, требуемый уровень охлаждения может быть нулевым или сравнительно низким, например, по сравнению с детектором на основе кремния.In addition, InGaP has a low leakage current, due to which the photodiodes according to the embodiments described herein have the ability to operate at room temperature and above (ie ≥20°C) without the use of cooling systems. Thus, it is possible to create an X-ray and gamma radiation detection system having a relatively small mass, volume and power consumption. Therefore, said system can be relatively inexpensive, compact and undemanding in terms of temperature and thus particularly useful in applications such as aerospace or terrestrial non-laboratory environments (eg underwater reconnaissance). Appliances containing cooling systems are also contemplated so as to allow operation of the LED in very high temperature environments. Due to the use of InGaP, the required level of cooling can be zero or relatively low, for example compared to a silicon-based detector.

Использование InGaP в фотодетекторе вместо других обычных полупроводниковых материалов, содержащих алюминий (таких как (AlInP), обеспечивает преимущество, состоящее в возможности исключения алюминия из детектора. Это является полезным, поскольку алюминий, как и кремний, часто представляет собой интересующий материал при планетарной и геологической рентгеновской флуоресцентной спектроскопии (X-ray fluorescence spectroscopy, XRF), и поэтому желательно исключить его из детектора с целью снижения сложности спектрального анализа благодаря удалению соответствующих линий из собственного флуоресцентного спектра детектора.The use of InGaP in the photodetector instead of other conventional aluminum-containing semiconductor materials (such as (AlInP) has the advantage of being able to eliminate aluminum from the detector. This is useful because aluminum, like silicon, is often a material of interest in planetary and geological X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), and therefore it is desirable to exclude it from the detector in order to reduce the complexity of the spectral analysis by removing the corresponding lines from the detector's own fluorescence spectrum.

Благодаря сравнительно высоким коэффициентам линейного ослабления рентгеновского излучения в InGaP (например, In0.5Ga0.5P) по сравнению с некоторыми другими материалами с широкой запрещенной зоной (например, GaAs, AlGaAs и AlInP), обеспечивается возможность изготовления сравнительно тонких InGaP-детекторов и возможность достижения улучшенных высокотемпературных характеристик вследствие не только широкой запрещенной зоны, но также и уменьшенного объема полупроводникового материала.Due to the relatively high linear X-ray attenuation coefficients in InGaP (for example, In 0.5 Ga 0.5 P) compared to some other wide bandgap materials (for example, GaAs, AlGaAs and AlInP), it is possible to manufacture relatively thin InGaP detectors and to achieve improved high temperature performance due not only to a wide bandgap, but also to a reduced volume of semiconductor material.

InGaP-фотодиоды также обеспечивают альтернативу GaAs, CdTe and CdZnTe при обнаружении жесткого рентгеновского излучения и гамма-излучения.InGaP photodiodes also provide an alternative to GaAs, CdTe and CdZnTe in hard X-ray and gamma ray detection.

Кроме того, InGaP может представлять собой структуру, совместимую с имеющимися в продаже положками, такими как GaAs-подложки, и может быть подвергнут обработке с использованием технологий, имеющихся в широкой продаже.In addition, InGaP may be a structure compatible with commercially available substrates such as GaAs substrates and may be processed using commercially available technologies.

В результате поглощения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения InGaP-материалом происходит фотогенерирование электронно-дырочных пар.As a result of the absorption of X-rays and/or gamma-rays by the InGaP material, photogeneration of electron-hole pairs occurs.

Фотодиод может содержать корпус или экран, расположенный и выполненный с возможностью предотвращения попадания фотонов, отличных от фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, на InGaP, и/или расположенный и выполненный с возможностью предотвращения попадания радиоактивных бета- и/или альфа-частиц на InGaP.The photodiode may include a housing or screen positioned and configured to prevent photons other than X-ray and/or gamma radiation photons from reaching the InGaP, and/or positioned and configured to prevent radioactive beta and/or alpha particles from entering. on InGaP.

Корпус или экран может быть выполнен с возможностью по существу предотвращения прохождения через него фотонов, имеющих частоту ниже, чем у фотонов рентгеновского излучения или гамма-излучения. Например, корпус или экран может быть расположен и выполнен с возможностью предотвращения попадания синего света на InGaP.The housing or shield may be configured to substantially prevent photons having a frequency lower than that of x-ray or gamma ray photons from passing through it. For example, the housing or screen may be positioned and configured to prevent blue light from reaching the InGaP.

Корпус или экран могут быть изготовлены из металла, в частности из металлической фольги. Например, фольга может представлять собой алюминиевую или бериллиевую фольгу. Тем не менее, предполагается, что могут использоваться и другие металлы или материалы.The housing or screen may be made of metal, in particular metal foil. For example, the foil may be aluminum or beryllium foil. However, it is contemplated that other metals or materials may be used.

Фотодиод может содержать PIN-переход или p-n-переход, образованный указанным InGaP.The photodiode may comprise a PIN junction or a p-n junction formed by said InGaP.

PIN-переход (например, р+-i-n+-переход) может быть образован не легированным слоем InGaP, расположенным непосредственно между р-легированным слоем InGaP и n-легированным слоем InGaP.A PIN junction (eg, p + -in + -junction) can be formed by an undoped InGaP layer located directly between the p-doped InGaP layer and the n-doped InGaP layer.

Включение внутреннего i-слоя в PIN-переход может использоваться для обеспечения сравнительно большой зоны обеднения и, следовательно, сравнительно большого объема для поглощения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения и генерирования носителей заряда.The inclusion of an internal i-layer in the PIN junction can be used to provide a relatively large depletion zone and therefore a relatively large volume for absorbing x-rays and/or gamma rays and generating charge carriers.

Тем не менее, предполагается также, что InGaP может быть выполнен в виде p-n-перехода. P-n-переход может быть образован р-легированным слоем InGaP, контактирующим с n-легированным слоем InGaP.However, it is also contemplated that InGaP can be implemented as a p-n junction. The p-n junction may be formed by a p-doped InGaP layer in contact with an n-doped InGaP layer.

I-слой PIN-перехода может иметь следующую толщину: ≥ 5 мкм, ≥ 10 мкм, ≥ 15 мкм, ≥ 20 мкм, ≥ 25 мкм, ≥ 30 мкм, ≥ 35 мкм, ≥ 40 мкм, ≥ 45 мкм или ≥ 50 мкм. Благодаря наличию такого сравнительно толстого i-слоя, обеспечивается возможность поглощения сравнительно высокой процентной доли падающего рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, так что генерируется сравнительно большое количество носителей заряда, и фотодиод является сравнительно эффективным при генерировании тока на основе рентгеновского излучения и/или гамма-излучения.The I-layer of the PIN junction can have the following thickness: ≥ 5 µm, ≥ 10 µm, ≥ 15 µm, ≥ 20 µm, ≥ 25 µm, ≥ 30 µm, ≥ 35 µm, ≥ 40 µm, ≥ 45 µm or ≥ 50 µm . By having such a relatively thick i-layer, it is possible to absorb a relatively high percentage of incident X-rays and/or gamma rays, so that a relatively large number of charge carriers are generated, and the photodiode is relatively efficient at generating current based on X-rays and/or gamma radiation.

Р-слой и/или n-слой PIN-перехода могут иметь следующую толщину: ≤ 0,5 мкм, ≤ 0,4 мкм, ≤ 0,3 мкм, ≤ 0,2 мкм или ≤ 0,1 мкм. Благодаря наличию таких сравнительно тонких слоев, ограничивается поглощение рентгеновского излучения и/или гамма-излучения этими слоями. Например, если р-слой (или n-слой) расположен стой стороны перехода, которая обращена к источнику рентгеновского излучения или гамма-излучения, то благодаря использованию сравнительно тонкого р-слоя (или n-слоя) будет поглощаться сравнительно малая процентная доля фотонов, особенно фотонов с более низкой энергией, так что обеспечивается возможность прохождения более высокой процентной доли падающего рентгеновского излучения и/или гамма-излучения внутрь i-слоя PIN-перехода для поглощения в нем и генерирования носителей заряда (хотя в настоящем изобретении предполагается, что часть р-слоя также может активно вносить вклад в генерирование полезных носителей заряда). Если n-слой (или p-слой) расположен стой стороны перехода, которая обращена в противоположную сторону от источника рентгеновского излучения или гамма-излучения, то использование сравнительно тонкого n-слоя (или p-слоя) будет снижать поглощение фотонов и, следовательно, накопление парциального заряда из этого слоя. В результате обеспечивается возможность, например, улучшения спектральной характеристики прибора.The p-layer and/or the n-layer of the PIN junction may have the following thickness: ≤ 0.5 μm, ≤ 0.4 μm, ≤ 0.3 μm, ≤ 0.2 μm, or ≤ 0.1 μm. Due to the presence of such relatively thin layers, the absorption of x-rays and/or gamma rays by these layers is limited. For example, if the p-layer (or n-layer) is located on the opposite side of the junction that faces the X-ray or gamma-ray source, then due to the use of a relatively thin p-layer (or n-layer), a relatively small percentage of photons will be absorbed, especially lower energy photons, so that a higher percentage of incident x-rays and/or gamma rays can pass into the i-layer of the PIN junction to be absorbed therein and generate charge carriers (although it is assumed in the present invention that part p -layer can also actively contribute to the generation of useful charge carriers). If the n-layer (or p-layer) is located on the opposite side of the transition, which is facing away from the X-ray or gamma-ray source, then using a relatively thin n-layer (or p-layer) will reduce the absorption of photons and, therefore, accumulation of partial charge from this layer. As a result, it is possible, for example, to improve the spectral response of the instrument.

Фотодиод может содержать электроды с обеих сторон PIN-перехода или p-n-перехода для подачи напряжения на переход и/или для измерения фотогенерируемых носителей заряда, генерируемых в переходе, причем по меньшей мере один из электродов не покрывает участок той стороны перехода, на которой он расположен, так что обеспечивается возможность прохождения рентгеновского излучения или гамма-излучения внутрь перехода через указанную сторону без прохождения через указанный по меньшей мере один электрод.The photodiode may include electrodes on both sides of the PIN junction or p-n junction for applying voltage to the junction and/or for measuring photogenerated charge carriers generated in the junction, wherein at least one of the electrodes does not cover a portion of that side of the junction on which it is located so that it is possible for X-rays or gamma rays to pass inside the transition through said side without passing through said at least one electrode.

Указанный по меньшей мере один переход может быть кольцевым, иметь отверстие, иметь выемку или быть встречно-штыревым с тем, чтобы не покрывать полностью указанную сторону и обеспечивать возможность прохождения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения внутрь перехода без прохождения через материал, образующий указанный электрод.Said at least one junction may be annular, have a hole, have a notch, or be interdigitated so as not to completely cover said side and allow X-rays and/or gamma rays to pass into the junction without passing through the material forming said electrode.

Фотодиод может содержать источник напряжения, выполненный и настроенный с возможностью подачи напряжения обратного смещения на указанный PIN-переход или p-n-переход, причем указанное напряжение составляет ≥ 2 В, ≥ 3 В, ≥ 4 В, ≥ 4,5 В или ≥ 5 В. Благодаря подаче такого напряжения обратного смещения, обеспечивается возможность создания сравнительно большой глубины обеднения, поскольку оно вытесняет свободные носители заряда из i-слоя. Таким образом обеспечивается также возможность достижения сравнительно низкого шума для некоторых источников шума и возможность достижения сравнительно высокого разрешения, например, при использовании фотодиода в рентгеновском и/или гамма-лучевом спектрометре. Тем не менее, также предполагается, что возможно отсутствие подачи обратного смещения.The photodiode may include a voltage source configured and configured to supply a reverse bias voltage to the specified PIN junction or p-n junction, and the specified voltage is ≥ 2 V, ≥ 3 V, ≥ 4 V, ≥ 4.5 V or ≥ 5 V By applying such a reverse bias voltage, it is possible to create a relatively large depletion depth as it displaces free charge carriers from the i-layer. In this way, it is also possible to achieve relatively low noise for some noise sources and to achieve relatively high resolution, for example when using a photodiode in an X-ray and/or gamma-ray spectrometer. However, it is also contemplated that there may be no reverse bias applied.

InGaP может представлять собой кристаллическую структуру с структурным составом In0.5Ga0.5P. Такой состав InGaP обеспечивает возможность того, что данный материал будет совместимым по структуре с обычными подложками, такими как GaAs, и выращиваться на них. Указанные пропорции также обеспечивают возможность выращивания InGaP с высоким качеством кристаллов и/или со сравнительно большой толщиной. Это особенно полезно, поскольку, как описано выше, может быть желательным создание сравнительно толстого слоя InGaP с целью повышения вероятности того, что каждый из фотонов данного рентгеновского излучения или гамма-излучения будет поглощен в данном материале.InGaP may be a crystal structure with a structural composition of In 0.5 Ga 0.5 P. This composition of InGaP allows the material to be structurally compatible with and grow on conventional substrates such as GaAs. These proportions also make it possible to grow InGaP with high crystal quality and/or relatively large thicknesses. This is particularly useful because, as described above, it may be desirable to create a relatively thick layer of InGaP in order to increase the likelihood that each of the photons of a given x-ray or gamma ray will be absorbed in a given material.

Тем не менее, предполагается, что InGaP-материал может представлять собой кристаллическую структуру со структурным составом InxGa1-xP, где x - значение, отличное от 0,5.However, it is contemplated that the InGaP material may be a crystal structure with a structural composition of In x Ga 1-x P, where x is a value other than 0.5.

InGaP может быть выполнен на подложке, желательно полупроводниковой подложке, такой как GaAs.InGaP can be made on a substrate, preferably a semiconductor substrate such as GaAs.

Фотодиод может иметь мезадиодную структуру.The photodiode may have a mesadiode structure.

Фотодиод может содержать один или более слоев для образования электрического контакта с каждой стороны InGaP-материала. Например, указанные один или более слоев могут включать по меньшей мере один металлический слой и/или по меньшей мере один полупроводниковый слой. Примеры металлических слоев включают золото и титан. Примеры полупроводникового слоя включают InGe.The photodiode may include one or more layers to form electrical contact on each side of the InGaP material. For example, said one or more layers may include at least one metal layer and/or at least one semiconductor layer. Examples of metal layers include gold and titanium. Examples of the semiconductor layer include InGe.

Между указанными одним или более слоями для образования электрических контактов и слоем InGaP может быть выполнен связующий слой для обеспечения возможности хорошей связи электрических контактов со слоем InGaP. Связующий слой может представлять собой полупроводник, такой как GaAs. Один или более связующих слоев могут представлять собой подложку, на которой выполнен InGaP.Between said one or more electrical contact layers and the InGaP layer, a tie layer may be provided to enable good communication of the electrical contacts with the InGaP layer. The bonding layer may be a semiconductor such as GaAs. One or more tie layers may be a substrate on which the InGaP is made.

InGaP-материал может быть обеспечен внутри по существу плоской структуры, и эта плоская структура может содержать контакты Шоттки, или возможна ионная имплантация в устройство для формирования областей электрического сопротивления.The InGaP material may be provided within a substantially planar structure, and the planar structure may contain Schottky contacts, or ion implantation into the device to form electrical resistance regions is possible.

Ионная имплантация может быть осуществлена таким образом, чтобы были образованы области электрического сопротивления, которые электрически изолируют участки полупроводниковой пластины. Например, если выполнено множество диодных структур, то возможна ионная имплантация для образования областей, которые предотвращают рассеяние напряжения, подаваемого на одну диодную структуру, по смежным диодам.Ion implantation can be carried out in such a way that regions of electrical resistance are formed which electrically isolate portions of the semiconductor wafer. For example, if a plurality of diode structures are provided, then ion implantation is possible to form regions that prevent the voltage applied to one diode structure from dissipating across adjacent diodes.

Фотодиод может представлять собой диод с лавинным пробоем или диод без лавинного пробоя.The photodiode may be an avalanche diode or a non-avalanche diode.

Фотодиод желательно представляет собой монокристаллический InGaP-детектор, т.е. InGaP желательно присутствует в виде одинарной структуры InGaP. Тем не менее, также предполагается, что InGaP-материал может быть поликристаллическим, т.е. содержать множество кристаллов в материале, возможно, имеющих произвольные ориентации.The photodiode is desirably a single crystal InGaP detector, i. The InGaP is desirably present as a single InGaP structure. However, it is also contemplated that the InGaP material may be polycrystalline, i. contain a plurality of crystals in the material, possibly having arbitrary orientations.

Фотодиод может содержать гетероструктуру, образованную из слоев или областей разных полупроводников и, следовательно, содержащую гетеропереходы. Как описано выше, InGaP-материал поглощает рентгеновское излучение и/или фотоны с генерированием носителей заряда, хотя также могут быть включены другие полупроводниковые слои для других функций. Например, слой еще одного полупроводника (например, AlInP) может быть включен для приема носителей заряда из InGaP-материала и генерирования вторичных носителей заряда, например для увеличения количества носителей заряда и образования фотодиода с лавинным пробоем. Тем не менее, также предполагается, что InGaP-фотодиод может содержать один или более гомопереходов с тем, чтобы был обеспечен лавинный эффект.The photodiode may contain a heterostructure formed from layers or regions of different semiconductors and, therefore, containing heterojunctions. As described above, the InGaP material absorbs x-rays and/or photons to generate charge carriers, although other semiconductor layers for other functions may also be included. For example, a layer of another semiconductor (eg, AlInP) may be included to receive charge carriers from the InGaP material and generate secondary charge carriers, such as to increase the number of charge carriers and form an avalanche photodiode. However, it is also contemplated that the InGaP photodiode may contain one or more homojunctions so that an avalanche effect is provided.

В настоящем изобретении также предложен рентгеновский или гамма-лучевой детектор, содержащий фотодиод, описанный в данном документе, и электронную схему для обработки электрического сигнала, генерируемого указанным фотодиодом, для определения того, обусловлен ли указанный электрический сигнал по меньшей мере частично генерированием указанных фотогенерируемых носителей заряда.The present invention also provides an X-ray or gamma-ray detector comprising a photodiode as described herein and an electronic circuit for processing an electrical signal generated by said photodiode to determine if said electrical signal is due at least in part to the generation of said photogenerated charge carriers. .

