Полупроводниковые детекторы хорошо известны в экспериментальной физике и применяются уже почти пятьдесят лет [1]. Они используются для регистрации различных видов излучений в спектрометрических и координатных измерениях. В начале 80-х годов появился новый класс полупроводниковых детекторов радиационных частиц — полосковые [2,3]. Их появление было стимулировано потребностями физики высоких энергий в точной и быстрой регистрации координат места попадания радиационных частиц. Новые возможности полосковых детекторов по точности координатных измерении обусловили их быстрое развитие и появление большого числа новых разработок координатных детекторов и специализированной микроэлектроники к ним [4−6].
Проведенный в диссертации анализ известных типов координатных детекторов показал их ограниченные возможности по регистрации радиационных частиц с требуемыми для современной физики и космических исследований параметрами (быстродействием tBbI6<10 не, координатной.
15 2 точностью Дх=Ду<10мкм, радиационной стойкостью Фе>2−10 эл/см, и т. д.).
13 2.
Ограничения связаны с низкой радиационной стойкостью (Фе<1(Г эл/см) высокоомного кремния (pv = 5 кОм-см), используемого при создании полосковых стриповых детекторов, а низкие быстродействие (tBbl6>100 не) и координатная точность (Дх=Ду>50 мкм), обусловлены большими размерами и, следовательно, большой величиной распределенной емкости.
Рассматривая присущие современным детекторам ограничения, можно прийти к выводу, что реализация координатных детекторов с существенно улучшенными параметрами может достигаться с использованием интегрированных активных структур малого размера в ячейках (пикселах) координатного детектора. Исходя из этого, основным направлением поиска в диссертационной работе стал анализ работы и способности регистрации активными структурами радиационного излучения, с целью решения актуальной для современной техники регистрации радиационных излучений задачисоздания образцов высокоэффективных детекторов с высоким быстродействием (W"10 не), повышенной координатной точностью (Дх=Ду"20 мкм) и высокой радиационной стойкостью на базе использования современной микроэлектронной технологии.
Проблема создания новых типов координатных детекторов является многоплановой, и включает в себя поиск новых взаимосвязанных приборных, схемотехнических и технологических решений.
Первые идеи о возможном использовании активных транзисторных структур в детекторных ячейках возникли в начале 80х годов в результате работ проведенных по изучению реакции биполярных транзисторных р-п-р структур на воздействие а-частиц. Впервые было показано, что транзисторные структуры способны детектировать а-частицы с энергией 6−10 Мэв, однако использование таких транзисторных структур в координатных детекторах было ограничено высоким уровнем шумов и низким быстродействием. В дальнейшем, идея использования полупроводниковых структур в полосковых детекторах была использована Дж. Кеммером и Г. Лютцем при создании экспериментального координатного детектора на основе МОП структур со скрытым каналом. Однако детекторы на МОП-структурах показали худшие результаты по быстродействию и радиационной стойкости, в сравнении с транзисторными р-п-р структурами.
Дальнейший поиск привел к созданию быстродействующих координатных детекторов с использованием детекторов пиксельного типа, где вместо полосок p-i-n диодов использовались п-р-п транзисторные структуры, однако, такие детекторы имели относительно высокий уровень шумов.
Следует отметить, что к настоящему времени проблема создания быстродействующих координатных детекторов, удовлетворяющих требованиям современной физики и специальной техники, далека от завершения и требует поиска, разработок и применения новых конструктивно-технологических решений с использованием принципов формирования микроэлектронных структур.
В последние годы значительный прогресс микроэлектроники связан с использованием различных типов функционально-интегрированных структур. Благодаря новым разработкам функционально-интегрированных структур (БИ-К-МОП, IGBT, ДОЗУ и др.) удалось достичь значительного прогресса в части повышенных уровней интеграции, функциональных возможностей, быстродействия, радиационной стойкости и других характеристик микросхем и приборов. В связи с этим, возникло предложение применения функционально-интегрированных структур в пикселах координатных детекторов.
Целью проведенной работы стало проведение поисковых исследований и разработка быстродействующего (tBbI6~ 10 не), высокоточного (Лх=Ау"20 мкм) и.
1Л «У радиационно-стойкого (Ф>110 эл/см) многоэлементного координатного детектора на основе принципов формирования функционально-интегрированных микроэлектронных структур.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнение следующих этапов работы:
— анализ параметров известных полупроводниковых детекторов;
— проведение теоретического анализа и моделирования ионизационных и усилительных процессов в различных вариантах функционально-интегрированных активных пиксельных структур координатных детекторов, происходящих под воздействием а-частиц и релятивистских электронов;
— разработка конструктивно-технологических решений функционально-интегрированных биполярных и полевых структур координатных детекторов;
— сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов исследования координатных детекторов, разработанных на основе предложенных структур;
— экспериментальная и расчетная оценка параметров и характеристик • разработанных структур (быстродействия, чувствительности, координатного разрешения, радиационной стойкости).
Научная новизна работы.
1. Физически обосновано и предложено новое конструктивно-техническое решение однокристальных координатных детекторов, в которых реализована функциональная интеграция, регистрирующей части детектора (p-i-п структура) и усилительной (п-р-п транзистор, п-канальный вертикальный полевой транзистор);
2. Проведен сравнительный анализ предложенных в работе структурно- • топологических и технологических решений функционально-интегрированных структур координатных детекторов, и выбран оптимальный вариант для реализации.
