SK500172021A3 - Veľkoplošný detektor jadrových častíc a žiarenia s podložkou, spôsob jeho výroby a zapojenie obsahujúce veľkoplošný detektor - Google Patents

Abstract

Veľkoplošný detektor jadrových častíc a žiarenia s podložkou (1) obsahuje: polovodičový substrát (2) vo forme platničky, celoplošnú elektródu (7) nanesenú na jednu plochu polovodičového substrátu (2), a vyvedenú na podložku (1) ako anóda (8) na napojenie k jednej čítacej elektronike, aktívnu elektródu vo forme 2 až N segmentov (3) nanesených na opačnej ploche polovodičového substrátu (2), kde jednotlivé segmenty (3) sú rozdelené na vhodné a chybné: na základe AV charakteristiky, kde segment (3) sa považuje za chybný, ak hodnota prúdu je rádovo vyššia ako mediánová hodnota prúdu v ostatných segmentoch, a/alebo na základe spektrometrie, kde segment (3) sa považuje za chybný, ak hodnota šírky testovaného píku kalibračného zdroja žiariča prekročí 1,5-násobok mediánovej hodnoty šírky píku v ostatných segmentoch, ostatné segmenty sú vhodné, a kde vhodné segmenty sú vodivo paralelne prepojené a vyvedené na podložku (1) ako katóda (6) na napojenie k jednej čítacej elektronike. Predmetom vynálezu je aj spôsob výroby detektora.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka oblasti výroby polovodičových veľkoplošných detektorov jadrových častíc a žiarenia.

Doterajší stav techniky

V súčasnosti existujú rôzne typy detektorov jadrových častíc a žiarenia v závislosti od intenzity dopadajúceho žiarenia.

Pri meraní žiarenia s veľmi nízkou intenzitou je dôležité aby mal detektor čo najväčšiu detekčnú plochu a čo najväčší objem. Čím je plocha a objem detektora väčší, tým väčší počet častíc sa zachytí a tým rýchlejšie sa získajú potrebné údaje. Na druhej strane sa však so zvyšujúcou plochou a objemom detektora, zvyšuje aj šum, ktorý značne limituje použitie detektora.

Veľkoplošné detektory jadrových častíc a žiarenia vo všeobecnosti obsahujú polovodičový substrát vo forme platničky a dve celoplošné elektródy umiestnené zvrchu a zospodu substrátu. Jedna z elektród, ktorú vo všeobecnosti označujeme aktívna elektróda, je blokujúca. Je vo forme P-N priechodu, alebo Schottkyho kontaktu. Druhá elektróda je ohmického charakteru.

Kvalita detektora veľmi závisí od kvality (čistoty) polovodičového substrátu. Koncentrácia prímesí by nemala byť vyššia ako 1 x 10¹⁴ cm^-3. Prímesi spôsobujú defekty ktoré zhoršujú parametre výsledného detektora a v prípade špirálových dislokácií degradujú jeho vlastnosti tak, že je nepoužiteľný ak sa tieto dislokácie nachádzajú v oblasti pod elektródou. Vysokej čistote substrátu detektora však zodpovedá aj jeho cena.

V prípade objemového materiálu sa nízka koncentrácia prímesí substrátu dosahuje kompenzáciou prímesou opačného typu počas rastu ingotu (Si:Li, N-GaAs:Cr) alebo cieleným vytvorením kompenzujúceho defektu (prípad P-GaAs:EL2). Aktívnou vrstvou je v tomto prípade hrúbka substrátu. Tieto materiály požadovanej kvality sa však vyznačujú relatívne vysokou cenou.

Druhou možnosťou je nanesenie vysoko kvalitnej polovodičovej vrstvy na substrát (podložku) s nižšou kvalitou. Takéto vrstvy sa pripravujú vybranou epitaxnou technológiou. Aktívnou vrstvou je v tomto prípade len hrúbka vysoko kvalitnej polovodičovej vrstvy. Ich nevýhodou je, že výroba dostatočne hrubej aktívnej vrstvy (rádovo aj 100 pm a viac) s požadovanou čistotou touto technológiou je pomerne drahá.

Typicky sa ako materiál polovodiča používa kremík alebo germánium. Tým, že sú jednoatomárne, detekčná plocha detektora, ktorou je plocha aktívnej elektródy, sa dá urobiť relatívne veľká, ale tiež má svoje limity. Detektory na báze kremíka a germánia majú vysokú čistotu aktívnej vrstvy (v prípade Si a Ge je to celá hrúbka polovodičového substrátu) a ich príprava je typicky bezproblémová.