Фотодиод образует часть схемы в детекторе, и указанная электронная схема может быть настроена и откалибрована с возможностью обнаружения сигнала, обусловленного генерированием указанных носителей заряда. Например, в режиме измерения тока возможно определение того, что участок сигнала, превышающий темновой ток, обусловлен рентгеновским излучением или гамма-излучением, принимаемым детектором.The photodiode forms part of the circuitry in the detector and said electronic circuitry can be tuned and calibrated to detect the signal due to the generation of said charge carriers. For example, in the current measurement mode, it is possible to determine that the part of the signal that exceeds the dark current is due to X-rays or gamma rays received by the detector.

В настоящем изобретении также предложен спектрометр со счетом фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, содержащий детектор, описанный в данном документе, и процессор, настроенный и выполненный с возможностью определения энергий отдельных фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, обнаруживаемых детектором, на основе указанного электрического сигнала, и/или с возможностью определения количества фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, обнаруживаемых детектором, на основе указанного сигнала.The present invention also provides an X-ray and/or gamma-ray photon counting spectrometer comprising the detector described herein and a processor configured and configured to determine the energies of individual X-ray and/or gamma-ray photons detected by the detector, based on said electrical signal, and/or with the ability to determine the number of x-ray and/or gamma ray photons detected by the detector based on said signal.

При спектроскопии со счетом фотонов, детектор может быть соединен с электронной схемой, обычно состоящей из зарядочувствительного предусилителя, формирующего усилителя, многоканального анализатора и компьютера. При поглощении фотонов рентгеновского излучения или гамма-излучения InGaP-материалом, в этом материале создается некоторый заряд (некоторое количество электронов и дырок). Величина создаваемого заряда пропорциональна энергии фотонов. Заряды поступают на контакты детектора, и во время их миграции, под действием их перемещения индуцируется заряд на контактах детектора. Один из контактов соединен с зарядочувствительным усилителем, и таким образом этот зарядочувствительный усилитель обнаруживает заряд на своем входе и преобразует его в импульс напряжения с большим временем спада, который пропорционален принимаемому им заряду. Формирующий усилитель принимает указанный импульс с большим временем спада (который имеет высокую скорость нарастания и низкую скорость спада) и изменяет форму этот импульса таким образом, чтобы облегчить его измерение в многоканальном анализаторе. Многоканальный анализатор принимает выходной сигнал формирующего усилителя, измеряет амплитуду импульса (которая пропорциональна энергии фотона) и строит гистограмму, состоящую из амплитуды этого импульса и других принятых импульсов, получая в результате спектр, который можно наблюдать на компьютере.In photon counting spectroscopy, the detector may be coupled to an electronic circuit, typically consisting of a charge-sensitive preamplifier, a shaping amplifier, a multichannel analyzer, and a computer. When X-ray or gamma-ray photons are absorbed by an InGaP material, a certain charge (a certain number of electrons and holes) is created in this material. The amount of charge created is proportional to the photon energy. The charges arrive at the detector contacts, and during their migration, under the action of their movement, a charge is induced on the detector contacts. One of the contacts is connected to a charge-sensitive amplifier, and thus this charge-sensitive amplifier detects the charge on its input and converts it into a voltage pulse with a long decay time, which is proportional to the charge it receives. The shaping amplifier takes the specified pulse with a long decay time (which has a high rise rate and a low fall rate) and changes the shape of this pulse in such a way as to make it easier to measure in a multichannel analyzer. The multichannel analyzer takes the output of the shaping amplifier, measures the amplitude of the pulse (which is proportional to the photon energy), and constructs a histogram consisting of the amplitude of that pulse and other received pulses, resulting in a spectrum that can be observed on a computer.

В настоящем изобретении также предложена система, содержащая источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, а также фотодиод, детектор или спектрометр, описанные в данном документе и предназначенные для обнаружения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения от указанного источника.The present invention also provides a system comprising an x-ray and/or gamma source and a photodiode, detector or spectrometer as described herein for detecting x-rays and/or gamma rays from said source.

Источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, на который ссылается данный документ, может представлять собой первичный источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, такой как источник радиоактивного излучения. В качестве альтернативы, источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, на который ссылается данный документ, может представлять собой источник флуоресцентного рентгеновского излучения и/или гамма-излучения. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения охватывают рентгеновскую и/или гамма-лучевую спектроскопию фотонов непосредственно от первичного источника, а также рентгеновскую и/или гамма-лучевую флуоресцентную спектроскопию.The source of x-rays and/or gamma rays referred to in this document may be a primary source of x-rays and/or gamma rays, such as a source of radioactive radiation. Alternatively, the x-ray and/or gamma source referred to in this document may be a fluorescent x-ray and/or gamma source. Thus, embodiments of the present invention cover X-ray and/or gamma-ray spectroscopy of photons directly from a primary source, as well as X-ray and/or gamma-ray fluorescence spectroscopy.

Система может представлять собой ядерную или радиоизотопную батарею, содержащую указанный источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения и указанный фотодиод для преобразования указанного рентгеновского излучения и/или гамма-излучения в электрический ток.The system may be a nuclear or radioisotope battery containing the specified x-ray and/or gamma radiation source and the specified photodiode for converting the specified x-ray and/or gamma radiation into electric current.

Фотодиод выполнен с возможностью работы в фотоэлектрическом режиме.The photodiode is configured to operate in the photoelectric mode.

Ядерная или радиоизотопная батарея может представлять собой ядерную или радиоизотопную микробатарею.The nuclear or radioisotope battery may be a nuclear or radioisotope microbattery.

Батарея может быть выполнена таким образом, чтобы большая часть или по существу весь генерируемый электрический ток (т.е. ток, отличный от темнового) поступал от фотодиода, преобразующего рентгеновское излучение и/или гамма-излучение от указанного источника в электрический ток, и не был обусловлен, например альфа- и бета-частицами.The battery may be configured such that most or substantially all of the generated electrical current (i.e., non-dark current) comes from a photodiode that converts x-rays and/or gamma rays from said source into electrical current, and not was due, for example, to alpha and beta particles.

Источник может представлять собой радиоактивный материал.The source may be radioactive material.

Источник и фотодиод могут быть помещены внутрь корпуса, причем указанный корпус при необходимости распложен и выполнен с возможностью по существу предотвращения выхода указанного рентгеновского излучения и/или гамма-излучения из источника.The source and the photodiode can be placed inside the housing, and the specified housing, if necessary, is located and is configured to essentially prevent the exit of the specified x-ray radiation and/or gamma radiation from the source.

Хотя источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения был описан как находящийся в одном корпусе с фотодиодом, в качестве альтернативы предполагается, что один или более таких источников могут не быть расположены в одном корпусе с фотодиодом. Например, фотодиод может принимать рентгеновское излучение и/или гамма-излучение из окружающей среды, в которой находится фотодиод. Предполагаются варианты осуществления, в которых источник представляет собой ядерные отходы, испускающие рентгеновское излучение и/или гамма-излучение, и фотодиод в батарее преобразует это излучение в электрическую величину.While the x-ray and/or gamma source has been described as being in the same package as the photodiode, it is alternatively contemplated that one or more such sources may not be located in the same package as the photodiode. For example, the photodiode may receive x-rays and/or gamma rays from the environment in which the photodiode is located. Embodiments are contemplated where the source is nuclear waste emitting x-rays and/or gamma rays and a photodiode in the battery converts this radiation into an electrical quantity.

Фотодиод может иметь любой из признаков, описанных в других местах данного документа. Тем не менее, на PIN-переход или на p-n-переход может подаваться нулевое или прямое смещение, а не обратное смещение.The photodiode may have any of the features described elsewhere in this document. However, a PIN junction or a p-n junction can be zero-biased or forward-biased rather than reverse-biased.

В настоящем изобретении также предложен способ обнаружения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, включающий этапы, на которых:The present invention also provides a method for detecting x-rays and/or gamma rays, comprising the steps of:

подвергают описанный в данном документе детектор рентгеновского излучения и/или гамма-излучения воздействию источника рентгеновского излучения и/или гамма-излучения; иsubjecting the x-ray and/or gamma ray detector described herein to an x-ray and/or gamma ray source; And

на основе сигнала, генерируемого фотодиодом, определяют прием детектором рентгеновского излучения и/или гамма-излучения.based on the signal generated by the photodiode, the detector's reception of x-rays and/or gamma rays is determined.

Указанным этапам способа могут предшествовать этапы, на которых выбирают указанный источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения и перемещают детектор в направлении указанного источника. Например, способ может намеренно использоваться для анализа конкретного источника, который был выбран.Said method steps may be preceded by steps in which said x-ray and/or gamma radiation source is selected and the detector is moved in the direction of said source. For example, the method may be intentionally used to analyze the particular source that has been selected.

Способ также может включать этап, на котором определяют наличие и/или местоположение указанного источника рентгеновского излучения и/или гамма-излучения с использованием детектора. Например, способ может использоваться для обнаружения ядерного или радиологического материала.The method may also include determining the presence and/or location of said x-ray and/or gamma source using a detector. For example, the method can be used to detect nuclear or radiological material.

В настоящем изобретении также предложен способ счета фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, включающий этапы, на которых:The present invention also provides a method for counting X-ray and/or gamma-ray photons, comprising the steps of:

подвергают описанный в данном документе рентгеновский и/или гамма-лучевой спектрометр воздействию источника рентгеновского излучения и/или гамма-излучения; иsubjecting the X-ray and/or gamma-ray spectrometer described herein to an X-ray and/or gamma-ray source; And

на основе электрического сигнала, генерируемого фотодиодом, определяют энергии отдельных фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, обнаруживаемых детектором, и/или определяют количество фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, которые были обнаружены детектором.based on the electrical signal generated by the photodiode, the energies of individual x-ray and/or gamma-ray photons detected by the detector are determined and/or the number of x-ray and/or gamma-ray photons detected by the detector is determined.

Различные устройства и способы, описанные в данном документе, могут использоваться в широком спектре различных областей применения, включая научные исследования, медицину, оборону, безопасность, обработку пищевых продуктов, космонавтику и т.п.The various devices and methods described herein may be used in a wide range of different applications, including scientific research, medicine, defense, security, food processing, aerospace, and the like.

Фотодиод, описанный в данном документе, может использоваться в указанном детекторе для рентгеновской спектроскопии/спектрометрии (например, рентгеновской флуоресцентной спектроскопии/спектрометрии).The photodiode described herein can be used in the specified detector for X-ray spectroscopy/spectrometry (for example, X-ray fluorescence spectroscopy/spectrometry).

Хотя фотодиод, детектор, спектрометр, система и способы описаны как используемые для обнаружения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения и/или используемые вместе с источником такого рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, предполагается, что эти приборы или способы обеспечивают возможность обнаружения других типов фотонов или обнаружения частиц, таких как электроны, ионы, альфа-частицы или бета-частицы.Although the photodiode, detector, spectrometer, system and methods are described as being used to detect x-rays and/or gamma rays and/or used in conjunction with a source of such x-rays and/or gamma rays, it is contemplated that these devices or methods provide the ability to detect other types of photons or detection of particles such as electrons, ions, alpha particles or beta particles.

Соответственно, в настоящем изобретении также предложен прибор для обнаружения фотонов или частиц, содержащий:Accordingly, the present invention also provides a device for detecting photons or particles, comprising:

диод, содержащий InGaP, расположенный и выполненный с возможностью поглощения указанных фотонов или частиц и/или взаимодействия с ними и генерирования носителей заряда в ответ на это; иa diode containing InGaP located and configured to absorb and/or interact with said photons or particles and generate charge carriers in response thereto; And

электронную схему для обработки электрического сигнала, генерируемого диодом, для определения того, обусловлен ли указанный электрический сигнал по меньшей мере частично генерированием указанных носителей заряда.an electronic circuit for processing the electrical signal generated by the diode to determine whether said electrical signal is due at least in part to the generation of said charge carriers.

Диод может иметь признаки фотодиода, описанные в данном документе, за исключением того, что диод может взаимодействовать с частицами или фотонами для генерирования носителей заряда.The diode may have the features of a photodiode as described herein, except that the diode may interact with particles or photons to generate charge carriers.

Прибор может содержать интерфейс пользователя, такой как дисплей или динамик, и контроллер для управления интерфейсом для информирования пользователя об обнаружении указанных фотонов или частиц.The instrument may include a user interface, such as a display or a speaker, and a controller for operating the interface to inform the user that said photons or particles have been detected.

В настоящем изобретении также предложен спектрометр со счетом фотонов или частиц, содержащий прибор, описанный в данном документе, и процессор, настроенный и выполненный с возможностью определения энергий отдельных фотонов или частиц, обнаруживаемых указанным прибором, на основе указанного электрического сигнала, и/или с возможностью определения количества фотонов или частиц, обнаруживаемых указанным прибором, на основе указанного сигнала.The present invention also provides a photon or particle counting spectrometer comprising the instrument described herein and a processor configured and configured to determine the energies of individual photons or particles detected by said instrument based on said electrical signal and/or capable of determining the number of photons or particles detected by said instrument based on said signal.

Спектрометр может выдавать данные об указанных энергиях или количествах на указанный интерфейс пользователя.The spectrometer can output specified energies or quantities to a specified user interface.

В настоящем изобретении также предложена система, содержащая источник фотонов или частиц и прибор или спектрометр, описанный в данном документе, для обнаружения фотонов или частиц от указанного источника.The present invention also provides a system comprising a photon or particle source and an instrument or spectrometer as described herein for detecting photons or particles from said source.

В настоящем изобретении также предложен способ обнаружения фотонов или частиц, включающий этапы, на которых:The present invention also provides a method for detecting photons or particles, comprising the steps of:

подвергают прибор, описанный в данном документе, воздействию источника указанных фотонов или частиц; иsubjecting the device described herein to a source of said photons or particles; And

на основе сигнала, генерируемого диодом, определяют, что фотоны или частицы приняты прибором.based on the signal generated by the diode, it is determined that photons or particles have been received by the instrument.

Способ может включать этап, на котором передают выходные данные на электронный интерфейс пользователя, такой как дисплей или динамик, для информирования пользователя об обнаружении указанных фотонов или частиц.The method may include transmitting output to an electronic user interface, such as a display or speaker, to inform the user that said photons or particles have been detected.

В настоящем изобретении также предложен способ счета фотонов или частиц, включающий этапы, на которых:The present invention also provides a method for counting photons or particles, comprising the steps of:

подвергают спектрометр, описанный в данном документе, воздействию источника фотонов или частиц; иsubjecting the spectrometer described herein to a source of photons or particles; And

на основе электрического сигнала, генерируемого диодом, определяют энергии отдельных фотонов или частиц, обнаруживаемых прибором, и/или определяют количество фотонов или частиц, которые обнаружены прибором. Хотя была описана ядерная батарея, которая использует фотодиод для преобразования рентгеновского излучения и/или гамма-излучения непосредственно в электрическую величину (с помощью InGaP), предполагается, что батарея может сначала осуществлять преобразование рентгеновского излучения и/или гамма-излучения в фотоны или частицы других типов, и эти фотоны или частицы других типов могут воздействовать на InGaP-материал для генерирования носителей заряда.based on the electrical signal generated by the diode, the energies of individual photons or particles detected by the instrument are determined and/or the number of photons or particles detected by the instrument is determined. Although a nuclear battery has been described that uses a photodiode to convert x-rays and/or gamma rays directly into an electrical quantity (using InGaP), it is contemplated that the battery may first convert x-rays and/or gamma rays into photons or other particles. types, and these photons or other types of particles can act on the InGaP material to generate charge carriers.

Соответственно, в настоящем изобретении также предложена ядерная или радиоизотопная батарея, содержащая:Accordingly, the present invention also provides a nuclear or radioisotope battery comprising:

преобразователь для поглощения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения или взаимодействия с ними и генерирования в ответ на это фотонов или частиц других типов; иa transducer for absorbing or interacting with x-rays and/or gamma rays and generating photons or other types of particles in response; And

диод, содержащий InGaP, расположенный с возможностью приема указанных фотонов или частиц и их преобразования в электрический ток.a diode containing InGaP disposed to receive said photons or particles and convert them into electric current.

Батарея может содержать источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, например, расположенный в одном корпусе с диодом, или, в качестве альтернативы, она может принимать рентгеновское излучение и/или гамма-излучение из локальной среды.The battery may contain an x-ray and/or gamma source, for example located in the same housing as the diode, or, alternatively, it may receive x-rays and/or gamma rays from the local environment.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Различные варианты осуществления будут далее описаны лишь на примерах со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:The various embodiments will now be described by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which:

на фиг. 1А-1В показано, каким образом токи, генерируемые двумя фотодиодами разного размера, меняются в зависимости от подаваемого обратного смещения;in fig. 1A-1B show how the currents generated by two differently sized photodiodes vary with applied reverse bias;

на фиг. 2А-2В показано, каким образом емкости двух фотодиодов разного размера меняются в зависимости от подаваемого обратного смещения;in fig. 2A-2B show how the capacitances of two different sized photodiodes vary with applied reverse bias;

на фиг. 3А-3В показано, каким образом глубина обеднения двух фотодиодов разного размера меняется в зависимости от подаваемого обратного смещения;in fig. 3A-3B show how the depletion depth of two photodiodes of different sizes varies with applied reverse bias;

на фиг. 4 показано, каким образом концентрация примеси в фотодиоде меняется в зависимости от глубины обеднения;in fig. 4 shows how the impurity concentration in a photodiode varies with the depletion depth;

на фиг. 5А-5В показаны спектры рентгеновского излучения, полученные с помощью двух фотодиодов разного размера;in fig. 5A-5B show X-ray spectra taken with two photodiodes of different sizes;

на фиг. 6А-6В показаны параллельный белый шум, последовательный белый шум и шум 1/f в зависимости от подаваемого обратного смещения для двух фотодиодов с разными размерами;in fig. 6A-6B show parallel white noise, series white noise, and 1/f noise as a function of applied reverse bias for two different sized photodiodes;

фиг. 7 показан эквивалентный шумовой заряд в зависимости от подаваемого обратного смещения для двух фотодиодов с разными размерами; иfig. 7 shows the equivalent noise charge versus applied reverse bias for two photodiodes of different sizes; And

на фиг. 8А-8В показано, каким образом эффективность обнаружения в PIN-структурах, имеющих слои разной толщины, меняется в зависимости от энергии фотонов, падающих на эти структуры.in fig. 8A-8B show how the detection efficiency in PIN structures having layers of different thicknesses varies with the energy of photons incident on these structures.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Далее лишь на примере будет описан иллюстративный вариант осуществления InGaP-фотодиода для содействия пониманию настоящего изобретения. Следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается включением всех из описанных слоев или конкретным составом различных слоев в данном примере.Hereinafter, an exemplary embodiment of an InGaP photodiode will be described by way of example only to facilitate understanding of the present invention. It should be borne in mind that the present invention is not limited to the inclusion of all of the described layers or the specific composition of the various layers in this example.

Со ссылками на приведенную ниже таблицу 1, показан пример фотодиода, содержащий девять слоев. In0.5Ga0.5P-пластина (слои 4-6 в таблице 1) была выращена методом газофазной эпитаксии из паров металлоорганических соединений (MOVPE) на n+-легированной GaAs-подложке (слой 7 в таблице 1) таким образом, что образована p+-i-n+-структура. Слои In0.5Ga0.5P-пластины были последовательно выращены на GaAs-подложке таким образом, что образован легированный кремнием n+-слой Ino0.5Ga0.5P, имеющий концентрацию примеси 2×1018 см-3 и толщину 0,1 мкм (слой 6 в таблице 1), затем образован внутренний слой In0.5Ga0.5P, не содержащий примеси и имеющий толщину 5 мкм (слой 5 в таблице 1), и затем образован легированный цинком р+-слой In0.5Ga0.5P, имеющий концентрацию примеси 2×1018 см-3 и толщину 0,2 мкм (слой 4 в таблице 1). На верхней поверхности легированного р+-слоя In0.5Ga0.5P (слой 4 в таблице 1) сформирован сильнолегированный цинком р+-слой GaAs, имеющий концентрацию примеси 1×1019 см-3 и толщину 0,01 мкм (слой 3 в таблице 1) для содействия омическому контакту.With reference to Table 1 below, an example of a photodiode containing nine layers is shown. In 0.5 Ga 0.5 P wafer (layers 4-6 in Table 1) was grown by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) on an n + -doped GaAs substrate (layer 7 in Table 1) such that p + -in + -structure. Layers of In 0.5 Ga 0.5 P wafers were successively grown on a GaAs substrate in such a way that a Si-doped Ino 0.5 Ga 0.5 P n + -layer having an impurity concentration of 2×10 18 cm -3 and a thickness of 0.1 μm was formed (layer 6 in Table 1), then formed an inner In 0.5 Ga 0.5 P layer containing no impurities and having a thickness of 5 μm (layer 5 in Table 1), and then formed a zinc-doped p + -layer In 0.5 Ga 0.5 P having an impurity concentration 2×10 18 cm -3 and a thickness of 0.2 μm (layer 4 in table 1). On the upper surface of the doped p + -layer In 0.5 Ga 0.5 P (layer 4 in table 1) formed heavily doped with zinc p + -layer GaAs, having an impurity concentration of 1×10 19 cm -3 and a thickness of 0.01 μm (layer 3 in the table 1) to promote ohmic contact.

Затем были применены технологии жидкостного химического травления указанных слоев для изготовления круглых фотодиодов с меза-структурой, имеющих диаметр 200 мкм и 400 мкм. Для травления указанных круглых фотодиодов с меза-структурой использовались раствор 1:1:1 K2Cr2O7:HBr:СН3СООН и затем в течение 10 сек. раствор 1:8:80 H2SO42О2:H2O. In0.5Са0.5Р-устройства были депассивированы.Then, wet chemical etching techniques were applied to these layers to fabricate circular mesa photodiodes having a diameter of 200 µm and 400 µm. To etch these circular mesa photodiodes, a solution of 1:1:1 K 2 Cr 2 O 7 :HBr:CH 3 COOH was used and then for 10 sec. solution 1:8:80 H 2 SO 4 :H 2 O 2 :H 2 O. In 0.5 Ca 0.5 P devices were depassivated.

Верхний омический контакт был выполнен на сильнолегированном слое GaAs (слой 3 в таблице 1) путем нанесения слоя золота, имеющего толщину 0,2 мкм (слой 2 в таблице 1) и затем слоя титана, имеющего толщину 0,02 мкм (слой 1 в таблице 1). Верхний омический контакт имел кольцевую форму с тем, чтобы была обеспечена возможность прохождения фотонов через отверстие в омическом контакте. Кольцевой омический контакт покрывал 33% и 45% верхнего торца в фотодиоде диаметром 400 мкм и 200 мкм соответственно. Задний омический контакт был выполнен на задней поверхности GaAs-подложки (слой 7 в таблице 1) путем нанесения слоя InGe, имеющего толщину 0,02 мкм (слой 8 в таблице 1), и затем слоя золота, имеющего толщину 0,2 мкм (слой 9 в таблице 1).The top ohmic contact was made on a heavily doped GaAs layer (Layer 3 in Table 1) by depositing a gold layer having a thickness of 0.2 µm (Layer 2 in Table 1) and then a layer of titanium having a thickness of 0.02 µm (Layer 1 in Table 1). 1). The top ohmic contact had an annular shape so that photons could pass through the hole in the ohmic contact. The ring ohmic contact covered 33% and 45% of the upper end in a photodiode with a diameter of 400 µm and 200 µm, respectively. A rear ohmic contact was made on the back surface of the GaAs substrate (layer 7 in Table 1) by depositing an InGe layer having a thickness of 0.02 µm (Layer 8 in Table 1) and then a gold layer having a thickness of 0.2 µm (layer 9 in table 1).

Figure 00000001
Figure 00000001

Было определено, что для областей фотодиода, не покрытых верхним кольцевым омическим контактом, значения квантовой эффективности по рентгеновскому составили 53% и 44% при энергиях 5,9 кэВ и 6,49 кэВ соответственно, что было вычислено с использованием закона Бугера-Ламберта-Бера и в предположении полного накопления заряда в р- и i-слоях. Для областей, покрытых кольцевым верхним контактом, эти значения снизились до 44% и 38% соответственно. Коэффициенты линейного ослабления, использовавшиеся при вычислении квантовой эффективности, составляли 0,132 мкм-1 и 0,102 мкм-1 при 5,9 кэВ and 6,49 кэВ соответственно. Эти значения выше, чем у других полупроводников, таких как Si, GaAs и Al0.52In0.48Р.It was determined that for the areas of the photodiode not covered by the upper ring ohmic contact, the X-ray quantum efficiencies were 53% and 44% at energies of 5.9 keV and 6.49 keV, respectively, which was calculated using the Bouguer-Lambert-Beer law and under the assumption of full charge accumulation in p- and i-layers. For areas covered by an annular top contact, these values dropped to 44% and 38%, respectively. The linear attenuation coefficients used in calculating the quantum efficiency were 0.132 µm -1 and 0.102 µm -1 at 5.9 keV and 6.49 keV, respectively. These values are higher than other semiconductors such as Si, GaAs and Al 0.52 In 0.48 R.

Были исследованы электрические характеристики InGaP-фотодиодов диаметром 200 мкм и 400 мкм.The electrical characteristics of InGaP photodiodes 200 µm and 400 µm in diameter were studied.

Токи, генерируемые InGaP-фотодйодами, были исследованы в зависимости от обратного смещения, подаваемого на фотодиоды в условиях затемнения (т.е. при отсутствии источника рентгеновского излучения и гамма-излучения) и при облучении с помощью 55Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения (Mn Kα=5,9 кэВ, Mn Kβ=6,49 кэВ). Источник рентгеновского излучения был размещен на 6 мм выше верхней поверхности каждого фотодиода с меза-структурой. Фотодиоды были исследованы при комнатной температуре в атмосфере сухого азота (относительная влажность < 5%). Во время эксперимента использовался пикоамперметр/источник напряжения Keithley 6487. Ошибка, связанная с показаниями прибора по току, составила 0,3% от их значений плюс 400 фА, в то время как ошибка, связанная с подаваемыми смещениями, составила 0,1% от их значений плюс 1 мВ.The currents generated by InGaP photodiodes were investigated as a function of the reverse bias applied to the photodiodes under darkening conditions (i.e., in the absence of an X-ray and gamma radiation source) and when irradiated with a 55 Fe radioisotope X-ray source (Mn Kα=5.9 keV, Mn Kβ=6.49 keV). The X-ray source was placed 6 mm above the top surface of each mesa photodiode. Photodiodes were tested at room temperature in a dry nitrogen atmosphere (relative humidity < 5%). A Keithley 6487 picoammeter/voltage source was used during the experiment. The error associated with the instrument's current readings was 0.3% of their readings plus 400 fA, while the error associated with applied biases was 0.1% of their readings. values plus 1 mV.

На фиг. 1А показаны кривые изменения тока в зависимости от обратного смещения для фотодиода диаметром 200 мкм. Нижняя кривая, состоящая из пустых квадратиков, показывает ток в зависимости от обратного смещения при нахождении фотодиода в условиях затемнения, а верхняя кривая, состоящая из закрашенных квадратиков, показывает ток в зависимости от обратного смещения при облучении фотодиода с помощью источника рентгеновского излучения. На фиг. 1В показаны кривые изменения тока в зависимости от обратного смещения для фотодиода диаметром 400 мкм. Нижняя кривая, состоящая из пустых квадратиков, показывает ток в зависимости от обратного смещения при нахождении фотодиода в условиях затемнения, а верхняя кривая, состоящая из закрашенных квадратиков, показывает ток в зависимости от обратного смещения при облучении фотодиода с помощью источника рентгеновского излучения. Из фиг. 1А-1В можно видеть, что для фотодиодов обоих диаметров значения темнового тока составили менее чем 0,22 пА (что соответствует плотностям тока 6,7×10-10 А/см2 and 1,7×10-10 А/см2 для фотодиодов с диаметрами 200 мкм и 400 мкм соответственно). При обратном смещении 30 В наблюдались токи в состоянии облучения, равные 3,5 пА и 7 пА для фотодиодов диаметром 200 мкм и 400 мкм соответственно. Путем вычитания токов в состоянии облучения из темновых токов, можно определить, что фототоки при обратном смещении 30В составили 3,3 пА и 6,5 пА для устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм соответственно.In FIG. 1A shows current versus reverse bias curves for a photodiode with a diameter of 200 µm. The lower open-square curve shows the current versus reverse bias when the photodiode is under shading conditions, and the upper solid-square trace shows the current versus reverse bias when the photodiode is irradiated with an X-ray source. In FIG. 1B shows current versus reverse bias curves for a 400 µm photodiode. The lower open-square curve shows the current versus reverse bias when the photodiode is under shading conditions, and the upper solid-square trace shows the current versus reverse bias when the photodiode is irradiated with an X-ray source. From FIG. 1A-1B, it can be seen that for photodiodes of both diameters, the dark current values were less than 0.22 pA (corresponding to current densities of 6.7×10 -10 A/cm 2 and 1.7×10 -10 A/cm 2 for photodiodes with diameters of 200 µm and 400 µm, respectively). At a reverse bias of 30 V, currents in the irradiated state were observed equal to 3.5 pA and 7 pA for photodiodes with a diameter of 200 μm and 400 μm, respectively. By subtracting the currents in the irradiated state from the dark currents, it can be determined that the photocurrents at 30 V reverse bias were 3.3 pA and 6.5 pA for devices with a diameter of 200 µm and 400 µm, respectively.

Также была исследована емкость фотодиодов в зависимости от обратного смещения от 0 В до 30 В с использованием прибора HP 4275А Multi Frequency LCR meter (многочастотный LCR-измеритель 4275А от компании Hewlett Packard). Тестовый сигнал был синусоидальным, со ср. квадр. амплитудой 50 мВ и частотой 1 МГц. Ошибка, связанная с каждым показанием прибора по емкости, составила приблизительно 0,12% плюс экспериментальная погрешность воспроизводимости (±0,07 пФ). Ошибка, связанная с подаваемыми смещениями, составила 0,1% от их значений плюс 1 мВ. Также измерялась емкость идентичного пустого корпуса, и она вычиталась из измеренной емкости каждого корпусированного фотодиода для определения емкостей самих устройств.The capacitance of the photodiodes was also studied as a function of reverse bias from 0 V to 30 V using an HP 4275A Multi Frequency LCR meter (4275A multi-frequency LCR meter from Hewlett Packard). The test signal was sinusoidal, cf. square amplitude 50 mV and frequency 1 MHz. The error associated with each capacitance reading was approximately 0.12% plus experimental reproducibility error (±0.07 pF). The error associated with the supplied offsets was 0.1% of their values plus 1 mV. The capacitance of an identical empty package was also measured and subtracted from the measured capacitance of each packaged photodiode to determine the capacitances of the devices themselves.

На фиг. 2А показана емкость в зависимости от подаваемого обратного смещения для фотодиода диаметром 200 мкм, а на фиг. 2В показана емкость в зависимости от подаваемого обратного смещения для фотодиода диаметром 400 мкм.In FIG. 2A shows capacitance versus applied reverse bias for a 200 µm diameter photodiode, and FIG. 2B shows capacitance versus applied reverse bias for a 400 µm diameter photodiode.

Затем была вычислена глубина (W) обеднения каждого фотодиода по формуле W=(ε0εrA)/С, где ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума, εr - диэлектрическая постоянная In0.5Ga0.5P, А - площадь устройства и С - емкость.Then, the depletion depth (W) of each photodiode was calculated by the formula W=(ε 0 ε r A)/C, where ε 0 is the vacuum dielectric constant, ε r is the dielectric constant of In 0.5 Ga 0.5 P, A is the area of the device, and C is capacity.

На фиг. 3А показана глубина обеднения в зависимости от подаваемого обратного смещения для фотодиода диаметром 200 мкм, а на фиг. 2В показана глубина обеднения в зависимости от подаваемого обратного смещения для фотодиода диаметром 400 мкм. Из фиг. 3А-3В можно видеть, что при низких обратных смещениях глубина обеднения увеличивается с повышением обратного смещения. При превышении обратным смещением напряжения приблизительно 5 В, глубина обеднения остается по существу постоянной при повышении обратного смещения (вследствие того, что i-слой PIN-структуры полностью очищен от носителей заряда при этих смещениях). При напряжении обратного смещения 30 В, измеренная глубина обеднения составила 4,0 мкм ± 0,5 мкм и 4,6 мкм ± 0,2 мкм для устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм соответственно.In FIG. 3A shows the depletion depth versus applied reverse bias for a 200 µm diameter photodiode, and FIG. 2B shows the depletion depth versus applied reverse bias for a 400 µm diameter photodiode. From FIG. 3A-3B, it can be seen that at low reverse biases, the depletion depth increases with increasing reverse bias. When the reverse bias exceeds approximately 5 V, the depletion depth remains essentially constant as the reverse bias increases (due to the fact that the i-layer of the PIN structure is completely free of charge carriers at these biases). At a reverse bias voltage of 30 V, the measured depletion depth was 4.0 µm ± 0.5 µm and 4.6 µm ± 0.2 µm for devices with a diameter of 200 µm and 400 µm, respectively.

Концентрация (N) примеси ниже p+-i-перехода (т.е. перехода между слоями 4 и 5 в приведенной выше таблице 1) в зависимости от глубины (W) обеднения вычислялась по формуле:The impurity concentration (N) below the p + -i junction (i.e., the junction between layers 4 and 5 in Table 1 above) as a function of the depletion depth (W) was calculated by the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где q - заряд электрона, ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, εr - относительная диэлектрическая проницаемость In0.5Ga0.5P, А - площадь устройства и С - емкость.where q is the electron charge, ε 0 is the permittivity of the vacuum, ε r is the relative permittivity of In 0.5 Ga 0.5 P, A is the area of the device, and C is the capacitance.

На фиг. 4 показана измеренная концентрация N(W) примеси для In0.5Ga0.5P-устройства диаметром 400 мкм.In FIG. 4 shows the measured impurity concentration N(W) for an In 0.5 Ga 0.5 P device with a diameter of 400 µm.

Фотодиоды с меза-структурой (без лавинного пробоя), имеющие диаметр 200 мкм и 400 мкм, были соединены с электронной схемой малошумящего зарядочувствительного предусилителя с целью создания рентгеновского спектрометра. Например, данный прибор оказался способен обеспечивать энергетическое разрешение 900 эВ системы при 5,9 кэВ для фотодиода диаметром 200 мкм, работавшего при обратном смещении свыше 5 В.Mesa photodiodes (without avalanche breakdown) having a diameter of 200 µm and 400 µm were connected to a low-noise charge-sensitive preamplifier electronics to create an X-ray spectrometer. For example, this instrument was able to achieve an energy resolution of 900 eV of the system at 5.9 keV for a 200 µm photodiode operating at a reverse bias of over 5 V.

С помощью устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм были собраны рентгеновские спектры от 55Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения. Расстояние между верхней поверхностью InGaP-фотодиодов и источником рентгеновского излучения составляло 6 мм. С каждым InGaP-диодом был соединен малошумящий зарядочувствительный предусилитель, имеющий безрезисторную конструкцию с обратной связью (сходную с описанной у Bertuccio, P. Rehak, and D. Xi, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. (журнал «Ядерные приборы и способы в физических исследованиях»), А 326, 71 (1993)). Сигнал от предусилителя усиливался и формировался с помощью формирующего усилителя Ortec 572а, выход которого был подключен к многоканальному анализатору. Сбор спектров осуществлялся при обратных смещениях 0 В, 5 В, 10 В и 15 В на диодах. Для каждого спектра использовались время формирования 10 мкс и предельное время жизни 100 с.Using devices with a diameter of 200 µm and 400 µm, X-ray spectra were collected from a 55 Fe radioisotope X-ray source. The distance between the upper surface of the InGaP photodiodes and the X-ray source was 6 mm. Connected to each InGaP diode was a low-noise, charge-sensitive preamplifier having a resistorless feedback design (similar to that described by Bertuccio, P. Rehak, and D. Xi, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. (Nuclear Devices and Methods). in physical research”), A 326, 71 (1993)). The signal from the preamplifier was amplified and formed using an Ortec 572a shaping amplifier, the output of which was connected to a multichannel analyzer. The spectra were collected at reverse biases of 0 V, 5 V, 10 V, and 15 V on diodes. For each spectrum, a formation time of 10 μs and a limiting lifetime of 100 s were used.