Bohužiaľ nie vo všetkých využiteľných oblastiach sú tieto materiály výhodné. Čoraz častejšie je snaha použiť detektory na báze iných polovodičových materiálov. Ide najmä o polovodičové zlúčeniny ako je GaAs, CdTe, CdZnTe, SiC, InP a pod. Avšak charakteristiky týchto materiálov z hľadiska čistoty sú o rád horšie, ako pri Si, či Ge. Lokálne defekty v takýto aktívnych vrstvách dosahujú hodnoty aj 10⁴ na cm². V tomto prípade teda nie je možné pripravovať veľkoplošné detektory klasickým spôsobom, t. j. aplikovaním jednej aktívnej elektródy na polovodičový substrát. Čím je plocha aktívnej elektródy väčšia, tým sa zvyšuje pravdepodobnosť že sa pod ňou v aktívnej vrstve budú nachádzať lokálne defekty, ktoré spôsobia degradáciu vlastností detektora a to až do tej miery, že detektor bude prakticky nepoužiteľný. So zväčšujúcou sa plochou elektródy dochádza k degradácii základných parametrov detektora ako je energetické rozlíšenie, celkový šum, stabilita a tiež celková výťažnosť výroby.

V súčasnosti sa tento problém rieši rozdelením veľkoplošnej elektródy na malé pixely (obvykle stovky pm), z ktorých každý pixel je pripojený k čítacej elektronike. V závere sa urobí obvod, ktorý všetky signály sčíta dokopy. Týmto spôsobom sa dá urobiť relatívne veľký detektor. Avšak, keďže každý pixel musí mať elektroniku, vzrastá tým cena ako aj požiadavky na napájanie. Tento prístup je tým pádom tiež pomerne nákladný a nie vždy vhodný. A zároveň má nevýhodu týkajúcu sa presnosti merania. Jednotlivé pixely sa nedajú odpojiť. Takže ak má polovodič defekty, tak cez pixel v chybnej oblasti tečie vysoký prúd, čím ovplyvňuje aj susedné pixely a ich výstupné signály.

Dokument US5677539A opisuje štruktúrovanie zadnej ohmickej elektródy detektora žiarenia pre lepšie formovanie elektrického poľa. Tu vzniká tvz. trojelektródový systém, Schottkych elektróda, ohmická elektróda a formovacia elektróda. Systém môže byť štruktúrovaný aj ako detektorové pole so spoločnou Schottkyho elektródou. Ohmická elektróda sa pripája k čítacej tzv. „read-out elektronike. Jednotlivé ohmické elektródy môžu fungovať samostatne, keď sa každá pripája k čítaciemu kanálu.

Nevýhodou takéhoto systému je vysoká cena čítacej elektroniky. Tiež treba brať do úvahy aj generovanie

SK 50017-2021 A3 tepla, ktoré spôsobuje tiež zvýšenie teploty polovodičového detektora, čo má za následok, zvyšovanie elektrického prúdu, ktorý tečie detektorom a tým dochádza k zhoršovaniu energetického rozlíšenia resp. od určitej teploty v závislosti do polovodičového materiálu sa takýto detektor stáva prakticky nefunkčným.

Uvedený dokument opisuje aj paralelné zapojenie anód k jednému čítaciemu kanálu. Tu sú na prekážku tzv. formovacie elektródy okolo každej anódy. Celkové paralelné zapojenie len anód je dosť náročné (technologicky aj finančne), z dôvodu vyhnutia sa formovacím elektródam, ktoré musia byť na inom potenciáli. Aby neprišlo k skratovaniu jednotlivých elektród je nutné jednotlivé tzv. pixely elektricky izolovať, čo je problematické hlavne z dôvodu ich veľkého elektrického potenciálu, ktorý môže dosahovať až 1 000 V.

Prihláška WO2019019054 A1 opisuje štruktúrovanie prednej Schottkyho elektródy ako aj zadnej ohmickej elektródy detektora žiarenia pre optimálne formovanie elektrického poľa. Jedná sa o viac elektródový systém s formovacími elektródami. Ohmická elektróda sa pripája k čítacej tzv. „read-out elektronike. Jednotlivé ohmické elektródy fungujú samostatne, keď sa každá pripája k čítaciemu kanálu resp. priamo k čítaciemu čipu s viacerými kanálmi.

Hlavná nevýhoda je vysoká cena takéhoto detektorového systému, keďže každý kanál (pixel) sa spracováva samostatne. Taktiež príprava formovacích elektród je časovo náročná a tiež cenovo veľmi nákladná. Rovnako priame pripojenie čítacieho čipu k detekčnej časti polovodiča spôsobuje priamy prenos tepla z čítacieho čipu do detekčnej časti. Zvýšenie teploty polovodičového detektora zhoršuje jeho spektrometrické vlastnosti, a preto je nutné uvažovať aj o možnostiach chladenia celého detekčného systému, čo tiež navyšuje jeho cenu a celkovú komplikovanosť navrhnutého systému.

Cieľom tohto vynálezu je predstaviť veľkoplošný detektor jadrových častíc a žiarenia ktorý je menej komplikovaný, cenovo prístupný, má vyššiu výťažnosť, lepšie parametre oproti detektorom stavu techniky a ktorý má rozšírené aplikačné možnosti najmä v prípade horšej kvality aktívnej vrstvy polovodičového substrátu (CdTe, GaAs, CdZnTe, SiC, InP a pod.).