На фиг. 5А и 5В показаны рентгеновские спектры, полученные при обратном смещении 5 В для устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм соответственно. В каждом спектре наблюдавшийся 55Fe-фотопик представлял собой комбинацию линий Mn Kα and Mn Kβ при 5,9 кэВ и 6,49 кэВ соответственно. С помощью гауссовых распределений была осуществлена аппроксимация комбинированных пиков с учетом значений относительной интенсивности рентгеновского излучения 55Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения при 5,9 кэВ и 6,49 кэВ в надлежащем соотношении [U. Shotzig, Applied Radiation and Isotopes (Прикладное применение радиации и изотопов) 53, 469 (2000), 53, 469 (2000)], а также с учетом разности значений относительной эффективности детектора при этих энергиях рентгеновского излучения.In FIG. 5A and 5B show X-ray spectra taken at 5 V reverse bias for devices with a diameter of 200 µm and 400 µm, respectively. In each spectrum, the observed 55 Fe photopeak was a combination of the Mn Kα and Mn Kβ lines at 5.9 keV and 6.49 keV, respectively. Using Gaussian distributions, the combined peaks were approximated taking into account the relative X-ray intensity values of the 55 Fe radioisotope X-ray source at 5.9 keV and 6.49 keV in the appropriate ratio [U. Shotzig, Applied Radiation and Isotopes (Applied application of radiation and isotopes) 53, 469 (2000), 53, 469 (2000)], and also taking into account the difference in the values of the relative efficiency of the detector at these energies of X-ray radiation.

Энергетическое разрешение InGaP-спектрометра, выраженное в количественной форме с помощью полной ширины на половине высоты (ПШПВ) при 5,9 кэВ, было исследовано в зависимости от обратного смещения детектора. При обратном смещении 0 В была получена наихудшая ПШПВ (ПШПВ, наблюдавшаяся при 5,9 кэВ, составила 1 кэВ и 1,4 кэВ для устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм соответственно). Это было обусловлено повышенным вкладом шума из-за неполного накопления заряда, который уменьшался при более высоких обратных смещениях. При обратных смещениях 5 В и выше, эффективность накопления заряда повышалась (шум из-за неполного накопления заряда снижался), ПШПВ при 5,9 кэВ улучшалась и оставалась постоянной при дальнейшем повышении обратного смещения в пределах исследуемого диапазона. При обратном смещении 5 В, ПШПВ, наблюдавшаяся при 5,9 кэВ, составила 0,9 кэВ и 1,2 кэВ для устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм соответственно.The energy resolution of the InGaP spectrometer, quantified in terms of full width at half maximum (FWHM) at 5.9 keV, was examined as a function of the detector's reverse bias. At a reverse bias of 0 V, the worst FWHM was obtained (the FWHM observed at 5.9 keV was 1 keV and 1.4 keV for devices with a diameter of 200 µm and 400 µm, respectively). This was due to the increased contribution of noise due to incomplete charge accumulation, which decreased at higher reverse biases. At reverse biases of 5 V and above, charge storage efficiency increased (noise due to incomplete charge accumulation decreased), FWHM at 5.9 keV improved and remained constant with further increase in reverse bias within the studied range. At a reverse bias of 5 V, the FWHM observed at 5.9 keV was 0.9 keV and 1.2 keV for devices with a diameter of 200 µm and 400 µm, respectively.

С целью идентификации значений вклада разных шумов в расширение ПШПВ был осуществлен анализ шума. Спектральное разрешение рентгеновского спектрометра с фотодиодом без лавинного пробоя определяется формулой:In order to identify the values of the contribution of different noises to the FWHM expansion, a noise analysis was carried out. The spectral resolution of an X-ray spectrometer with a photodiode without avalanche breakdown is determined by the formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

где ΔЕ - ПШПВ, ω - энергия создания электронно-дырочных пар, F - коэффициент Фано, Е - энергия поглощенного фотона рентгеновского излучения, R и А - электронный шум и шум из-за неполного накопления заряда соответственно [G. Lioliou, А.М. Barnett, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. (журнал «Ядерные приборы и способы в физических исследованиях»), А 801, 63 (2015)]. Базисное «Фано-ограниченное» энергетическое разрешение (т.е. при R=0 и А=0) для In0.5Ga0.5P было оценено как равное 137 эВ в предположении, что энергия создания электронно-дырочных пар в In0.5Ga0.5P равна 4,8 эВ (в 2,5 раза больше ширины запрещенной зоны) и коэффициент Фано равен 0,12. Данное значение вклада шума учитывает статистическую природу процесса ионизации в полупроводниковом рентгеновском детекторе. Поскольку измеренная ПШПВ была больше 137 эВ, потребовался учет значений вклада других источников шума. Электронный шум системы состоит из параллельного белого шума, последовательного белого шума, индуцированного шума тока затвора, шума 1/f и диэлектрического шума. Токи утечки детектора и входного полевого транзистора с p-n-переходом предусилителя являются причинами параллельного белого шума, в то время как емкости детектора и входного полевого транзистора с p-n-переходом предусилителя обуславливают последовательный белый шум и шум 1/f. Указанный последовательный белый шум был отрегулирован с учетом индуцированного шума тока затвора.where ΔE - FWHM, ω - energy of creating electron-hole pairs, F - Fano coefficient, E - energy of the absorbed X-ray photon, R and A - electronic noise and noise due to incomplete charge accumulation, respectively [G. Lioliou, A.M. Barnett, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. (Journal "Nuclear Instruments and Methods in Physical Research"), A 801, 63 (2015)]. The basic "Fano-limited" energy resolution (i.e. at R=0 and A=0) for In 0.5 Ga 0.5 P was estimated to be 137 eV, assuming that the electron-hole pair creation energy in In 0.5 Ga 0.5 P is 4.8 eV (2.5 times the band gap) and the Fano coefficient is 0.12. This value of the noise contribution takes into account the statistical nature of the ionization process in a semiconductor X-ray detector. Since the measured FWHM was greater than 137 eV, it was necessary to take into account the contributions of other noise sources. The system electronic noise consists of parallel white noise, series white noise, induced gate current noise, 1/f noise, and dielectric noise. The leakage currents of the detector and preamp input FET cause parallel white noise, while the capacitances of the detector and preamp input FET cause series white noise and 1/f noise. The specified serial white noise has been adjusted for the induced gate current noise.

На фиг. 6А и 6В показаны вычисленные параллельный белый шум, последовательный белый шум и шум 1/f в зависимости от обратного смещения детектора для устройства диаметром 200 мкм и устройства диаметром 400 мкм соответственно. Значения вклада параллельного белого шума показаны кружочками, значения вклада последовательного белого шума показаны треугольниками, и значения вклада шума 1/f показаны квадратиками. Можно видеть, что значения вклада параллельного белого шума были сходными для устройств диаметром 200 мкм и 400 мкм при каждом обратном смещении. Это было обусловлено сходными темновыми токами в устройствах обоих размеров, как показано на фиг. 1А-1В.In FIG. 6A and 6B show the calculated parallel white noise, serial white noise, and 1/f noise as a function of detector reverse bias for a 200 µm diameter device and a 400 µm diameter device, respectively. Parallel white noise contributions are shown as circles, serial white noise contributions are shown as triangles, and 1/f noise contributions are shown as squares. It can be seen that the values of the parallel white noise contribution were similar for the 200 µm and 400 µm devices at each reverse bias. This was due to similar dark currents in both device sizes, as shown in FIG. 1A-1B.

В отличие от этого, последовательный белый шум и шум 1/f были выше в устройстве диаметром 400 мкм по сравнению с устройством диаметром 200 мкм. Это было обусловлено более высокой измеренной емкостью в устройстве большего диаметра, как показано на фиг. 2А-2В. Увеличенная ПШПВ, наблюдавшаяся в устройствах диаметром 400 мкм, может быть частично объяснена с учетом повышенных значений вклада последовательного белого шума и шума 1/f.In contrast, serial white noise and 1/f noise were higher in the 400 µm device compared to the 200 µm device. This was due to the higher measured capacitance in the larger diameter device as shown in FIG. 2A-2B. The increased FWHM observed in devices with a diameter of 400 µm can be partly explained by the increased values of the contribution of serial white noise and 1/f noise.

Значения вклада шума Фано, параллельного белого шума, последовательного белого шума и шума 1/f вычитались из измеренной ПШПВ при 5,9 кэВ с целью вычисления суммарного значения вклада диэлектрического шума и шума из-за неполного накопления заряда при 5,9 кэВ.The contributions from Fano noise, parallel white noise, serial white noise, and 1/f noise were subtracted from the measured FWHM at 5.9 keV to calculate the sum of the contributions from dielectric noise and incomplete charge accumulation noise at 5.9 keV.

На фиг. 7 показан эквивалентный шумовой заряд диэлектрического шума и шума из-за неполного накопления заряда в зависимости от обратного смещения для спектрометрического устройства с диаметром 200 мкм (график показан крестиками) и с диаметром 400 мкм (график показан ромбиками). Суммарное значение вклада заряда диэлектрического шума и шума из-за неполного накопления заряда оказалась больше в устройствах диаметром 400 мкм, чем в устройствах диаметром 200 мкм при всех обратных смещениях. При обратном смещении 0 В суммарное значение вклада, выраженное через эквивалентный шумовой заряд, составило 123 е- (ср. квадр.) и 87 е- (ср. квадр.) для устройства диаметром 400 мкм и для устройства диаметром 200 мкм соответственно. При обратных смещениях свыше 5 В вычисленные эквивалентные шумовые заряды составили 105 е- (ср. квадр.) и 78 е- (ср. квадр.) для устройств диаметром 400 мкм и 200 мкм соответственно. Поскольку диэлектрический шум был независимым от смещения детектора, отличие суммарного эквивалентного шумового заряда, обусловленного диэлектрическим шумом и шумом из-за неполного накопления заряда, при 0 В от этого же заряда при ≥ 5 В может быть отнесено за счет шума из-за неполного накопления заряда при 0 В. Таким образом, можно сказать, что при 0 В величина шума из-за неполного накопления заряда составила 18 е- (ср. квадр.) и 9 е- (ср. квадр.) при использовании устройств диаметром 400 мкм и 200 мкм соответственно, и что шум из-за неполного накопления заряда был незначительным при обратных смещениях ≥ 5 В.In FIG. 7 shows the equivalent noise charge of dielectric noise and partial charge storage noise versus reverse bias for a spectrometric device with a diameter of 200 µm (plot shown with crosses) and a diameter of 400 µm (plot shown with diamonds). The total value of the contribution of the dielectric noise charge and noise due to incomplete charge accumulation turned out to be larger in devices with a diameter of 400 μm than in devices with a diameter of 200 μm for all reverse biases. At a reverse bias of 0 V, the total value of the contribution, expressed in terms of the equivalent noise charge, was 123 e- (rms) and 87 e- (rms) for a device with a diameter of 400 μm and for a device with a diameter of 200 μm, respectively. At reverse biases above 5 V, the calculated equivalent noise charges were 105 e- (rms) and 78 e- (rms) for devices with a diameter of 400 µm and 200 µm, respectively. Since the dielectric noise was independent of the detector bias, the difference in the total equivalent noise charge due to the dielectric noise and the noise due to incomplete charge accumulation at 0 V from the same charge at ≥ 5 V can be attributed to the noise due to incomplete charge accumulation. at 0 V. Thus, at 0 V, the amount of noise due to incomplete charge accumulation was 18 e- (rms) and 9 e- (rms) using devices with a diameter of 400 μm and 200 µm, respectively, and that noise due to incomplete charge storage was negligible at reverse biases ≥ 5 V.

На фиг. 7 эквивалентный шумовой заряд при обратных смещениях ≥ 5 В обусловлен диэлектрическим вкладом. Диэлектрический эквивалентный шумовой заряд (ENCD) вычисляется по формуле:In FIG. 7 the equivalent noise charge at reverse biases ≥ 5 V is due to the dielectric contribution. The dielectric equivalent noise charge (ENC D ) is calculated from:

Figure 00000004
Figure 00000004

где q - электрический заряд, А2 - константа (1,18), зависящая от типа формирования сигнала [Е. Gatti, P.F. Manfredi, М. Sampietro, and V. Speziali, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res., A 297, 467 (1990)], k - постоянная Больцмана, T - температура, D - коэффициент потерь и С - емкость [G. Lioliou, and А.М. Barnett, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 801, 63 (2015)]. С использованием приведенного выше уравнения для ENCD и экспериментальных данных по фиг. 7 был определен эффективный коэффициент диэлектрических потерь, составивший до (4,2±0,4)×10-3. Следует отметить, что он не соответствует напрямую коэффициенту потерь в In0.5Ga0.5Р, а характеризует эффективный коэффициент суммарных потерь для всех диэлектриков, вносящих вклад в данный шум, согласно анализу в данном документе.where q is an electric charge, A 2 is a constant (1.18), depending on the type of signal formation [E. Gatti, PF Manfredi, M. Sampietro, and V. Speziali, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res., A 297, 467 (1990)], k is Boltzmann's constant, T is temperature, D is loss factor, and C is capacitance [G. Lioliou, and A.M. Barnett, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 801, 63 (2015)]. Using the above equation for ENC D and the experimental data from FIG. 7, the effective dielectric loss factor was determined to be up to (4.2±0.4)×10 -3 . It should be noted that it does not directly correspond to the loss factor in In 0.5 Ga 0.5 P, but characterizes the effective total loss factor for all dielectrics contributing to this noise, as analyzed in this document.

Хотя в данном документе приведены примеры энергетического разрешения (ПШПВ), достижимы и более высокие значения разрешения, например, с использованием предусилителей, имеющих более низкий электронный шум.While examples of energy resolution (FWHM) are given in this document, higher resolutions are achievable, for example, using preamplifiers having lower electronic noise.

Также было исследовано влияние на эффективность обнаружения, оказываемое толщиной внутреннего слоя в р+-i-n+-структуре In0.5Ga0.5P. Предполагалось, что на р+-стороне р+-i-n+-структуры размещен колпачок р+-стороны из GaAs и что фотоны падают на эту сторону устройства. Также предполагалось, что лишь внутренний слой p+-i-n+-структуры был активным.We also studied the influence on the detection efficiency of the thickness of the inner layer in the p + -in + -structure In 0.5 Ga 0.5 P. It was assumed that the p + -side of the p + -in + that photons are incident on this side of the device. It was also assumed that only the inner layer of the p + -in + -structure was active.

На фиг. 8А показана эффективность обнаружения в р+-i-n+-структуре в зависимости от толщины внутреннего слоя, составляющей 5 мкм, 10 мкм, 30 мкм и 50 мкм. Толщина р+-слоя в каждой р+-i-n+-структуре составляла 0,2 мкм. Можно видеть, что при сравнительно низких энергиях фотонов эффективность обнаружения является по существу одинаковой для всех структур, даже несмотря на то, что они имеют внутренние слои разной толщины. Тем не менее, по мере повышения энергии фотонов, структуры, имеющие более тонкие внутренние слои, показывают более низкие значения эффективности обнаружения.In FIG. 8A shows the detection efficiency in the p + -in + -structure depending on the thickness of the inner layer, which is 5 μm, 10 μm, 30 μm and 50 μm. The thickness of the p + -layer in each p + -in + -structure was 0.2 μm. It can be seen that at comparatively low photon energies, the detection efficiency is essentially the same for all structures, even though they have inner layers of different thicknesses. However, as the photon energy increases, structures having thinner inner layers show lower detection efficiencies.

На фиг. 8В показаны значения эффективности обнаружения в р+-i-n+-структурах, соответствующих тем, которые показаны на фиг. 8А, за исключением того, что толщина i-слоя в р+-i-n+-структуре составляет 0,1 мкм (а не 0,2 мкм). Графики на фиг. 8В имеют такую же форму, что и графики на фиг. 8А, за исключением того, что на фиг. 8В значения эффективности обнаружения выше при более низких энергиях фотонов.In FIG. 8B shows detection efficiencies in p + -in + -structures corresponding to those shown in FIG. 8A, except that the thickness of the i-layer in the p + -in + -structure is 0.1 µm (rather than 0.2 µm). The graphs in Fig. 8B have the same shape as the graphs in FIG. 8A, except that in FIG. 8B, detection efficiencies are higher at lower photon energies.

Из фиг. 8А-8В можно видеть, что при низких энергиях фотонов эффективность обнаружения определяется преимущественно толщиной р+-слоя в р+-i-n+-структуре. Иначе говоря, при низких энергиях фотонов, чем толще р+-слой в р+-i-n+-структуре, тем ниже эффективность обнаружения. Однако при более высоких энергиях фотонов эффективность обнаружения определяется преимущественно толщиной внутреннего слоя в р+-i-n+-структуре. Иначе говоря, при более высоких энергиях фотонов, чем толще внутренний слой, тем выше эффективность обнаружения.From FIG. 8A-8B, it can be seen that at low photon energies, the detection efficiency is determined predominantly by the thickness of the p + layer in the p + -in + structure. In other words, at low photon energies, the thicker the p + -layer in the p + -in + -structure, the lower the detection efficiency. However, at higher photon energies, the detection efficiency is determined mainly by the thickness of the inner layer in the p + -in + -structure. In other words, at higher photon energies, the thicker the inner layer, the higher the detection efficiency.

Хотя это и не показано на фиг. 8А-8В, эффективность обнаружения при энергии фотонов 59,5 кэВ представляет особый интерес, поскольку она является энергией гамма-излучения от 241Am. При столь высоких энергиях как р+-слой в боковом колпачке из GaAs, так и p+-слой в р+-i-n+-структуре являются более или менее прозрачными для фотонов, и, следовательно, эффективность обнаружения ограничивается толщиной внутреннего слоя в p+-i-n+-структуре. Например, для фотонов, имеющих энергию 59,5 кэВ, эффективность обнаружения при использовании внутреннего слоя толщиной 5 мкм будет составлять 0,005, в то время как эффективность обнаружения при использовании внутреннего слоя толщиной 50 мкм будет составлять 0,05.Although not shown in FIG. 8A-8B, the detection efficiency at a photon energy of 59.5 keV is of particular interest because it is the gamma ray energy from 241 Am. At such high energies, both the p + layer in the GaAs side cap and the p + layer in the p + -in + structure are more or less transparent to photons, and hence the detection efficiency is limited by the thickness of the inner layer at p + -in + -structure. For example, for photons having an energy of 59.5 keV, the detection efficiency using a 5 µm inner layer would be 0.005, while the detection efficiency using a 50 µm inner layer would be 0.05.