Podstata vynálezu

Veľkoplošný detektor jadrových častíc a žiarenia s podložkou z elektricky nevodivého a tepelne stabilného materiálu podľa tohto vynálezu obsahuje:

- polovodičový substrát vo forme platničky,

- celoplošnú elektródu nanesenú na jednu plochu polovodičového substrátu, a vyvedenú na podložku ako anóda na napojenie k jednej čítacej elektronike,

- aktívnu elektródu vo forme 2 až N samostatných, oddelených segmentov nanesených na opačnej ploche polovodičového substrátu, kde jednotlivé segmenty (3) sú rozdelené na vhodné a chybné:

- na základe AV charakteristiky, kde segment sa považuje za chybný ak hodnota prúdu je rádovo vyššia ako mediánová hodnota prúdu v ostatných segmentoch a/alebo

- na základe spektrometrie, kde segment sa považuje za chybný ak hodnota šírky testovaného píku kalibračného zdroja žiariča prekročí 1,5 násobok mediánovej hodnoty šírky píku v ostatných segmentoch, - ostatné segmenty sú vhodné, a kde vhodné segmenty sú vodivo paralelne prepojené a vyvedené na podložku ako katóda na napojenie k jednej čítacej elektronike.

Uvedená konštrukcia veľkoplošného detektora dovoľuje využiť aj menej kvalitné polovodičové materiály ako substrát, pričom základné parametre detektora ostanú zachované, iba sa zmenší celková detekčná plocha v závislosti od celkovej segmentácie. Takýto detektor dovoľuje ako substrát využiť aj polovodičové zlúčeniny ako napr. CdTe, GaAs, CdZnTe, SiC, InP a pod.

Polovodičový substrát vo forme platničky môže mať kruhový štvorcový, obdĺžnikový alebo iný nuholníkový tvar.

Rozčlenením aktívnej elektródy na menšie segmenty máme možnosť vylúčiť plochy pod ktorými sa v substráte nachádzajú defekty z celkového zapojenia. Súčasne sa rozčlenením aj čiastočne zlepšia elektronické parametre detektora: zníži sa jeho kapacita a záverný prúd vzhľadom na to, že celková plocha segmentov je o niečo menšia ako plocha jednej celoplošnej elektródy. Detekčná účinnosť však zostane zachovaná.

Rozčlenením aktívnej elektródy, následným vylúčením chybných segmentov a paralelným prepojením vhodných segmentov získame veľkoplošný detektor s mierne zníženou celkovou plochou avšak so zachovaním jeho dôležitých detekčných parametrov.

Výhodou detektora podľa vynálezu je aj to, že je ho možné pripojiť k jedinej čítacej elektronike. Čo má za následok výrazné zníženie nákladov na výrobu a prevádzku celkového zariadenia.

Substrát má tvar platničky výhodne hrúbky 100 pm - 2 mm. Plocha a rozmery substrátu musia byť väčšie

SK 50017-2021 A3 ako zamýšľaná plocha aktívnej elektródy a jej jednotlivé rozmery.

Na substráte sú vytvorené dve elektródy nachádzajúce sa na opačných stranách substrátu:

• Aktívna elektróda (katóda) - je blokujúca. Môže byť vo forme P-N priechodu, alebo Schottkyho kontaktu, • Druhá elektróda je celoplošná ohmického charakteru. Jej účelom nie je blokovanie.

Detekčnú plochu veľkoplošného detektora tvorí plocha aktívnej elektródy rozčlenená na segmenty. Celková plocha aktívnej elektródy je výhodne v rozmedzí 4 až 100 cm².

S celkovou plochou aktívnej elektródy súvisí počet segmentov, ktorý môže byť v rozmedzí 2 - 100, výhodne 9 - 36 a stanovuje sa na základe optimalizácie. Vyšší počet segmentov znamená vyššiu prácnosť výroby a zvyšuje aj cenu. Nízky počet segmentov v prípade chyby materiálu znamená zmenšenie plochy aktívnej elektródy o celý jeden chybný segment, ktorý má pri nízkom počte segmentov relatívne veľkú plochu.

Jednotlivé segmenty môžu mať veľkosť (plochu) 1 - 100 mm², výhodný rozmer súvisí predovšetkým s parametrami polovodiča a s celkovou veľkosťou aktívnej plochy elektródy. Pod parametrami polovodiča sa rozumie veľkosť/rozmery defektov v materiáli (pm vs. mm).

Segmenty môžu mať tvar majú tvar obdĺžnika, šesťuholníka, n-uholníka, kruhu, výhodne majú tvar štvorca.

Medzery medzi jednotlivými segmentmi by vo všeobecnosti mali byť čo najmenšie, 50 - 500 pm, výhodne 50 - 100 pm. Hodnota súvisí s materiálom substrátu a pri niektorých typoch, ako je napr. semi-izolačný GaAs je lepšie, keď sú medzery aj väčšie (do 1 mm). Tým, že je materiál kompenzovaný, správa sa odlišne. Aktívna oblasť sa v tomto materiáli s napätím rozširuje nielen do hĺbky, ale významne (až 10-násobne viac ako v ostatných materiáloch, kde sa pohybuje rádovo v desiatkach mikrometrov a sa zanedbáva) aj do šírky. Efektívne sa správa tak, že detekčná plocha segmentu aktívnej elektródy je väčšia ako plocha daného segmentu aktívnej elektródy.

Substrát z hľadiska využitia tvorí aktívna plocha (plocha aktívnej elektródy - vhodné segmenty) a pasívna plocha (napr. medzery medzi segmentmi, chybné segmenty, nevyužitá plocha substrátu a pod.)

Jednotlivé vhodné segmenty aktívnej elektródy sú zapojené paralelne. Tým, že sú zapojené len vhodné segmenty sa na jednej strane síce zmenší celková plocha aktívnej elektródy. Na druhej strane, keďže chybné segmenty nie sú zapojené, neovplyvňujú (napr. tepelne) susedné segmenty a teda negatívne neovplyvňujú výsledné merané hodnoty, čím sa získava presnejší výsledok merania, ako pri detektoroch stavu techniky.

Paralelné zapojenie môže byť realizované buď priamo na polovodičovom substráte, alebo na podložke. Oba varianty paralelného prepojenia jednotlivých vhodných segmentov sú rovnocenné z hľadiska použitia. Výber vhodného zapojenia závisí predovšetkým od počtu segmentov, ich veľkosti a od typu aplikácie, v ktorej je veľkoplošný detektor použitý (od požadovanej presnosti merania).

Pri menšom počte segmentov, výhodne do 16 a/alebo pri menších rozmeroch segmentov a/alebo pri detektoroch určených na spektrometriu je výhodne vyvedený každý vhodný segment separátne mimo substrát na podložku a na podložke sú tieto segmenty paralelne prepojený pomocou elektricky vodivých spojov.

Podľa iného výhodného uskutočnenia je paralelne prepojenie vhodných segmentov realizované priamo na polovodičovom substráte pomocou bondovacej metalizácie a prepojovacieho drôtu ktorý je vyvedený na podložku. Toto uskutočnenie výhodne v prípade väčšieho počtu segmentov a/alebo väčších rozmeroch segmentov.

Podložka slúži aj na mechanické spevnenie detektora. Preto je výhodné ak je aspoň časť povrchu celoplošnej elektródy detektora mechanický spojená s podložkou.

Materiál podložky musí byť z elektricky nevodivého a tepelne stabilného materiálu. Výhodne je materiálom izolant alebo keramika alebo plast. Podložka by mala zniesť bezo zmien teplotu letovania, príp. teplotu pri použití. Prúd tečúci cez podložku by mal byť približne 100x menší ako prúd tečúci cez detektor (rádovo pA). Kapacita podložky by mala byť 100x a viac menšia ako kapacita detektora. Prúd a kapacita podložky majú byť podstatne menšie ako prúd a kapacita detektora aby neovplyvňovali samotné meranie.

Predmetom tohto vynálezu je a spôsob výroby veľkoplošného detektora podľa tohto vynálezu, ktorý obsahuje kroky:

a. zoberie sa polovodičový substrát vo forme platničky,

b. na jednej ploche substrátu sa vytvorí celoplošná elektróda a na druhej ploche substrátu sa vytvorí 2 až N segmentov aktívnej elektródy,

c. jednotlivé segmenty aktívnej elektródy sa testujú v závislosti od potrebných parametrov (presnosti), ktoré má detektor dosiahnuť tak, že:

i. sa urobí elektrická charakterizácia každého segmentu (AV charakteristika) a/alebo ii. sa urobí spektrometria každého segmentu,

d. na základe výsledkov testovania sa jednotlivé segmenty rozdelia na vhodné a chybné, kde:

SK 50017-2021 A3 • segment sa považuje za chybný ak v bode i) je hodnota prúdu rádovo vyššia ako mediánová hodnota prúdu v ostatných segmentoch a/ alebo • segment sa považuje za chybný ak v bode ii) je hodnota šírky testovaného píku kalibračného zdroja žiariča prekročí 1,5 násobok mediánovej hodnoty šírky píku v ostatných segmentoch, • ostatné segmenty sa považujú za vhodné,

e. substrát s elektródami sa pripevní na podložku z elektricky nevodivého a tepelne stabilného materiálu, cez aspoň časť povrchu celoplošnej elektródy pred alebo po kroku d), pričom ak sa robí spektrometria tak sa krok e) urobí medzi krokmi b) a c), alebo medzi krokmi c) i) a c) ii),

f. Následne sa jednotlivé vhodné segmenty aktívnej elektródy zapoja paralelne a vyvedú sa na podložku ako katóda.