Рентгеновская астрономия и рентгеновская флуоресцентная спектроскопия с высоким разрешением стали возможны, благодаря использованию рентгеновских спектрометров со счетом фотонов. Способность к определению энергии отдельных фотонов рентгеновского излучения и количества обнаруженных фотонов рентгеновского излучения при конкретной энергии может быть важна, например, в космонавтике. Эти параметры могут быть особенно полезны для изучения поверхностей планет и магнитосфер и в физике солнца, а также для наземных областей применения, таких как промышленный мониторинг и неразрушающие испытания. Как описано выше в данном документе, использование материалов с широкой запрещенной зоной в таких спектрометрах является перспективным, поскольку такие материалы могут иметь низкие термически генерируемые токи утечки и, следовательно, они способны работать при высоких температурах без охлаждающих систем, что позволяет создавать более компактные и легкие приборы с меньшим энергопотреблением.X-ray astronomy and high-resolution X-ray fluorescence spectroscopy have been made possible by the use of photon-counting X-ray spectrometers. The ability to determine the energy of individual X-ray photons and the number of detected X-ray photons at a particular energy can be important, for example, in astronautics. These parameters can be especially useful for studying the surfaces of planets and magnetospheres and in solar physics, as well as for terrestrial applications such as industrial monitoring and non-destructive testing. As described earlier in this document, the use of wide bandgap materials in such spectrometers is promising because such materials can have low thermally generated leakage currents and therefore are able to operate at high temperatures without cooling systems, allowing for more compact and lightweight devices with lower power consumption.

Сообщалось о рентгеновских спектрометрах со счетом фотонов, характеризующихся высоким энергетическим разрешением и нетребовательностью к температуре и использующих детекторы на основе различных полупроводников с широкой запрещенной зоной, связанные с малошумящими электронными схемами предусилителей. Тем не менее, варианты осуществления настоящего изобретения обеспечили совершенствование таких приборов.Photon-counting X-ray spectrometers, characterized by high energy resolution and low temperature requirements, using detectors based on various wide-gap semiconductors coupled with low-noise preamplifier electronics, have been reported. However, embodiments of the present invention have provided improvements to such devices.

Согласно приведенной ниже таблице 2, эпитаксиальный р+-i-n+-слой In0.5Ga0.5P был выращен на сильнолегированной n+ GaAs-положке методом газофазной эпитаксии из паров металлоорганических соединений при низком давлении (150 Торр) с использованием триметилгаллия, триметилиндия, арсина и фосфина в качестве прекурсоров, и водорода в качестве газа-носителя. Дисилан и диметилцинк:триэтиламин использовались для n- и p-легирования соответственно. Эпитаксиальная поверхность подложки имела ориентацию (100) с углом среза подложки 10° в направлении <111>А. Непреднамеренно легированный i-слой (толщина 5 мкм) находился между верхним р+ слоем (толщина 0,2 мкм; концентрация примеси 2×1018 см-3) и нижним n+ слоем (толщина 0,1 мкм; концентрация примеси 2×1018 см-3). Необходимо отметить, что толщина р+ и n+ слоев была задана как можно меньше с тем, чтобы снизить поглощение в этих слоях. Толщина р+ слоя (0,2 мкм) и n+ слоя (0,1 мкм) была выбрана на основе опыта выращивания высококачественного In0.5Ga0.5P. В отличие от этого, толщина i-слоя была большой для повышения поглощения и, следовательно, повышения квантовой эффективности в этом слое. Необходимо подчеркнуть, что указанное In0.5Ga0.5P-устройство представляет собой In0.5Са0.5P-фотодиод с самым тонким i-слоем из всех фотодиодов, о которых сообщалось к настоящему времени, хотя могут быть обеспечены и i-слои с толщиной больше, чем 5 мкм. На верхней поверхности In0.5Ga0.5P p+-i-n+ эпитаксиального слоя был выращен тонкий р+ GaAs слой (толщина 0,01 мкм; концентрация примеси 1×1019 см-3) для содействия достижению хорошего верхнего омического контакта. GaAs n-типа, In0.5Ga0.5P n-типа и непреднамеренно легированный In0.5Ga0.5P были выращены при температуре 700°С, а последующие p-легированные слои были выращены при 660°С. При комнатной температуре энергия пика фотолюминесценции выращенного In0.5Ga0.5P составила 1,89 эВ. Эта энергия хорошо согласуется с шириной запрещенной зоны материала с подавленным спонтанным дальним порядком структуры в подрешетке группы III. Омический контакт на верхней поверхности р+ GaAs-слоя был выполнен из Ti (толщина 20 нм) и Au (толщина 200 нм). Задний омический контакт, нанесенный на заднюю поверхность n+ GaAs-подложки, был выполнен из InGe (толщина 20 нм) и Au (толщина 200 нм). In0.5Са0.5P-фотодиод не был пассивирован. Для изготовления In0.5Са0.5P-устройства с меза-структурой диаметром 200 мкм, использовавшегося при исследованиях, использовались технологии жидкостного химического травления (раствор 1:1:1 K2Cr2O7:HBr:СН3СООН и затем финишная обработка в течение 10 сек. в растворе 1:8:80 H2SO4:H2O2:H2O). Слои указанного устройства, значения их относительной толщины и материалы сведены в приведенную ниже таблицу 2:According to Table 2 below, the In 0.5 Ga 0.5 P p+-i-n+ epitaxial layer was grown on a heavily doped n+ GaAs substrate by low-pressure metal-organic vapor phase epitaxy (150 Torr) using trimethylgallium, trimethylindium, arsine, and phosphine as precursors, and hydrogen as a carrier gas. Disilane and dimethylzinc:triethylamine were used for n- and p-doping, respectively. The epitaxial surface of the substrate had the (100) orientation with a substrate cut angle of 10° in the <111>A direction. The unintentionally doped i-layer (thickness 5 μm) was located between the upper p+ layer (thickness 0.2 μm; impurity concentration 2×10 18 cm -3 ) and the lower n+ layer (thickness 0.1 μm; impurity concentration 2×10 18 cm -3 ). It should be noted that the thicknesses of the p+ and n+ layers were set as small as possible in order to reduce absorption in these layers. The thicknesses of the p+ layer (0.2 µm) and the n+ layer (0.1 µm) were chosen based on the experience of growing high quality In 0.5 Ga 0.5 P. increase the quantum efficiency in this layer. It should be emphasized that the specified In 0.5 Ga 0 . The 5P device is an In 0.5 Ca 0.5 P photodiode with the thinnest i-layer of all photodiodes reported to date, although i-layers greater than 5 µm thick can be provided. On the top surface of the In 0.5 Ga 0.5 P p+-i-n+ epitaxial layer, a thin p+ GaAs layer (thickness 0.01 µm; impurity concentration 1×10 19 cm -3 ) was grown to help achieve good top ohmic contact. n-type GaAs, n-type In 0.5 Ga 0.5 P, and unintentionally doped In 0.5 Ga 0.5 P were grown at 700°C, and subsequent p-doped layers were grown at 660°C. At room temperature, the photoluminescence peak energy of the grown In 0.5 Ga 0.5 P was 1.89 eV. This energy is in good agreement with the band gap of a material with suppressed spontaneous long-range order of the structure in the group III sublattice. The ohmic contact on the upper surface of the p+ GaAs layer was made of Ti (20 nm thick) and Au (200 nm thick). The rear ohmic contact deposited on the rear surface of the n+ GaAs substrate was made of InGe (20 nm thick) and Au (200 nm thick). In 0.5 Ca 0.5 P photodiode was not passivated. For fabrication of the In 0.5 Ca 0.5 P device with a mesa structure 200 µm in diameter used in the research, wet chemical etching techniques were used (solution 1:1:1 K 2 Cr 2 O 7 :HBr:CH3COOH and then finishing for 10 sec in a solution of 1:8:80 H2SO4:H2O2:H2O). The layers of said device, their relative thicknesses and materials are summarized in Table 2 below:

Figure 00000005
Figure 00000005

192 МБк 55Fe-радиоизотопный источник рентгеновского излучения (Mn Kα=5,9 кэВ, Mn Kβ=6,49 кэВ) был размещен на удалении 5 мм от верхней поверхности In0.5Ga0.5P-фотодиода с меза-структурой диаметром 200 мкм с тем, чтобы исследовать характеристики детектора при облучении.192 MBq 55 Fe radioisotope X-ray source (Mn Kα=5.9 keV, Mn Kβ=6.49 keV) was placed at a distance of 5 mm from the upper surface of the In 0.5 Ga 0.5 P-photodiode with a mesa structure 200 µm in diameter with in order to investigate the characteristics of the detector under irradiation.

Значения рентгеновской квантовой эффективности (QE) In0.5Ga0.5P через оптическое окно устройства (область, не покрытую контактами) были вычислены с использованием закона Бугера-Ламберта-Бера и в предположении полного накопления заряда в р- и i-слоях.The values of the X-ray quantum efficiency (QE) of In 0.5 Ga 0.5 P through the optical window of the device (the region not covered by contacts) were calculated using the Bouguer-Lambert-Beer law and assuming full charge accumulation in p- and i-layers.

На фиг. 10 показаны значения рентгеновской квантовой эффективности In0.5Ga0.5P в зависимости от энергии фотонов до 10 кэВ. Вычисленные для указанной структуры значения квантовой эффективности составили 53% при 5,9 кэВ и 44% при 6,49 кэВ. В приведенной ниже таблице 3 показаны коэффициенты ослабления при 5,9 кэВ и 6,49 кэВ для In0.5Ga0.5P, а также для других различных материалов. Коэффициенты ослабления для бинарных и тернарных соединений были оценены на основе надлежащим образом взвешенных коэффициентов ослабления их одинарных элементов.In FIG. 10 shows the X-ray quantum efficiency of In 0.5 Ga 0.5 P as a function of photon energy up to 10 keV. The quantum efficiency values calculated for this structure were 53% at 5.9 keV and 44% at 6.49 keV. Table 3 below shows the attenuation coefficients at 5.9 keV and 6.49 keV for In 0.5 Ga 0.5 P as well as various other materials. The attenuation coefficients for binary and ternary connections have been estimated based on the appropriately weighted attenuation coefficients of their single elements.

Figure 00000006
Figure 00000006

In0.5Са0.5P-устройство было установлено внутри климатической камеры TAS Micro МТ для температурного контроля. Сначала температура была установлена на уровне 100°С и снижалась до 20°C с шагом 20°С. Перед проведением любых измерений при каждой температуре, устройство оставлялось в течение 30 минут для обеспечения стабилизации. Ток утечки In0.5Ga0.5P в зависимости от обратного смещения измерялся с использованием пикоамперметра/источника напряжения Keithley 6487. Ошибка, связанная с индивидуальными показаниями прибора по току составила 0,3% от их значений плюс 400 фА, в то время как ошибка, связанная с подаваемыми смещениями, составила 0,1% от их значений плюс 1 мВ. Емкость In0.5Ga0.5P в зависимости от обратного смещения измерялась с использованием прибора HP 4275А Multi Frequency LCR meter (многочастотный LCR-измеритель 4275А от компании Хьюлетт-Паккард). Ошибка, связанная с каждым показанием прибора по емкости, составила 0,12%, в то время как ошибка, связанная с подаваемыми смещениями, составила 0,1% от их значений плюс 1 мВ. Тестовый сигнал был синусоидальным, со ср. квадр. амплитудой 50 мВ и частотой 1 МГц. При измерении обоих из тока утечки и емкости обратное смещение повышалось от 0 В до 15 В (с шагом 1 В).An In 0.5 Ca 0.5 P device was installed inside the TAS Micro MT climate chamber for temperature control. First, the temperature was set at 100°C and decreased to 20°C in 20°C increments. Before making any measurements at each temperature, the device was left for 30 minutes to ensure stabilization. Leakage current In 0.5 Ga 0.5 P versus reverse bias was measured using a Keithley 6487 picoammeter/voltage source. with applied biases was 0.1% of their values plus 1 mV. Capacitance In 0.5 Ga 0.5 P versus reverse bias was measured using an HP 4275A Multi Frequency LCR meter (4275A multi-frequency LCR meter from Hewlett-Packard). The error associated with each capacitance reading was 0.12%, while the error associated with applied biases was 0.1% of their values plus 1 mV. The test signal was sinusoidal, cf. square amplitude 50 mV and frequency 1 MHz. When measuring both leakage current and capacitance, the reverse bias was raised from 0 V to 15 V (in 1 V steps).

Рентгеновские спектры были получены с использованием 55Fe-радиоизотопного рентгеновского источника для облучения In0.5Са0.5P-устройства диаметром 200 мкм при температурах от 100°С до 20°С. В экспериментальной установке использовался изготовленный на заказ зарядочувствительный предусилитель, имеющий безрезисторную конструкцию с обратной связью. Предусилитель работал при той же самой температуре, что и фотодиод. Сигнал от предусилителя формировался с помощью формирующего усилителя Ortec 572а и оцифровывался с помощью многоканального анализатора (Ortec Easy-MCA-8K). Спектры были собраны и проанализированы при значениях времени формирования 0,5 мкс, 1 мкс, 2 мкс, 3 мкс, 6 мкс и 10 мкс. В каждом случае на In0.5Ga0.5P-устройство подавалось обратное смещение 0 В, 5 В, 10 В и 15 В. Время жизни для каждого спектра составило 200 сек. Эксперименты проводились а атмосфере сухого азота (относительная влажность < 5%).X-ray spectra were obtained using a 55 Fe radioisotope X-ray source to irradiate an In 0.5 Ca 0.5 P device with a diameter of 200 μm at temperatures from 100°C to 20°C. The experimental setup used a custom-made charge-sensitive preamplifier with a resistorless feedback design. The preamplifier was operated at the same temperature as the photodiode. The signal from the preamplifier was formed using an Ortec 572a shaping amplifier and digitized using a multichannel analyzer (Ortec Easy-MCA-8K). Spectra were collected and analyzed at 0.5 µs, 1 µs, 2 µs, 3 µs, 6 µs, and 10 µs shaping times. In each case, the In 0.5 Ga 0.5 P device was reverse biased at 0 V, 5 V, 10 V, and 15 V. The lifetime for each spectrum was 200 s. The experiments were carried out in a dry nitrogen atmosphere (relative humidity < 5%).

Измеренные токи утечки корпусированных устройств при 100°С и 80°С показаны на фиг. 11; токи утечки при температурах ниже 80°С не показаны, поскольку они были ниже уровня собственных шумов пикомаперметра. Измерения токов утечки в зависимости от обратного смещения для пустого корпуса показали, что корпус диода вносил значительный вклад в измеренный ток утечки. При 100°С и 80°С корпусированное устройство (определяемое как объединенные полупроводник и корпус) имело токи утечки 1,5 пА и 0,5 пА соответственно при обратном смещении 10 В. При условиях с теми же самыми температурами и обратными смещениями пустой корпус имел токи утечки 1,1 пА и 0,2 пА соответственно. При повышении обратного смещения до 15 В в каждом случае, токи утечки, измеренные для корпусированного устройства и пустого корпуса, становились неотличимыми при обеих температурах. С учетом ошибок, связанных с измерениями токов утечки, ток утечки из самого диода можно считать пренебрежимо малым по сравнению с током утечки из корпуса.The measured leakage currents of the packaged devices at 100°C and 80°C are shown in FIG. eleven; leakage currents at temperatures below 80°C are not shown because they were below the intrinsic noise level of the picometer. Measurements of leakage currents versus reverse bias for an empty package showed that the diode package made a significant contribution to the measured leakage current. At 100°C and 80°C, the packaged device (defined as the combined semiconductor and package) had leakage currents of 1.5 pA and 0.5 pA, respectively, at a reverse bias of 10 V. Under the same temperature and reverse bias conditions, the empty package had leakage currents 1.1 pA and 0.2 pA respectively. By increasing the reverse bias to 15 V in each case, the leakage currents measured for the packaged device and the empty package became indistinguishable at both temperatures. Taking into account the errors associated with measuring leakage currents, the leakage current from the diode itself can be considered negligible compared to the leakage current from the package.

При разных температурах были измерены значения емкости корпусированного In0.5Са0.5P-детектора в зависимости от обратного смещения. Также измерялась емкость пустого корпуса того же типа при разных температурах, и эта емкость вычиталась из измеренной емкости корпусированного In0.5Ga0.5P-фотодиода. При каждой температуре осуществлялось многократное измерение значений емкости и определялось среднее и его относительное стандартное отклонение. В исследуемом температурном диапазоне было обнаружено, что емкость (С) самого In0.5Ga0.5P-детектора является температурно-инвариантной. 1/С2 в зависимости от обратного смещения при 100°С и при 80°С показана на фиг. 12, и сходные результаты были получены при температурах ≤ 60°С. Зависимость между 1/С2 и обратным смещением была обнаружена при обратных смещениях ниже 3 В; 1/С2 была постоянной при обратных смещениях выше 3 В.At different temperatures, the capacitance values of the packaged In 0.5 Ca 0.5 P detector were measured depending on the reverse bias. The capacitance of an empty package of the same type was also measured at different temperatures, and this capacitance was subtracted from the measured capacitance of the packaged In 0.5 Ga 0.5 P photodiode. At each temperature, the capacitance values were repeatedly measured and the mean and its relative standard deviation were determined. In the temperature range under study, it was found that the capacitance (C) of the In 0.5 Ga 0.5 P detector itself is temperature invariant. 1/C 2 versus reverse bias at 100°C and at 80°C is shown in FIG. 12 and similar results were obtained at temperatures ≤ 60°C. A relationship between 1/C 2 and reverse bias has been found at reverse biases below 3 V; 1/C 2 was constant at reverse biases above 3 V.

Рентгеновские спектры были получены с использованием 55Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения. Хотя могут использоваться и температуры свыше 100°С, такие результаты не описаны в данном документе. При 100°С диод был стабильным в течение всего времени сбора спектров. Диод не испортился после использования при указанных температурах.X-ray spectra were obtained using a 55 Fe radioisotope X-ray source. Although temperatures above 100° C. may be used, such results are not described in this document. At 100°С, the diode was stable during the entire spectrum acquisition time. The diode did not deteriorate after being used at the indicated temperatures.

Улучшение энергетического разрешения (количественно выраженного с помощью ПШПВ при 5,9 кэВ) наблюдалось при повышении подаваемого обратного смещения с 0 В до 5 В. Этот результат можно объяснить с учетом снижения емкости детектора и, возможно, улучшения накопления заряда. Дальнейшее изменение ПШПВ не наблюдалось во время работы детектора при обратных смещениях > 5 В. Это последнее поведение можно объяснить с учетом того, что In0.5Са0.5P-фотодиод полностью обеднен при напряжении свыше 5 В.An improvement in energy resolution (quantified with FWHM at 5.9 keV) was observed as the applied reverse bias was increased from 0 V to 5 V. This result can be explained by the reduction in detector capacitance and possibly improved charge storage. No further change in FWHM was observed during detector operation at reverse biases >5 V. This latter behavior can be explained by considering that the In 0.5 Ca 0.5 P photodiode is completely depleted above 5 V.