Jednotlivé segmenty aktívnej elektródy sa výhodne vytvoria fotolitografickým procesom. Druhá, celoplošná, elektróda sa môže vytvoriť štandardnou technológiou.

AV charakteristiku je možné merať napr. pomocou elektrického hrotu. Je tiež výhodné, ak je záverný prúd menší ako 10 nA, hlavne pri materiáloch substrátu napr. SiC, GaAs, CdTe, CdZnTe.

Pri menšom počte segmentov, výhodne do 16 a/alebo pri menších rozmeroch segmentov a/alebo pri detektoroch určených na spektrometriu je výhodne merať segmenty pomocou spektrometrie. Jednotlivé segmenty sa otestujú žiarením zmeraným kalibračným zdrojom žiarenia (napr. Ra, Am), čím sa s vysokou presnosťou určí, či je daný segment vhodný, alebo chybný.

Na základe výsledkov testovania sa urobí selekcia. Niektoré segmenty môžu mať nepriaznivé charakteristiky (ako je uvedené vyššie), ktoré sú dané defektmi v substráte pod segmentov. Segmenty s takýmito charakteristikami sú chybné a v procese sa ďalej nepoužívajú. Počet nevyužiteľných chybných segmentov sa na základe empirických skúseností pohybuje v rozmedzí 10 - 20 %. Ostatné segmenty sa považujú za vhodné.

Detektor sa mechanický spojí s podložkou. Výhodne sa na podložke vytvorí elektrická vodivá plocha na ktorú sa pomocou vodivej pasty nalepí celoplošná elektróda (anóda) aspoň časťou svojej plochy.

Následne sa jednotlivé vhodné segmenty aktívnej elektródy zapoja paralelne a vyvedie sa kontakt aktívnej elektródy na pripojenie napätia, vytvorí sa tým výstupná (signálová) detektorová elektróda, musí byť záverne polarizovaná (katóda).

Paralelné zapojenie vhodných segmentov sa môže urobiť tak, že priamo na substráte sa urobí bondovacia plocha (metalizácia) a jednotlivé vhodné segmenty sa navzájom paralelne prepoja pomocou prepojovacieho drôtu a drôt sa vyvedie na podložku. Alebo sú vhodné segmenty samostatne vyvedené na podložku a na podložke sa paralelne prepoja pomocou elektricky vodivých spojov.

Následnosť krokov v spôsob výroby veľkoplošného detektora sa môže líšiť a závisí od toho na aký účel sa detektor používa.

Napríklad pri detektore vhodnom na dozimetrické merania, kde je potrebné vedieť tok častíc (intenzitu žiarenia) je výhodné v spôsobe výroby zahrnúť kroky a), b), c) i), d), e) a paralelne prepojiť vhodné segmenty priamo na substráte.

Na druhej strane, pre detektoroch vhodných na použitie v spektrometrii, kde je potrebné poznať energiu žiarenia, je výhodné vyviesť jednotlivé vhodné segmenty na podložku a tam ich prepojiť a v spôsobe výroby detektora zahrnúť kroky a), b), c) i), d), e), c) ii), d) alebo len kroky a), b), e), c) ii), d). V prípade realizácie krokov c) i), d) sa následne krok c) ii) realizuje len na segmentoch označovaných na základe kroku 3a ako vhodné.

Predmetom tohto vynálezu je aj zapojenie veľkoplošného detektora podľa vynálezu a jednej čítacej elektroniky. Vyvedené kontakty oboch elektród sa pripoja k jednej čítacej elektronike. Čítacia elektronika je štandardná, v závislosti od použitia tzv. spektrometrická trasa.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. 1a a 1b je schematicky zobrazený veľkoplošný detektor so segmentmi aktívnej elektródy prepojenými paralelne na substráte.

Obr. 1a) pohľad zvrchu na detektor s jedným chybným nepripojeným segmentom aktívnej elektródy.

Obr. 1b) rez veľkoplošným detektorom.

Na obr. 2 je schematicky zobrazený pohľad zvrchu na veľkoplošný detektor so segmentmi aktívnej elektródy vyvedenými separátne a prepojenými paralelne na podložke, s jedným chybným nepripojeným segmentom aktívnej elektródy

SK 50017-2021 A3

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

Detektor znázornený na obrázku 1a) a 1b) pozostáva z GaAs polovodičového substrátu 2. Substrát 2 má tvar platničky o hrúbke 350 pm a ploche 5 cm². Spodná plocha polovodičového substrátu 2 je vybavená kovovou (trojvrstva Ni/Ge/Au) celoplošnou elektródou 7 ktorá je pomocou elektricky vodivej pasty 10 nalepená na detektorovú elektródu 8 (anóda) ktorá je vytvorená na podložke 1 z elektricky nevodivého materiálu materiál, ktorý sa používa na výrobu plošných spojov. Na podložke je vytvorená aj katóda 6. Substrát je umiestnený na podložke tak, aby prekrýval cca 70 % plochy anódy 8. Polovodičový substrát 2 je z hornej strany vybavený aktívnou elektródou ktorá sa skladá z 25 segmentov 3. Každý segment 3 pozostáva z trojvrstva (Ti/Pt/Au). Segmenty 3 majú tvar štvorca s plochou 16 mm² a sú uložené v 5 radoch. Medzi jednotlivými segmentmi sú vytvorené medzery 11 so šírkou 500 pm. Všetky vhodné segmenty 3 sú pomocou bondovacej metalizácie 4 a prepojovacieho drôtu 5 paralelne prepojené a prepojovací drôt 5 je vyvedený na podložku 1 na katódu 6. Chybný segment (druhý v treťom rade) je ponechaný nezapojený.

Príklad 2

Na obrázku 2 je znázornené iné uskutočnenie detektora podľa tohto vynálezu. Detektor pozostáva z SiC polovodičového substrátu 2. Substrát 2 má tvar platničky o hrúbke 450 pm na ktorej je narastená vysokokvalitná vrstva hrúbky 100 pm a ploche 9 cm². Spodná plocha polovodičového substrátu 2 je vybavená kovovou (tri vrstvy Ti/Pt/Au) celoplošnou elektródou 7 ktorá je pomocou elektricky vodivej pasty 10 nalepená na anódu 8, ktorá je vytvorená na podložke 1 z elektricky nevodivého materiálu - materiál, ktorý sa používa na výrobu plošných spojov. Na podložke je vytvorená aj katóda 6. Substrát je umiestnený na podložke tak, aby prekrýval cca 50 % plochy anódy 8. Polovodičový substrát 2 je z hornej strany vybavený aktívnou elektródou ktorá sa skladá z 9 segmentov 3. Každý segment 3 pozostáva z dvojvrstvy Ni/Au. Segmenty 3 majú tvar štvorca s plochou 99,8 mm² a sú uložené v 3 radoch. Medzi jednotlivými segmentmi sú vytvorené medzery 11 so šírkou 100 pm. Všetky vhodné segmenty 3 sú samostatne vyvedené mimo substrát 2 na podložku 1, kde sa pomocou elektricky vodivých spojov 9 paralelne pripoja na katódu 6. Chybný segment (druhý v treťom rade) je ponechaný nezapojený.

Príklad 3

Spôsob výroby detektora vhodného na dozimetrické merania - kde je potrebné poznať tok (intenzitu žiarenia)

Na CdTe polovodičovom substráte 2 vo forme platničky rozmerov 5 x 5 cm hrúbky 1 mm sa z jednej strany vytvorí štandardnou technológiou celoplošná elektróda 7. Na druhej strane platničky sa fotolitografickým procesom vytvorí aktívna elektróda konštrukcie opísanej v príklade 1. Každý segment 3 sa podrobí elektrickej charakterizácii pomocou elektrického hrotu. Celoplošná elektróda 7 sa netestuje. Na základe získaných výsledkov sa jednotlivé segmenty 3 rozdelia na vhodné a chybné, pričom za chybný segment sa považuje segment 3 ktorého hodnota prúdu je rádovo vyššia ako mediánová hodnota prúdu v ostatných segmentoch. Ostatné segmenty 3 sa označia ako vhodné.

Na podložke 1 sa vytvorí anóda 8 a katóda 6. Detektor sa nalepí na podložku tak, že pomocou elektricky vodivej pasty 10 sa spojí časť plochy anódy 8 s časťou celoplošnej elektródy 7. Následne sa jednotlivé vhodné segmenty sa pomocou bondovacej metalizácia 4 a prepojovacieho drôtu 5 paralelne prepoja. Prepojovací drôt 5 sa vyvedie a pripojí ku katóde 6 vytvorenej na podložke 1. Vyvedené kontakty oboch elektród sa môžu pripojiť k jednej čítacej elektronike.

Príklad 4

Spôsob výroby detektora vhodného na spektrometriu - kde je potrebné poznať energiu žiarenia

Na SiC polovodičovom substráte 2 vo forme kruhovej platničky priemeru 7,5 cm sa z jednej strany vytvorí štandardnou technológiou celoplošná elektróda 7. Na druhej strane platničky sa fotolitografickým procesom vytvorí aktívna elektróda konštrukcie opísanej v príklade 2.