Оптимальное время формирования (т.е. время, при котором обеспечивается наименьшая ПШПВ), изменяется в зависимости от температуры, как показано на фиг. 13. ПШПВ снижалась при более низких температурах вследствие более низких токов утечки в In0.5Ga0.5P-фотодиоде и кремниевом полевом транзисторе с p-n-переходом при таких температурах. На фиг. 13 показана наименьшая наблюдавшаяся ПШПВ пика 5,9 кэВ в зависимости от температуры при оптимальном времени формирования, когда на детектор подавалось обратное смещение 5 В.The optimal shaping time (ie, the time at which the lowest FWHM is achieved) varies with temperature, as shown in FIG. 13. FWHM decreased at lower temperatures due to lower leakage currents in the In 0.5 Ga 0.5 P photodiode and Silicon FET at these temperatures. In FIG. 13 shows the smallest observed FWHM of the 5.9 keV peak as a function of temperature at the optimum shaping time when the detector was reverse biased at 5 V.

Спектры с наилучшим энергетическим разрешением (наименьшей ПШПВ) при 100°С и 20°С и при подаче на фотодиод обратного смещения 5 В, показаны на фиг. 14А и 14В соответственно. Кроме того, в каждом спектре показаны восстановленные из свертки пики Mn Kα (пунктирная линия) и Mn Kβ (пунктирно-точечная линия). Наблюдавшиеся 55Fe-фотопики представляли собой комбинацию характеристических линий Mn Kα (5,9 кэВ) и Mn Kβ (6,49 кэВ) 55Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения. Для определения ПШПВ пиков 5,9 кэВ на фиг. 13 и 14, была осуществлена гауссова аппроксимация фотопиков: пики Mn Kα и Mn Kβ были восстановлены из обнаруженного комбинированного фотопика. Аппроксимация была осуществлена с учетом относительных интенсивностей радиоизотопного источника рентгеновского излучения при 5,9 кэВ и 6,49 кэВ в надлежащем соотношении, а также с учетом относительной эффективности детектора при этих энергиях рентгеновского излучения.The spectra with the best energy resolution (lowest FWHM) at 100°C and 20°C and with 5V reverse bias applied to the photodiode are shown in FIG. 14A and 14B, respectively. In addition, the Mn Kα (dashed line) and Mn Kβ (dashed-dotted line) peaks reconstructed from the convolution are also shown in each spectrum. The observed 55 Fe photopeaks were a combination of the characteristic lines of Mn Kα (5.9 keV) and Mn Kβ (6.49 keV) of the 55 Fe radioisotope X-ray source. To determine the FWHM of the 5.9 keV peaks in FIG. 13 and 14, a Gaussian approximation of the photo peaks was performed: the Mn Kα and Mn Kβ peaks were reconstructed from the detected combined photo peak. The approximation was made taking into account the relative intensities of the radioisotope X-ray source at 5.9 keV and 6.49 keV in the appropriate ratio, as well as taking into account the relative efficiency of the detector at these X-ray energies.

Энергетическое разрешение (ПШПВ) спектрометра на основе рентгеновского фотодиода без лавинного пробоя ухудшалось под действием шума Фано, шума из-за захвата заряда и электронного шума. Шум Фано обусловлен статистической природой процесса ионизации. При каждой исследованной температуре наблюдаемая ПШПВ была больше, чем ожидаемое Фано-ограниченное энергетическое разрешение, что указывает на наличие более мощных источников шума, чем статистический процесс образования заряда. В фотодиодном рентгеновском спектрометре электронный шум обусловлен пятью разными компонентами: параллельным белым шумом, последовательным белым шумом, шумом из-за индуцированного тока затвора, шумом 1/f и диэлектрическим шумом. Токи утечки детектора и кремниевого входного полевого транзистора с p-n-переходом предусилителя (который работал без охлаждения при каждой температуре) влияли на параллельный белый шум. Емкости детектора и входного полевого транзистора с p-n-переходом в предусилителе влияли на последовательный белый шум и на шум 1/f. Параллельный белый шум и последовательный белый шум соответственно прямо и обратно пропорциональны времени формирования, в то время как шум 1/f и диэлектрический шум не зависят от времени формирования.The energy resolution (FWHM) of an X-ray photodiode spectrometer without avalanche breakdown was degraded by Fano noise, charge trapping noise, and electronic noise. Fano noise is due to the statistical nature of the ionization process. At each temperature examined, the observed FWHM was larger than the expected Fano-limited energy resolution, indicating the presence of more powerful noise sources than the statistical charge generation process. In a photodiode X-ray spectrometer, electronic noise is caused by five different components: parallel white noise, series white noise, noise due to induced gate current, 1/f noise, and dielectric noise. Leakage currents from the detector and the preamplifier's silicon input FET (which ran uncooled at each temperature) affected the parallel white noise. The capacitances of the detector and input FET in the preamplifier affected the serial white noise and 1/f noise. Parallel white noise and series white noise are directly and inversely proportional to shaping time, respectively, while 1/f noise and dielectric noise are independent of shaping time.

Вычисленные параллельный белый шум, последовательный белый шум (отрегулированный с учетом шума из-за индуцированного тока затвора) и шум 1/f при значениях времени формирования 0,5 мкс, 1 мкс и 10 мкс и при подаче на фотодиод обратного смещения 5 В, показаны на фиг. 15А, 15В и 15С соответственно. На графиках показаны значения вклада параллельного белого шума (пустые кружочки), последовательного белого шума (закрашенные квадратики) и шума 1/f (пустые треугольники). Высокий параллельный белый шум, наблюдавшийся при повышенных температурах и увеличенных значениях времени формирования, был обусловлен не высоким током утечки в детекторе, а более высоким током неохлаждаемого кремниевого входного полевого транзистора с p-n-переходом предусилителя.The calculated parallel white noise, series white noise (adjusted for noise due to induced gate current), and 1/f noise at shaping times of 0.5 µs, 1 µs, and 10 µs with 5 V reverse bias applied to the photodiode are shown. in fig. 15A, 15B, and 15C, respectively. The graphs show the contributions of parallel white noise (open circles), serial white noise (solid squares), and 1/f noise (open triangles). The high parallel white noise observed at elevated temperatures and extended shaping times was not due to high detector leakage current, but to the higher current of the preamplifier's uncooled silicon input FET.

Как описано выше, (1) ПШПВ фотопика не уменьшалась при обратных смещениях > 5 В, (2) количество каналов центра тяжести фотопика не увеличивалось при повышении обратного смещения с превышением 5 В, и (3) спектры, показанные на фиг. 14, хорошо аппроксимировались гауссовыми распределениями без ступеней и других искажений за пределами ожидаемого низкоэнергетического размытия. Таким образом, можно предположить, что разность квадратов между ПШПВ при 5,9 кэВ и вычисленными значениями вклада (шума Фано, параллельного белого шума, последовательного белого шума и шума 1/f) может быть отнесена за счет диэлектрического шума (т.е. при данных условиях шум из-за захвата заряда был пренебрежимо малым).As described above, (1) the FWHM of the photopeak did not decrease with reverse biases >5 V, (2) the number of photopeak center of gravity channels did not increase with increasing reverse bias above 5 V, and (3) the spectra shown in FIG. 14 fit well with Gaussian distributions without steps or other distortions beyond the expected low energy smearing. Thus, it can be assumed that the squared difference between the FWHM at 5.9 keV and the calculated contributions (Fano noise, parallel white noise, serial white noise, and 1/f noise) can be attributed to dielectric noise (i.e., at under these conditions, the noise due to charge capture was negligible).

Температурная зависимость диэлектрического шума показана на фиг. 16. Фиг. 16 показывает эквивалентный шумовой заряд диэлектрического шума при 5,9 кэВ в зависимости от температуры при подаче на фотодиод обратного смещения 5 В. В температурном диапазоне от 100°С до 20°С вклад диэлектрического шума при 5,9 кэВ линейно снижался с повышением температуры: при 100°С вычисленное значение составило 94 е- (ср. квадр.) ± 15 е- (ср. квадр.), в то время как при 20°С вычисленное значение составило 68 е- (ср. квадр.) ± 15 е- (ср. квадр). Зависимость квадрата эквивалентного заряда диэлектрического шума от температуры была аппроксимирована методом линейных наименьших квадратов. Оцененный исходя из этого общий коэффициент потерь, относящийся ко всем диэлектрикам в спектрометре, составил (8,5±0,8)×10-3. Сравнение стандартных отклонений аппроксимации с экспериментальными ошибками показало приемлемость линейной аппроксимации, и таким образом была подтверждена правильность вычисленного значения общего коэффициента потерь.The temperature dependence of dielectric noise is shown in Fig. 16. FIG. 16 shows the equivalent noise charge of dielectric noise at 5.9 keV as a function of temperature with 5 V reverse bias applied to the photodiode. Over the temperature range of 100°C to 20°C, the contribution of dielectric noise at 5.9 keV decreased linearly with increasing temperature: at 100°C the calculated value was 94 e- (rms) ± 15 e- (rms), while at 20°C the calculated value was 68 e- (rms) ± 15 e - (compare square). The dependence of the squared equivalent charge of dielectric noise on temperature was approximated by the linear least squares method. Based on this, the total loss factor estimated from this, relating to all dielectrics in the spectrometer, was (8.5±0.8)×10 -3 . Comparison of standard deviations of the approximation with experimental errors showed the acceptability of the linear approximation, and thus the correctness of the calculated value of the total loss factor was confirmed.

На фиг. 17 показан квадрат эквивалентного шумового заряда (ENCD2) диэлектрического шума при 5,9 кэВ в зависимости от температуры. Также показана линия наилучшей аппроксимации, вычисленная путем аппроксимации методом линейных наименьших квадратов.In FIG. 17 shows the equivalent noise charge squared (ENCD2) of dielectric noise at 5.9 keV as a function of temperature. Also shown is a line of best fit calculated by a linear least squares fit.

In0.5Ga0.5P-спектрометр обеспечил возможность работы при высоких температурах (вплоть до исследованного максимума 100°С). Он показал лучшую ПШПВ по сравнению с той, которая достигается с помощью Al0.52In0.48P- и Al0.8Ga0.2As-спектрометров. Способность к работе при столь высоких температурах (100°С), в сочетании с их более высокими коэффициентами ослабления рентгеновского излучения, делает In0.5Ga0.5P-спектрометры предпочтительными по сравнению с GaAs-спектрометрами, о которых сообщалось в недавних публикациях и которые имеют максимальную рабочую температуру 60°С. Кроме того, рентгеновский In0.5Ga0.5P-спектрометр лучше работает при 100°С по сравнению с рентгеновскими Al0.52In0.48P-спектрометрами, о которых ранее сообщалось в публикациях. ПШПВ при 5,9 кэВ для In0.5Ga0.5P-устройства составила 1,27 кэВ при 100°С, по сравнению с 1,57 кэВ для Al0.52In0.48P-устройства, использующего аналогичную электронную схему считывания в устройстве. In0.5Ga0.5P также имеет более высокие коэффициенты линейного ослабления, чем Al0.52In0.48P.The In 0.5 Ga 0.5 P spectrometer made it possible to operate at high temperatures (up to the investigated maximum of 100°C). It showed a better FWHM compared to that achieved with Al 0.52 In 0.48 P- and Al 0 . 8 Ga 0.2 As spectrometers. The ability to operate at such high temperatures (100°C), combined with their higher X-ray attenuation coefficients, makes In 0.5 Ga 0.5 P spectrometers preferred over the GaAs spectrometers reported in recent publications, which have the highest operating temperature 60°C. In addition, the In 0.5 Ga 0.5 P X-ray spectrometer performs better at 100°C compared to the Al 0.52 In 0.48 P X-ray spectrometers previously reported in publications. The FWHM at 5.9 keV for the In 0.5 Ga 0.5 P device was 1.27 keV at 100°C, compared to 1.57 keV for the Al 0.52 In 0.48 P device using a similar readout electronics in the device. In 0.5 Ga 0.5 P also has higher linear attenuation coefficients than Al 0.52 In 0.48 P.

Поскольку электронные схемы считывания, используемые для определения характеристик указанных материалов, были в значительной степени сходными, различия в полученных ПШПВ для этих материалов (GaAs, AlInP, InGaP) могут быть объяснены с учетом различия их энергий создания электронно-дырочных пар и значений шумового вклада в считывающих электронных схемах при высокой температуре. Например, общий шум 86 е- (ср. квадр.) на выходе предусилителя соответствует 840 эВ в GaAs, 1,00 кэВ в In0.5Ga0.5P и 1,08 кэВ в Al0.52In0.48P. Наблюдавшаяся ПШПВ 1,02 кэВ при 5,9 кэВ при 60°С для In0.5Са0.5P-спектрометра оказалась очень близка к ожидаемому значению. Следовательно, общий шум в е- (ср. квадр.) был сходным в GaAs- и In0.5Ga0.5P-спектрометрах, поскольку предусилитель был ограничен шумами, отличными от шумов из-за тока утечки детектора при этих температурах. Следует также отметить, что коэффициенты ослабления рентгеновского излучения в In0.5Ga0.5P составляют намного выше, чем в других материалах, таких как SiC. Таким образом, даже если предельно достижимое энергетическое разрешение при использовании In0.5Ga0.5P будет ниже, чем при использовании других материалов, In0.5Ga0.5P по-прежнему может оставаться предпочтительным для областей применения с потоками низкой интенсивности и высокими энергиями.Since the readout electronics used to characterize these materials were largely similar, the differences in the obtained FWHMs for these materials (GaAs, AlInP, InGaP) can be explained by taking into account the difference in their electron-hole pair creation energies and the values of the noise contribution to reading electronic circuits at high temperature. For example, a total noise of 86 e- (rms) at the output of the preamplifier corresponds to 840 eV in GaAs, 1.00 keV in In 0.5 Ga 0.5 P, and 1.08 keV in Al 0.52 In 0.48 P. The observed FWHM is 1.02 keV at 5.9 keV at 60°C for In 0.5 Ca 0.5 P-spectrometer was very close to the expected value. Therefore, the overall noise in the e-(rms) was similar in the GaAs and In 0.5 Ga 0.5 P spectrometers, since the preamplifier was limited by noises different from those due to detector leakage current at these temperatures. It should also be noted that the X-ray attenuation coefficients in In 0.5 Ga 0.5 P are much higher than in other materials such as SiC. Thus, even if the maximum achievable energy resolution with In 0.5 Ga 0.5 P is lower than with other materials, In 0.5 Ga 0.5 P may still be preferred for applications with low fluxes and high energies.

Фано-ограниченное энергетическое разрешение относится к процессу создания заряда при поглощении фотона рентгеновского излучения и представляет собой статистически ограниченное энергетическое разрешение спектрометра на основе рентгеновского фотодиода без лавинного пробоя. Фано-ограниченное энергетическое разрешение (ПШПВ в эВ) может быть вычислено по приведенной ниже формуле (1):Fano-limited energy resolution refers to the process of generating charge by absorbing an X-ray photon and is the statistically limited energy resolution of an X-ray photodiode spectrometer without avalanche breakdown. The Fano-limited energy resolution (FWHM in eV) can be calculated using the formula (1) below:

Figure 00000007
Figure 00000007

где ε - энергия создания электронно-дырочных пар в полупроводнике, F - коэффициент Фано, и Е - энергия фотонов рентгеновского излучения. Разные полупроводники имеют разные Фано-ограниченные энергетические разрешения при одной и той же энергии фотонов рентгеновского излучения. Это объясняется тем, что Фано-ограниченное энергетическое разрешение при каждой энергии зависит от физических свойств материала (средней энергии создания электронно-дырочных пар и коэффициента Фано).where ε is the energy of creating electron-hole pairs in a semiconductor, F is the Fano coefficient, and E is the energy of X-ray photons. Different semiconductors have different Fano-limited energy resolutions for the same X-ray photon energy. This is because the Fano-limited energy resolution at each energy depends on the physical properties of the material (average energy of creation of electron-hole pairs and the Fano coefficient).

При измерениях энергии создания электронно-дырочных пар при комнатной температуре (20°С), заряд, создаваемый в результате поглощения рентгеновского излучения от 55Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения в In0.5Ga0.5P-фотодиоде, измерялся относительно заряда, создаваемого в контрольном GaAs-фотодиоде с меза-структурой диаметром 200 мкм. Структура GaAs-устройства представлена в приведенной ниже таблице 4. In0.5Ga0.5P- и GaAs-детекторы были соединены параллельно с изготовленным на заказ малошумящим зарядочувствительным предусилителем.When measuring the creation energy of electron-hole pairs at room temperature (20°C), the charge created as a result of absorption of X-rays from a 55 Fe radioisotope X-ray source in an In 0.5 Ga 0.5 P photodiode was measured relative to the charge created in the reference GaAs -photodiode with a mesa structure with a diameter of 200 μm. The structure of the GaAs device is shown in Table 4 below. In 0.5 Ga 0.5 P and GaAs detectors were connected in parallel with a custom low noise charge sensitive preamplifier.

Figure 00000008
Figure 00000008

На оба из In0.5Ga0.5P- и GaAs-фотодиодов независимо подавалось обратное смещение 10 В. В свою очередь, сбор спектров производился с помощью радиоизотопного источника рентгеновского излучения, осуществлявшего раздельное облучение In0.5Ga0.5P-устройства и GaAs-устройства. С помощью гауссовых распределений осуществлялась аппроксимация обнаруженных пиков Mn Kα (5,9 кэВ) and Mn Kβ (6,49 кэВ) собранных спектров; собранные 55Fe рентгеновские спектры и аппроксимированные пики при 5,9 кэВ для In0.5Ga0.5P-детектора и контрольного GaAs-фотодиода показаны на фиг. 18.Both In 0.5 Ga 0.5 P and GaAs photodiodes were independently biased with a reverse bias of 10 V. In turn, the spectra were collected using a radioisotope X-ray source, which separately irradiated the In 0.5 Ga 0.5 P device and the GaAs device. Using Gaussian distributions, the detected peaks of Mn Kα (5.9 keV) and Mn Kβ (6.49 keV) of the collected spectra were approximated; collected 55 Fe X-ray spectra and fit peaks at 5.9 keV for the In 0.5 Ga 0.5 P detector and reference GaAs photodiode are shown in FIG. 18.