Na podložke 1 sa vytvorí anóda 8 a katóda 6 a elektricky vodivé spoje 9. Detektor sa nalepí na podložku tak, že pomocou elektricky vodivej pasty 10 sa spojí časť plochy anódy 8 s časťou celoplošnej elektródy 7. Každý segment 3 sa oddelene vyvedie a každý segment 3 sa podrobí spektrometrickému meraniu pomocou spektrometrickej trasy (nábojovocitlivý predzosilňovač, tvarovací zosilňovač, analógovo-digitálny prevodník s mnohokanálovým analyzátorom a počítač). Celoplošná elektróda 7 sa netestuje. Na základe získaných výsledkov sa jednotlivé segmenty 3 rozdelia na vhodné a chybné, pričom za chybný segment sa považuje segment 3 ktorého hodnota šírky testovaného píku kalibračného zdroja žiariča prekročí 1,5 násobok

SK 50017-2021 A3 mediánovej hodnoty šírky píku v ostatných segmentoch 3. Ostatné segmenty 3 sa označia ako vhodné.

Všetky vhodné segmenty sú vyvedené na jednotlivé elektricky vodivé spoje 9 umiestnené na podložke 1 a následne sú paralelne prepojené a pripojené na katódu 6. Chybné segmenty sa nezapájajú. Vyvedené kontakty oboch elektród sa môžu pripojiť k jednej čítacej elektronike.

Príklad 5

Spôsob výroby detektora vhodného na spektrometriu - kde je potrebné poznať energiu žiarenia

Na GaAs polovodičovom substráte 2 vo forme kruhovej platničky rozmerov s priemerom 5 cm sa z jednej strany vytvorí štandardnou technológiou celoplošná elektróda 7. Na druhej strane platničky sa fotolitografickým procesom vytvorí aktívna elektróda konštrukcie opísanej v príklade 2. Každý segment 3 sa podrobí elektrickej charakterizácii pomocou elektrického hrotu. Celoplošná elektróda 7 sa netestuje. Na základe získaných výsledkov sa jednotlivé segmenty 3 rozdelia na vhodné a chybné, pričom za chybný segment sa považuje segment 3 ktorého hodnota prúdu je rádovo vyššia ako mediánová hodnota prúdu v ostatných segmentoch. Ostatné segmenty 3 sa označia ako vhodné.

Na podložke 1 sa vytvorí anóda 8 a katóda 6 a elektricky vodivé spoje 9. Detektor sa nalepí na podložku tak, že pomocou elektricky vodivej pasty 10 sa spojí časť plochy anódy 8 s časťou plochy celoplošnej elektródy 7. Každý segment 3 označený za vhodný pomocou predchádzajúceho merania sa oddelene vyvedie a podrobí sa spektrometrickému meraniu pomocou spektrometrickej trasy uvedenej v príklade 4. Celoplošná elektróda 7 sa netestuje. Na základe získaných spektrometrických výsledkov sa jednotlivé segmenty 3 znovu rozdelia na vhodné a chybné, pričom za chybný segment sa považuje segment ktorého hodnota šírky testovaného píku kalibračného zdroja žiariča prekročí 1,5 násobok mediánovej hodnoty šírky píku v ostatných segmentoch 3. Segmenty 3 ktoré vyhoveli obidvom meraniam sa označia ako vhodné.

Všetky vhodné segmenty 3 sú vyvedené na jednotlivé elektricky vodivé spoje 9 umiestnené na podložke a následne sú paralelne prepojené a pripojené na katódu 6. Chybné segmenty sa nezapájajú. Vyvedené kontakty oboch elektród sa môžu pripojiť k jednej čítacej elektronike.

Priemyselná využiteľnosť

Veľkoplošný detektor podľa vynálezu je možné využiť v jadrovej energetike (spektrometria, dozimetria), alebo všade tam, kde sú zdroje ionizujúceho žiarenia prírodného, alebo umelého charakteru. Veľkoplošný detektor je možné uplatniť aj v oblasti vesmírnych aplikácií.

SK 50017-2021 A3

Zoznam vzťahových značiek

- podložka

- polovodičový substrát

3 - segment aktívnej elektródy

- bondovacia metalizácia

- prepojovací drôt

- katóda

- celoplošná elektróda

8 - anóda

- elektricky vodivý spoj

- elektricky vodivá pasta

- medzera

Claims (15)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Veľkoplošný detektor jadrových častíc a žiarenia s podložkou (1) z elektricky nevodivého a tepelne stabilného materiálu, v y z n a č u j ú c i sa tým, že obsahuje: polovodičový substrát (2) vo forme platničky, celoplošnú elektródu (7) nanesenú na jednu plochu polovodičového substrátu (2), a vyvedenú na podložku (1) ako anóda (8) na napojenie k jednej čítacej elektronike, aktívnu elektródu vo forme 2 až N segmentov (3) nanesených na opačnej ploche polovodičového substrátu (2), kde jednotlivé segmenty (3) sú rozdelené na vhodné a chybné: na základe AV charakteristiky, kde segment (3) sa považuje za chybný ak hodnota prúdu je rádovo vyššia ako mediánová hodnota prúdu v ostatných segmentoch a/alebo na základe spektrometrie, kde segment (3) sa považuje za chybný ak hodnota šírky testovaného piku kalibračného zdroja žiariča prekročí 1,5 násobok mediánovej hodnoty šírky piku v ostatných segmentoch, ostatné segmenty sú vhodné, a kde vhodné segmenty sú vodivo paralelne prepojené a vyvedené na podložku (1) ako katóda (6) na napojenie k jednej čítacej elektronike.
2. 2. Veľkoplošný detektor podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že aspoň časť povrchu celoplošnej elektródy (7) je spojená s podložkou.
3. 3. Veľkoplošný detektor podľa nárokov 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že paralelne prepojenie vhodných segmentov je vytvorené pomocou bondovacej metalizácie (4) a prepojovacieho drôtu (5), ktorý je vyvedený na podložku (1).
4. 4. Veľkoplošný detektor podľa nárokov 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že paralelne prepojenie vhodných segmentov je vytvorené samostatným vyvedením jednotlivých segmentov na podložku (1), kde sú paralelne prepojené pomocou elektricky vodivých spojov (9).
5. 5. Veľkoplošný detektor podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa tým, že počet segmentov (3) je 2 až 100, výhodne 9 - 36 a stanovuje sa na základe optimalizácie.
6. 6. Veľkoplošný detektor podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že celková plocha aktívnej elektródy je 4 až 100 cm².
7. 7. Veľkoplošný detektor podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 6, vyznačujúci sa tým, že segmenty (3) majú tvar obdĺžnika, šesťuholníka, n-uholníka, kruhu, výhodne majú tvar štvorca.
8. 8. Veľkoplošný detektor podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 6, vyznačujúci sa tým, že materiál polovodičového substrátu (2) je vybraný zo skupiny obsahujúcej: GaAs, CdTe, CdZnTe, SiC, InP.
9. 9. Spôsob výroby veľkoplošného detektora podľa ktoréhokoľvek z nárokov laž8 vyznačujúci sa tým, že obsahuje kroky: a. zoberie sa polovodičový substrát (2) vo forme platničky, b. na jednej ploche polovodičového substrátu (2) sa vytvorí celoplošná elektróda (7) a na druhej ploche substrátu sa vytvorí 2 až N segmentov (3) aktívnej elektródy, c. jednotlivé segmenty (3) aktívnej elektródy sa testujú v závislosti od potrebných parametrov, ktoré má detektor dosiahnuť tak, že: sa urobí elektrická charakterizácia každého segmentu (3) - AV charakteristika, a/alebo sa urobí spektrometria každého segmentu (3), d. na základe výsledkov testovania sa jednotlivé segmenty (3) rozdelia na vhodné a chybné, kde: segment (3) sa považuje za chybný ak v bode i) je hodnota prúdu rádovo vyššia ako mediánová hodnota prúdu v ostatných segmentoch (3) a/alebo segment (3) sa považuje za chybný ak v bode ii) je hodnota šírky testovaného piku kalibračného zdroja žiariča prekročí 1,5 násobok mediánovej hodnoty šírky piku v ostatných segmentoch (3), ostatné segmenty (3) sa považujú za vhodné, e. substrát (2) s elektródami sa pripevní na podložku (1) z elektricky nevodivého a tepelne stabilného materiálu, cez aspoň časť povrchu celoplošnej elektródy (7) pred alebo po kroku d), pričom ak sa robí spektrometria tak sa krok e) urobí medzi krokmi b) a c), alebo medzi krokmi c) i) a c) ii), f. následne sa jednotlivé vhodné segmenty aktívnej elektródy zapoja paralelne a vyvedú sa na podložku (1) ako katóda (6).
10. 10. Spôsob podľa nároku 9, vyznačujúci sa tým, že paralelné zapojenie vhodných segmentov sa urobí tak, že priamo na substráte (2) sa urobí bondovacia metalizácia (4) a jednotlivé vhodné segmenty sa navzájom paralelne prepoja pomocou prepojovacieho drôtu (5) a prepojovací drôt (5) sa vyvedie na podložku (1) ako katóda (6).
11. 11. Spôsob podľa nároku 9, vyznačujúci sa tým, že paralelné zapojenie vhodných segmentov sa urobí tak, že jednotlivé vhodné segmenty sú samostatne vyvedené na podložku (1) pomocou elektricky vodivých spojov (9) a na podložke (1) sa paralelne prepoja.
12. 12. Spôsob podľa nároku 10, v y z n a č u j ú c i sa tým, zahŕňa kroky a), b), c) i), d), e).
13. 13. Spôsob podľa nároku 11, v y z n a č u j ú c i sa tým, zahŕňa kroky a), b), c) i), d), e), c) ii), d).

    SK 50017-2021 A3
14. 14. Spôsob podľa nároku 11, vyznačujúci sa tým, zahŕňa kroky a), b), e), c) ii), d).
15. 15. Zapojenie, vyznačujúce sa tým, že obsahuje veľkoplošný detektor podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 7 a jednu čítaciu elektroniku.