На фиг. 18 показаны собранные рентгеновские спектры при обратном смещении 10 В, полученные с помощью ln0.5Ga0.5P-устройства и контрольного GaAs-фотодетектора при облучении 55Fe-радиоизотопным источником рентгеновского излучения. Также показаны аппроксимированные линии 5,9 кэВ для ln0.5Ga0.5P-устройства (точечно-пунктирная линия) и контрольного GaAs-фотодетектора (пунктирная линия). Для простоты, аппроксимированные пики Mn Kβ при 6,49 кэВ не показаны, однако они надлежащим образом были включены в аппроксимацию.In FIG. 18 shows collected X-ray spectra at a reverse bias of 10 V obtained with an ln 0.5 Ga 0.5 P device and a reference GaAs photodetector, irradiated with a 55 Fe radioisotope X-ray source. Also shown are the approximated 5.9 keV lines for the ln 0.5 Ga 0.5 P device (dotted line) and the reference GaAs photodetector (dashed line). For simplicity, the approximate Mn Kβ peaks at 6.49 keV are not shown, but they have been properly included in the approximation.

Количество заряда, соответствующее каждому каналу многоканального анализатора, было вычислено с использованием местоположения нулевого энергетического пика предусилителя и пика 5,9 кэВ, обнаруженных с помощью контрольного GaAs-фотодиода. При данном вычислении использовалась также энергия создания электронно-дырочных пар в GaAs (4,184 эВ ± 0,025 эВ). Далее энергия (εInGaP) создания электронно-дырочных пар в In0.5Ga0.5P была определена по нижеследующей формуле (2):The amount of charge corresponding to each channel of the multichannel analyzer was calculated using the location of the zero energy peak of the preamplifier and the 5.9 keV peak detected using a reference GaAs photodiode. In this calculation, the energy of creation of electron-hole pairs in GaAs (4.184 eV ± 0.025 eV) was also used. Next, the energy (εInGaP) of creating electron-hole pairs in In 0.5 Ga 0.5 P was determined by the following formula (2):

Figure 00000009
Figure 00000009

где εGaAs - энергия создания электронно-дырочных пар в GaAs, NGaAs и NInGaP - количество зарядов, созданных в контрольном GaAs-детекторе и ln0.5Ga0.5P-детекторе соответственно. Измеренное для εInGaP экспериментальное значение при комнатной температуре (20°С) составило 4,94 эВ ± 0,06 эВ. Для исследования эффективности работы In0.5Ga0.5P-детектора при более высоких обратных смещениях, обратное смещение было повышено до 15 В, и эксперимент был повторен. В этом случае измеренная энергия создания электронно-дырочных пар составила 4,90 эВ ± 0,04 эВ. Сходство указанных значений дополнительно подтверждает, что захват заряда был пренебрежимо малым. Если бы захват заряда был значительным, то наблюдалось бы существенное снижение кажущейся энергии создания электронно-дырочных пар при более высоких обратных смещениях вследствие повышенного переноса заряда при более высоком электрическом поле.where εGaAs is the energy of creating electron-hole pairs in GaAs, NGaAs, and NInGaP is the number of charges created in the reference GaAs detector and ln 0.5 Ga 0.5 P detector, respectively. The experimental value measured for εInGaP at room temperature (20°C) was 4.94 eV ± 0.06 eV. To investigate the performance of the In 0.5 Ga 0.5 P detector at higher reverse biases, the reverse bias was increased to 15 V and the experiment was repeated. In this case, the measured energy of creating electron-hole pairs was 4.90 eV ± 0.04 eV. The similarity of these values further confirms that the charge capture was negligible. If the charge capture were significant, then there would be a significant decrease in the apparent energy of creating electron-hole pairs at higher reverse biases due to increased charge transfer at a higher electric field.

Зависимость энергии создания электронно-дырочных пар в In0.5Ga0.5P от температуры была изучена в температурном диапазоне от 100°С до 20°С. Для этой группы измерений детектор был отдельно (т.е. без контрольного GaAs-детектора) соединен с изготовленным на заказ малошумящим зарядочувствительным предусилителем и подвергнут облучению с помощью 55Fe-радиоизотопного источника рентгеновского излучения. Изменение коэффициента преобразования в самом предусилителе в зависимости от температуры было измерено в указанном температурном диапазоне путем соединения стабилизированного генератора импульсов (модель ВН-1 от компании Berkeley Nucleonics Corporation) со входом тестового сигнала предусилителя. Изменение местоположения центра тяжести пика генератора импульсов позволило отделить изменение характеристики предусилителя в зависимости от температуры от изменения энергии создания электронно-дырочных пар в фотодиоде. Изменение местоположения центра тяжести пика генератора импульсов было надлежащим образом скорректировано с учетом изменения тестовой емкости в зависимости от температуры. Был произведен сбор спектров и с помощью гауссовых распределений были аппроксимированы фотопики и пики от генератора импульсов с целью определения местоположений их центров тяжести относительно нулевого шумового пика. Заряд, созданный в In0.5Ga0.5P-фотодиоде под действием фотонов рентгеновского излучения, был соотнесен с относительным изменением местоположения фотопика на зарядной шкале многоканального анализатора. Последнее было скорректировано с учетом изменения коэффициента преобразования в зависимости от температуры (определенного на основе пика генератора импульсов). Разные количества заряда, создаваемые при разных температурах, были обусловлены изменением энергии (εInGaP) создания электронно-дырочных пар в In0.5Ga0.5P. Затем при каждой температуре было вычислено абсолютное значение εInGaP с использованием ранее определенного значения εInGaP при комнатной температуре.The dependence of the energy of creation of electron-hole pairs in In 0.5 Ga 0.5 P on temperature was studied in the temperature range from 100°С to 20°С. For this set of measurements, the detector was separately (ie without a reference GaAs detector) connected to a custom low noise charge sensitive preamplifier and irradiated with a 55 Fe radioisotope X-ray source. The temperature variation of the preamplifier itself with temperature was measured over the specified temperature range by connecting a stabilized pulse generator (Model BH-1 from Berkeley Nucleonics Corporation) to the test input of the preamplifier. Changing the location of the center of gravity of the peak of the pulse generator made it possible to separate the change in the characteristics of the preamplifier depending on temperature from the change in the energy of creating electron-hole pairs in the photodiode. The change in the location of the center of gravity of the pulse generator peak has been appropriately corrected for the change in test capacitance with temperature. Spectra were collected and photopeaks and peaks from the pulse generator were approximated using Gaussian distributions in order to determine the locations of their centers of gravity relative to the zero noise peak. The charge created in the In 0.5 Ga 0.5 P photodiode under the action of X-ray photons was correlated with the relative change in the location of the photopeak on the charge scale of the multichannel analyzer. The latter has been corrected for the change in conversion factor with temperature (determined from the peak of the pulser). The different amounts of charge created at different temperatures were due to the change in the energy (εInGaP) of creating electron-hole pairs in In 0.5 Ga 0.5 P. Then, at each temperature, the absolute value of εInGaP was calculated using the previously determined value of εInGaP at room temperature.

Энергия создания электронно-дырочных пар в In0.5Ga0.5P как функция температуры показана на фиг. 19. Была обнаружена несомненная слабая тенденция, подтверждающая, что энергия создания электронно-дырочных пар в In0.5Ga0.5P повышается с повышением температуры: при 100°С εInGaP=5,02 эВ ± 0,07 эВ, в то время как при 20°С εInGaP=4,94 эВ ± 0,06 эВ. Такая тенденция является неожиданной. Обычно считалось, что средняя энергия создания электронно-дырочных пар линейно снижается с повышением температуры. Такое снижение может быть понято с учетом зависимости энергии создания электронно-дырочных пар от ширины запрещенной зоны материала. Согласно предыдущим публикациям, эмпирическая связь между энергией создания электронно-дырочных пар и шириной запрещенной зоны в полупроводнике является линейной. Поскольку ширина запрещенной зоны увеличивается со снижением температуры, ожидается аналогичное поведение и от энергии создания электронно-дырочных пар, по меньшей мере частично, вследствие изменения ширины запрещенной зоны. Теоретические расчеты по методу Монте-Карло, проведенные ранее для кремния, предсказали снижение энергии создания электронно-дырочных пар в кремнии в зависимости от температуры. В такой модели были учтены физические механизмы, такие как поглощение рентгеновского излучения, атомная релаксация и потери энергии электронов.The energy of creating electron-hole pairs in In 0.5 Ga 0.5 P as a function of temperature is shown in FIG. 19. An undoubted weak trend was found confirming that the energy of creating electron-hole pairs in In 0.5 Ga 0.5 P increases with increasing temperature: at 100 ° C εInGaP = 5.02 eV ± 0.07 eV, while at 20 °С εInGaP=4.94 eV ± 0.06 eV. This trend is unexpected. It was usually assumed that the average energy of creating electron-hole pairs decreases linearly with increasing temperature. Such a decrease can be understood taking into account the dependence of the energy of creation of electron-hole pairs on the band gap of the material. According to previous publications, the empirical relationship between the creation energy of electron-hole pairs and the band gap in a semiconductor is linear. Since the band gap increases with decreasing temperature, a similar behavior is expected for the creation energy of electron-hole pairs, at least in part, due to a change in the band gap. Theoretical Monte Carlo calculations performed earlier for silicon predicted a decrease in the energy of creating electron-hole pairs in silicon as a function of temperature. Such a model took into account physical mechanisms such as X-ray absorption, atomic relaxation, and electron energy losses.

Вычисленное ожидаемое Фано-ограниченное энергетическое разрешение (ПШПВ) при 5,9 кэВ в детекторах рентгеновского излучения, изготовленных из In0.5Ga0.5P, составило 139 эВ при 20°С. Оно было оценено с использованием формулы (1), определенных значений для энергии создания электронно-дырочных пар и в предположении, что коэффициент Фано равен 0,12. Наблюдалось пренебрежимо малое изменение в температурном диапазоне от 20°С до 100°С.The calculated expected Fano-limited energy resolution (FWHM) at 5.9 keV in X-ray detectors made of In 0.5 Ga 0.5 P was 139 eV at 20°C. It was estimated using formula (1), determined values for the creation energy of electron-hole pairs, and assuming that the Fano coefficient is equal to 0.12. There was a negligible change in the temperature range from 20°C to 100°C.

Энергия создания электронно-дырочных пар, полученная при 27°С (300 K) (4,95 эВ ± 0,03 эВ), хорошо согласуется со значением, предсказанным для In0.5Ga0.5P на основе соотношения Бертуччо-Майокки-Барнетта (ВМВ) (4,83 эВ ± 0,21 эВ).The energy of creation of electron-hole pairs obtained at 27°C (300 K) (4.95 eV ± 0.03 eV) is in good agreement with the value predicted for In 0.5 Ga 0.5 P based on the Bertuccio-Maiocchi-Barnett relation (BMW ) (4.83 eV ± 0.21 eV).

На фиг. 20 показана средняя энергия создания электронно-дырочных пар для Ge, Si, GaAs, Al0.2Ga0.8As, Al0.8Ga0.2As (закрашенные кружочки) и In0.5Ga0.5P (закрашенные квадратики) в зависимости от их ширины запрещенной зоны при температуре 300 K.In FIG. Figure 20 shows the average energy of creation of electron-hole pairs for Ge, Si, GaAs, Al 0.2 Ga 0.8 As, Al 0.8 Ga 0.2 As (solid circles) and In 0.5 Ga 0.5 P (solid squares) depending on their band gap at temperature 300K.

Аппроксимация указанных данных методом линейных наименьших квадратов показала, что ранее опубликованная ВМВ-зависимость между энергией создания электронно-дырочных пар и шириной запрещенной зоны может быть уточнена с использованием новых данных для In0.5Ga0.5P. Новое соотношение имеет вид: ε=AEg+В, где А=(1,62±0,08) и В=(1,79±0,13) эВ.Approximation of these data by the linear least squares method showed that the previously published WMW dependence between the energy of creation of electron-hole pairs and the band gap can be refined using new data for In 0.5 Ga 0.5 P. The new ratio has the form: ε=AEg+В , where A=(1.62±0.08) and B=(1.79±0.13) eV.

Первоначально авторы настоящего изобретения продемонстрировали использование рентгеновского спектрометра с InGaP-детектором в температурном диапазоне от 100°С до 20°С. Характеристики спектрометра определялись при разных значениях времени формирования и обратных смещениях детектора. Наилучшее энергетическое разрешение (наименьшая ПШПВ) при 5,9 кэВ составила 1,27 кэВ при 100°С при использовании времени формирования 0,5 мкм, и она улучшилась до 840 эВ при 20°С (при использовании времени формирования 10 мкс), когда на InGaP-детектор подавалось обратное смещение 5 В. Улучшение энергетического разрешения (количественно выражаемого с помощью ПШПВ на 5,9 кЭв) наблюдалось при повышении подаваемого обратного смещения с 0 В до 5 В. Лучшие результаты, полученные при 5 В, могут быть объяснены с учетом улучшенного накопления заряда при более высокой напряженности электрического поля. ПШПВ, сходные с измеренной при 5 В, наблюдались при 10 В и 15 В, и это подтверждает, что шум из-за захвата заряда при 5 В и выше был пренебрежимо мал. Анализ шумов системы показал, что наблюдавшаяся ПШПВ была лучше, чем вероятное статистически ограниченное энергетическое разрешение (т.е. Фано-ограниченное энергетическое разрешение). Были вычислены параллельный белый шум, последовательный белый шум, шум 1/f и диэлектрический шум. Более высокий параллельный белый шум, наблюдавшийся при повышенных температурах, был вызван кремниевым входным полевым транзистором с p-n-переходом предусилителя, а не фотодетектором.Initially, the authors of the present invention demonstrated the use of an X-ray spectrometer with an InGaP detector in the temperature range from 100°C to 20°C. The characteristics of the spectrometer were determined for different values of the formation time and reverse biases of the detector. The best energy resolution (lowest FWHM) at 5.9 keV was 1.27 keV at 100°C using a shaping time of 0.5 µm, and it improved to 840 eV at 20°C (using a shaping time of 10 µs) when 5 V reverse bias was applied to the InGaP detector. An improvement in energy resolution (quantified by FWHM by 5.9 keV) was observed when the applied reverse bias was increased from 0 V to 5 V. The best results obtained at 5 V can be explained with taking into account improved charge storage at higher electric field strengths. FWHMs similar to those measured at 5 V were observed at 10 V and 15 V, confirming that charge-trapping noise at 5 V and above was negligible. System noise analysis showed that the observed FWHM was better than the likely statistically limited energy resolution (ie, Fano-limited energy resolution). Parallel white noise, series white noise, 1/f noise, and dielectric noise were calculated. The higher parallel white noise observed at elevated temperatures was due to the preamplifier's silicon input FET rather than the photodetector.

Хотя в данном документе были описаны круглые фотодиоды (если смотреть сверху вниз), предполагаются и другие геометрические формы фотодиодов. Круглые устройства могут быть предпочтительными для использования в однопиксельных детекторах, поскольку в них отношение площади верхней поверхности к площади боковой стенки является максимальным. Для детекторов с пиксельной матрицей, содержащих множество таких фотодиодов, расположенных в виде одномерной или двумерной матрицы, могут быть желательны устройства круглой или иной формы. Например, может быть желательным использование устройств, которые имеют мозаичную форму, например квадратных или многоугольных устройств.While circular photodiodes (when viewed from top to bottom) have been described in this document, other photodiode geometries are contemplated. Circular devices may be preferred for use in single pixel detectors because they maximize the ratio of top surface area to side wall area. For pixel array detectors containing a plurality of such photodiodes arranged in a one- or two-dimensional array, circular or other shaped devices may be desirable. For example, it may be desirable to use devices that are tiled, such as square or polygonal devices.

Были описаны различные варианты осуществления, в которых фотодиод использовался для спектроскопии и/или для определения местоположения источника рентгеновского излучения и/или гамма-излучения. Тем не менее, предполагается, что фотодиод может использоваться и в других приборах. Например, фотодиод может использоваться в радиоизотопной микробатарее (известной также как ядерная микробатарея).Various embodiments have been described in which a photodiode was used for spectroscopy and/or for locating an x-ray and/or gamma ray source. However, it is assumed that the photodiode can be used in other devices. For example, a photodiode can be used in a radioisotope microbattery (also known as a nuclear microbattery).

Ядерные микробатареи содержат радиоактивный источник для эмиссии радиоактивных частиц (т.е. альфа- или бета-частиц) или фотонов и детектор, который принимает эти частицы или фотоны и преобразует их в электрический ток. Такие устройства желательны, поскольку они имеют сравнительно долгий срок службы (например, > 10 лет), высокую плотность энергии и малый размер. Эти устройства могут использоваться в таких областях применения, как микроэлектромеханические системы (microelectromechanical systems, MEMS), имплантируемые медицинские устройства и военное оборудование. Желательно, чтобы ядерные микробатареи имели возможность использования в экстремальных условиях (включая высокие и низкие температуры, экстремальные давления, механические удары и вибрации), поскольку это может потребоваться для определенных областей применения, таких как аэронавтика, астронавтика, глубоководные работы и оборудование для горячих и холодных климатических условий, например для пустынь.Nuclear microbatteries contain a radioactive source for emitting radioactive particles (ie alpha or beta particles) or photons and a detector that receives these particles or photons and converts them into electrical current. Such devices are desirable because they have a relatively long service life (eg > 10 years), high energy density and small size. These devices can be used in applications such as microelectromechanical systems (MEMS), implantable medical devices, and military equipment. It is desirable that nuclear microbatteries have the ability to operate in extreme environments (including high and low temperatures, extreme pressures, mechanical shock and vibration) as this may be required for certain applications such as aeronautics, astronautics, deep sea operations and equipment for hot and cold climatic conditions, for example for deserts.

Воздействие рабочей температуры на характеристики фотоэлектрической ячейки микробатареи является важным во многих целевых областях применения, поскольку температура может сильно влиять на характеристики фотоэлектрической ячейки.The effect of operating temperature on the performance of a microvoltaic photovoltaic cell is important in many target applications because temperature can greatly influence the performance of a photovoltaic cell.

Авторами настоящего изобретения было выяснено, что фотодиод, содержащий InGaP, особенно полезен в ядерной микробатарее, поскольку, как описано выше, InGaP неожиданно оказался эффективным при преобразовании рентгеновского излучения и гамма-излучения в электрические носители заряда. Кроме того, использование InGaP обеспечивает возможность работы микробатареи в сравнительно широком диапазоне температур и при высоких дозах радиации при сравнительно небольшом ухудшении рабочих характеристик. Эти характеристики, в сочетании со сравнительно высокой эффективностью преобразования и сравнительно низкими производственными затратами (например, он может выращиваться на имеющихся в продаже GaAs-подложках с использованием обычных методов выращивания), делают InGaP особенно пригодным для использования в рентгеновских и/или в гамма-лучевых ядерных микробатареях.The present inventors have found that an InGaP-containing photodiode is particularly useful in a nuclear microbattery because, as described above, InGaP is surprisingly effective in converting X-rays and gamma rays into electrical charge carriers. In addition, the use of InGaP makes it possible to operate the microbattery in a relatively wide range of temperatures and at high doses of radiation with relatively little degradation in performance. These characteristics, combined with relatively high conversion efficiency and relatively low manufacturing costs (for example, it can be grown on commercially available GaAs substrates using conventional growth methods), make InGaP particularly suitable for use in X-ray and/or gamma-ray nuclear microbatteries.

Было также выяснено, что использование ядерной микробатареи, содержащей радиоизотопный источник рентгеновского излучения, снижает риск, связанный с повреждением устройства, по сравнению, например, с радиоизотопными источниками бета-частиц, поскольку источники мягкого рентгеновского излучения (например, с энергией фотонов < 10 кэВ) могут быть сравнительно легко экранированы для обеспечения безопасных условий.It has also been found that the use of a nuclear microbattery containing a radioisotope X-ray source reduces the risk associated with damage to the device, compared to, for example, radioisotope sources of beta particles, since soft X-ray sources (for example, with photon energies < 10 keV) can be relatively easily shielded to provide a safe environment.

Далее лишь на примере будет описан иллюстративный вариант осуществления ядерной микробатареи для помощи в понимании настоящего изобретения. Следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается включением всех из вышеописанных слоев или конкретным составом различных слоев в данном примере.Hereinafter, by way of example only, an illustrative embodiment of a nuclear microbattery will be described to assist in understanding the present invention. It should be understood that the present invention is not limited to the inclusion of all of the above layers or the specific composition of the various layers in this example.

Была изготовлена микробатарея, содержащая описанный выше применительно к таблице 1 фотодиод с меза-структурой диаметром 400 мкм и 206 МБк 55Fe-радиоизотопный источник рентгеновского излучения (Mn Kα=5,9 кэВ, Mn Kβ=6,49 кэВ) для облучения указанного фотодиода. Источник рентгеновского излучения был размещен на удалении 5 мм от верхней поверхности детектора (т.е. при нахождении PIN-структуры между источником рентгеновского излучения и подложкой (слой 7 в таблице 1)).A microbattery was fabricated containing a 400 μm diameter mesa photodiode as described above for Table 1 and a 206 MBq 55 Fe radioisotope X-ray source (Mn Kα=5.9 keV, Mn Kβ=6.49 keV) for irradiating said photodiode. . The X-ray source was placed at a distance of 5 mm from the upper surface of the detector (ie, with the PIN structure between the X-ray source and the substrate (layer 7 in Table 1)).

Микробатарея была размещена внутри климатической камеры TAS Micro МТ в атмосфере сухого азота (относительная влажность < 5%). Характеристики тока в зависимости от подаваемого прямого смещения (от 0 В до 1 В с шагом 0,01 В) были измерены с помощью пикоамперметра/источника напряжения Keithley 6487 в температурном диапазоне от -20°С до 100°С.The microbattery was placed inside a TAS Micro MT climate chamber in a dry nitrogen atmosphere (relative humidity < 5%). Current characteristics versus forward bias applied (0V to 1V in 0.01V steps) were measured with a Keithley 6487 picoammeter/voltage source over a temperature range of -20°C to 100°C.

На фиг. 9 показан электрический ток, генерируемый микробатареей, в зависимости от прямого смещения на фотодиоде для различных температурных условий.In FIG. 9 shows the electric current generated by the microbattery as a function of the forward bias on the photodiode for various temperature conditions.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что возможно внесение различных изменений в форму и детали без выхода за рамки объема настоящего изобретения, сформулированного в приложенной формуле изобретения.Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, those skilled in the art will appreciate that various changes in form and detail may be made without departing from the scope of the present invention as set forth in the appended claims.

Claims (26)

1. Фотодиод для использования при обнаружении рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, содержащий1. A photodiode for use in detecting x-rays and/or gamma rays, comprising PIN-переход, образованный не легированным слоем InGaP, расположенным непосредственно между р-легированным слоем InGaP и n-легированным слоем InGaP;PIN junction formed by an undoped InGaP layer located directly between a p-doped InGaP layer and an n-doped InGaP layer; илиor p-n-переход, образованный р-легированным слоем InGaP, контактирующим с n-легированным слоем InGaP;a p-n junction formed by a p-doped InGaP layer in contact with an n-doped InGaP layer; причем указанный PIN-переход или p-n-переход расположены и выполнены с возможностью поглощения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, падающего на этот фотодиод, и генерирования носителей заряда в ответ на это.wherein said PIN junction or p-n junction is positioned and configured to absorb x-rays and/or gamma rays incident on said photodiode and generate charge carriers in response thereto. 2. Фотодиод по п. 1, содержащий корпус или экран, расположенный и выполненный с возможностью предотвращения попадания фотонов, отличных от фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, на InGaP, и/или расположенный и выполненный с возможностью предотвращения попадания радиоактивных бета- и/или альфа-частиц на InGaP.2. The photodiode according to claim 1, containing a housing or screen located and configured to prevent photons other than photons of x-rays and / or gamma radiation from entering the InGaP, and / or located and configured to prevent the entry of radioactive beta- and/or alpha particles on InGaP. 3. Фотодиод по п. 2, в котором корпус или экран изготовлен из металла, в частности из металлической фольги.3. Photodiode according to claim. 2, in which the housing or screen is made of metal, in particular of metal foil. 4. Фотодиод по любому из пп. 1-3, в котором i-слой PIN-перехода имеет следующую толщину: ≥ 5 мкм, ≥ 10 мкм, ≥ 15 мкм, ≥ 20 мкм, ≥ 25 мкм, ≥ 30 мкм, ≥ 35 мкм, ≥ 40 мкм, ≥ 45 мкм или ≥ 50 мкм.4. Photodiode according to any one of paragraphs. 1-3, in which the i-layer of the PIN junction has the following thickness: ≥ 5 μm, ≥ 10 μm, ≥ 15 μm, ≥ 20 μm, ≥ 25 μm, ≥ 30 μm, ≥ 35 μm, ≥ 40 μm, ≥ 45 µm or ≥ 50 µm. 5. Фотодиод по любому из пп. 1-4, в котором р-слой и/или n-слой PIN-перехода имеют следующую толщину: ≤ 0,5 мкм, ≤ 0,4 мкм, ≤ 0,3 мкм, ≤ 0,2 мкм или ≤ 0,1 мкм.5. Photodiode according to any one of paragraphs. 1-4, in which the p-layer and/or n-layer of the PIN junction have the following thickness: ≤ 0.5 μm, ≤ 0.4 μm, ≤ 0.3 μm, ≤ 0.2 μm, or ≤ 0.1 µm. 6. Фотодиод по любому из пп. 1-5, содержащий электрод на каждой стороне PIN-перехода или p-n-перехода для подачи напряжения на указанный переход и/или для измерения фотогенерируемых носителей заряда, генерируемых в указанном переходе, причем по меньшей мере один из указанных электродов не покрывает участок стороны указанного перехода, на которой он расположен, так что обеспечивается возможность прохождения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения в указанный переход через указанную сторону без прохождения через указанный по меньшей мере один электрод.6. Photodiode according to any one of paragraphs. 1-5, containing an electrode on each side of a PIN junction or a p-n junction for applying voltage to said junction and/or for measuring photogenerated charge carriers generated in said junction, wherein at least one of said electrodes does not cover a portion of a side of said junction , on which it is located, so that X-rays and/or gamma rays can pass to the specified transition through the specified side without passing through the specified at least one electrode. 7. Фотодиод по п. 6, в котором указанный по меньшей мере один электрод является кольцевым, имеет отверстие, имеет выемку или является встречно-штыревым, так что он не полностью покрывает указанную сторону и обеспечивает возможность прохождения указанного рентгеновского излучения и/или гамма-излучения в указанный переход без прохождения через материал, образующий указанный электрод.7. A photodiode according to claim 6, wherein said at least one electrode is annular, has a hole, has a notch, or is interdigitated such that it does not completely cover said side and allows said x-rays and/or gamma radiation to pass through. radiation to the specified transition without passing through the material forming the specified electrode. 8. Фотодиод по любому из пп. 1, 4-7, содержащий источник напряжения, выполненный и настроенный с возможностью подачи напряжения обратного смещения на указанный PIN-переход или p-n-переход, причем указанное напряжение составляет ≥ 2 В, 10 ≥ 3 В, ≥ 4 В, ≥ 4,5 В или ≥ 5 В.8. Photodiode according to any one of paragraphs. 1, 4-7, containing a voltage source configured and configured to supply a reverse bias voltage to the specified PIN junction or p-n junction, and the specified voltage is ≥ 2 V, 10 ≥ 3 V, ≥ 4 V, ≥ 4.5 V or ≥ 5 V. 9. Фотодиод по любому из предыдущих пунктов, в котором InGaP представляет собой кристаллическую структуру, имеющую структурный состав In0.5Ga0.5P.9. A photodiode according to any one of the preceding claims, wherein InGaP is a crystalline structure having the structural composition In 0.5 Ga 0.5 P. 10. Фотодиод по любому из предыдущих пунктов, имеющий мезадиодную структуру.10. A photodiode according to any one of the preceding claims, having a mesadiode structure. 11. Фотодиод по любому из пп. 1-9, в котором InGaP-материал обеспечен внутри по существу плоской структуры, содержащей контакты Шоттки, и/или в котором была осуществлена имплантация ионов в устройство с образованием областей электрического сопротивления.11. Photodiode according to any one of paragraphs. 1-9, in which the InGaP material is provided within a substantially planar structure containing Schottky contacts, and/or in which ions have been implanted into the device to form electrical resistance regions. 12. Детектор рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, содержащий фотодиод по любому из предыдущих пунктов, а также содержащий электронную схему для обработки электрического сигнала, генерируемого фотодиодом, для определения того, обусловлен ли указанный электрический сигнал по меньшей мере частично генерированием указанных фотогенерируемых носителей заряда.12. An X-ray and/or gamma-ray detector, comprising a photodiode according to any one of the preceding claims, and also comprising an electronic circuit for processing an electrical signal generated by the photodiode to determine whether said electrical signal is due at least in part to the generation of said photogenerated carriers charge. 13. Спектрометр со счетом фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, содержащий детектор по п. 12 и процессор, настроенный и выполненный с возможностью определений энергий отдельных фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, обнаруживаемых PIN-переходом или p-n-переходом в указанном детекторе, на основе указанного электрического сигнала, и/или с возможностью определения количества фотонов рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, обнаруживаемых PIN-переходом или p-n-переходом в указанном детекторе, на основе указанного электрического сигнала.13. X-ray and/or gamma-ray photon counting spectrometer, comprising a detector according to claim 12 and a processor configured and configured to determine the energies of individual x-ray and/or gamma-ray photons detected by a PIN junction or a p-n junction in said detector, based on said electrical signal, and/or with the ability to determine the number of X-ray and/or gamma-ray photons detected by the PIN junction or p-n junction in said detector, based on said electrical signal. 14. Система обнаружения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, содержащая источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения и фотодиод по любому из пп. 1-11, детектор по п. 12 или спектрометр по п. 13 для обнаружения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения от указанного источника.14. System for detecting x-rays and/or gamma rays, containing a source of x-rays and/or gamma rays and a photodiode according to any one of paragraphs. 1-11, a detector according to claim 12 or a spectrometer according to claim 13 for detecting x-rays and/or gamma rays from said source. 15. Система по п. 14, представляющая собой ядерную или радиоизотопную батарею, содержащую указанный источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, и указанный фотодиод для преобразования указанного рентгеновского излучения и/или гамма-излучения в электрический ток.15. The system according to claim 14, which is a nuclear or radioisotope battery containing the specified x-ray and / or gamma radiation source, and the specified photodiode for converting the specified x-ray and / or gamma radiation into electric current. 16. Система по п. 15, в которой указанный источник представляет собой радиоактивный материал.16. The system of claim 15, wherein said source is radioactive material. 17. Система по п. 15 или 16, в которой указанные источник и фотодиод помещены внутрь корпуса, и указанный корпус при необходимости расположен и выполнен с возможностью по существу предотвращения выхода указанного рентгеновского излучения и/или гамма-излучения указанного источника из указанного корпуса.17. The system according to claim 15 or 16, in which said source and photodiode are placed inside the housing, and said housing, if necessary, is located and configured to substantially prevent the exit of the specified x-ray radiation and/or gamma radiation of the specified source from the specified housing. 18. Способ обнаружения рентгеновского излучения и/или гамма-излучения, включающий этапы, на которых: 18. A method for detecting x-rays and/or gamma rays, comprising the steps of: подвергают детектор рентгеновского излучения и/или гамма-излучения по п. 12 воздействию источника рентгеновского излучения и/или гамма-излучения; иexposing the x-ray and/or gamma ray detector according to claim 12 to an x-ray and/or gamma ray source; And на основе сигнала, генерируемого фотодиодом, определяют прием рентгеновского излучения и/или гамма-излучения указанным детектором.on the basis of the signal generated by the photodiode, the reception of x-rays and/or gamma radiation by said detector is determined. 19. Способ по п. 18, включающий предварительные этапы, на которых выбирают указанный источник рентгеновского излучения и/или гамма-излучения и перемещают детектор в направлении указанного источника.19. The method of claim 18, comprising the preliminary steps of selecting said X-ray and/or gamma radiation source and moving the detector in the direction of said source. 20. Способ по п. 18, также включающий этап, на котором определяют наличие и/или местоположение указанного источника рентгеновского излучения и/или гамма-излучения с использованием детектора.20. The method of claim 18, further comprising determining the presence and/or location of said x-ray and/or gamma source using a detector.
RU2019130429A 2017-02-28 2018-02-28 X-ray and gamma-ray photodiode RU2797929C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB1703196.4A GB201703196D0 (en) 2017-02-28 2017-02-28 X-ray and gammay-ray photodiode
GB1703196.4 2017-02-28
PCT/GB2018/050515 WO2018158569A1 (en) 2017-02-28 2018-02-28 X-ray and gamma-ray photodiode

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2019130429A RU2019130429A (en) 2021-03-30
RU2019130429A3 RU2019130429A3 (en) 2021-06-01
RU2797929C2 true RU2797929C2 (en) 2023-06-13

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011077293A (en) * 2009-09-30 2011-04-14 Asahi Kasei Electronics Co Ltd Multijunction solar cell
US8476598B1 (en) * 2009-08-31 2013-07-02 Sionyx, Inc. Electromagnetic radiation imaging devices and associated methods
DE102012214690A1 (en) * 2012-08-17 2014-02-20 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Electromagnetic radiation detector for wide-band multi-spectral imaging device, has lower detection structure that is arranged within lower semiconductor chip to overlap with upper detection structure arranged within upper chip
RU2014128555A (en) * 2011-12-13 2016-02-10 Конинклейке Филипс Н.В. RADIATION DETECTOR

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8476598B1 (en) * 2009-08-31 2013-07-02 Sionyx, Inc. Electromagnetic radiation imaging devices and associated methods
JP2011077293A (en) * 2009-09-30 2011-04-14 Asahi Kasei Electronics Co Ltd Multijunction solar cell
RU2014128555A (en) * 2011-12-13 2016-02-10 Конинклейке Филипс Н.В. RADIATION DETECTOR
DE102012214690A1 (en) * 2012-08-17 2014-02-20 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Electromagnetic radiation detector for wide-band multi-spectral imaging device, has lower detection structure that is arranged within lower semiconductor chip to overlap with upper detection structure arranged within upper chip

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Shaoguang Dong, Kanghua Chen, Guojie Chen and Xin Chen. Solar Cells with InGaN/GaN and InP/InGaAsP and InGaP/GaAs Multiple Quantum Wells. Submitted: April 17th 2014, Reviewed: August 5th 2014, Published: October 22nd 2015. DOI: 10.5772/58899, pp.333-358. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Renker et al. Advances in solid state photon detectors
Mandal et al. Low Energy X-Ray and $\gamma $-Ray Detectors Fabricated on n-Type 4H-SiC Epitaxial Layer
US9515211B2 (en) Schottky barrier detection devices having a 4H-SiC n-type epitaxial layer
US7161155B1 (en) X-ray detector with increased detective quantum efficiency
Bertuccio et al. Epitaxial silicon carbide for X-ray detection
US9121953B2 (en) Array of virtual Frisch-grid detectors with common cathode and reduced length of shielding electrodes
Sklyarchuk et al. Effect of CdTe crystal thickness on the efficiency of Cr/CdTe/Au Schottky-diode detectors
US11538601B2 (en) Nuclear microbattery
Whitaker et al. Al0. 6Ga0. 4As X-ray avalanche photodiodes for spectroscopy
US11313981B2 (en) X-ray and γ-ray photodiode
RU2797929C2 (en) X-ray and gamma-ray photodiode
Girolami et al. Metal-halide perovskite submicrometer-thick films for ultra-stable self-powered direct X-Ray detectors
Karadavut et al. Performance-Improved Vertical Ni/SiO₂/4H-SiC Metal–Oxide–Semiconductor Capacitors for High-Resolution Radiation Detection
Pan et al. Inorganic Perovskite CsPbBr 3 Gamma-Ray Detector
Ding et al. Highly sensitive InGaAs/InAlAs X-ray avalanche photodiodes with fast time response
Brambilla et al. Thin CVD diamond detectors with high charge collection efficiency
US7002158B2 (en) Solid-state radiation detector using a single crystal of compound semiconductor InSb
Chen Improvement in Spectroscopic Performance of Gallium Antimonide/Aluminum Arsenide Antimonide Heterostructure Energy-sensitive Detectors by Aluminum Oxide Surface Passivation
JP2014130892A (en) Radiation absorption material, radiation detector, and radiation detection device
Acerbi et al. Proton and X-rays radiation effects on Silicon Photomultipliers
Gnatyuk et al. X/γ-ray detector modules with stacked CdTe-based Schottky diodes
Lioliou Wide bandgap semiconductor radiation detectors for extreme environments
Ng et al. Fabrication study of GaAs mesa diodes for X-ray detection
RU2796548C2 (en) Nuclear micro-battery
Pan et al. Gamma-Ray Inorganic Detector Perovskite CsPbBr3