3. Предложены физико-математические модели, описывающие:
— ионизационные процессы в регистрирующей части функционально-интегрированных детекторов, происходящие под воздействием радиационных частиц (а-частиц, релятивистских электронов);
— специфический характер работы функционально-интегрированных пиксельных структур координатных детекторов.
4. Проведена численная оценка основных параметров разработанных структур координатных детекторов.
5. Разработаны биполярные и полевые функционально-интегрированные структуры детекторов а-частиц.
Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:
3. Физически обосновано и предложено новое конструктивно-техническое решение однокристальных координатных детекторов, в которых реализована функциональная интеграция, регистрирующей части детектора (p-iп структура) и усилительной (n-p-n транзистор, n-канальный вертикальный полевой транзистор);
4. Проведен сравнительный анализ предложенных в работе структурно-топологических и технологических решений функционально-интегрированных структур координатных детекторов, и выбран оптимальный вариант для реализации.
3. Предложены физико-математические модели, описывающие:
— ионизационные процессы в регистрирующей части функционально-интегрированных детекторов, происходящие под воздействием радиационных частиц (а-частиц, релятивистских электронов);
— специфический характер работы функционально-интегрированных пиксельных структур координатных детекторов.
4. Проведена численная оценка основных параметров разработанных структур координатных детекторов.
5. Разработаны биполярные и полевые функционально-интегрированные структуры детекторов а-частиц.
Автор защищает:
1. Модель оценки ионизационных процессов в усилительных активных пиксельных структурах координатных детекторов;
2. Физическую модель функционально-интегрированной структуры с «чисто дрейфовым» механизмом усиления;
3. Предложенные типы и конструктивно-технологические характеристики разработанных структур координатных детекторов;
4. Результаты расчетной оценки и экспериментальных исследований параметров и характеристик разработанных структур активных пиксельных координатных детекторов.
Выводы к главе 5.
Экспериментальные результаты оценки фоточувствительности показали, что коэффициент усиления фототока на транзисторных структурах не менее 60.
Биполярные структуры имеют не значительные токи утечки 1ух<10−12 нА, при этом напряжение пробоя крллектор-эмиттерного перехода равно 160 В.
Напряжение пробоя транзисторной матрицы детектора SB1 соответствует 160 В, а стрипа — 80 В, что по-видимому связано с экраном р" базы и р+ охранным кольцом. Фототок эффективно усиливается структурой SB2 в режиме с плавающей базой, аналогично, как и в случае инжекции, за исключением случая, когда имеется смещение на базе >0,6 В ((3=4).
Результаты измерений показывают усиление первичного фототока структурами модуля SB2 (с плавающей базой) в 100 раз и в 30−40 раз структурами модуля SB3 с фиксированной базой.
Экспериментальные результаты по детектированию а-частиц показали, что детекторы радиационных частиц на основе функционально-интегрированных структур имеют по крайней мере на 2 порядка большую чувствительность и радиационную стойкость, чем стриповые детекторы.
Проведенные исследования показали перспективность предложенной разработки, т.к. уже первые образцы на низкоомном кремнии при ОПЗ порядка 10−20 мкм способны к эффективному детектированию, а частиц, что позволяет получать координатные детекторы с разрешением не хуже 20 мкм.
Время выборки информационного скгнала для этих активных координатных детекторов не более 10 не, что на 2 порядка превышает быстродействие стриповых детекторов.
Заключение
.
В работе рассмотрено перспективное направление в области конструирования координатных детекторов радиационного излучения построенных на базе функционально-интегрированных активных пиксельных структур. Показано, что такие детекторы выгодно отличаются от традиционных детекторов на пассивных стриповых p-i-n структурах возможностью измерения сразу 2х координат, а также способностью усиления сигнала в пределах регистрирующей пикселы.
В рамках данной работы была предложена физическая модель*, описывающая специфический характер работы и усиления ионизационных токов активными функционально-интегрированными структурами.
Проведен расчет чувствительности, координатной точности и быстродействия детекторов построенных на основе функционально-интегрированных структур, который показал возможность получения предельно высоких эксплуатационных параметров для детекторов: чувствительность 1−105эл.дыр. пар, координатную точность Дх=Ду<20 мкм и быстродействие tBH6<10 не.
Показано, что наибольшим быстродействием обладает детектор), построенной на основе «чисто дрейфовых» структур.
Разработанный координатный детектор имеет на 2 порядка большую.
1С л радиационную стойкость к ионизирующему излучению (Фе> 110 эл/см), чем детекторы на традиционных стриповых структурах, что обусловлено следующими конструктивно-технологическими особенностями:
— малая глубина залегания переходов: Хбэ~0,25 мкм, Хбк~0,4 мкм;
— малые геометрические размеры: 8э=1,5×1,5 мкм, 85=3,0×3,0 мкм;
21 3 16 3.
— резкие градиенты концентраций: N3=1 ТО см", Ne=1T0 см", Nk=TT012cm" 3;
1 •.
— использование низкоомного кремния 20 Ом-см.
Проведены экспериментальные работы по исследованию эффективности нового типа детектора а-частиц, которые показали на два порядка большую чувствительность (Р>100) и большее быстродействие (tBH6<10 не) по сравнению, с традиционными типами стриповых детекторов*.
Теоретическими и экспериментальными методами доказано преимущество разработанных детекторов на базе функционально-интегрированных структур, по сравнению с традиционными, при решении задач экспериментальной физики, связанных со скоростной координатной регистрацией радиационных частиц.
Научно-техническая значимость подтверждена теоретическими и практическими результатами: расчетными методиками оценки эффективности детектирующих устройств, а также при создании опытных образцов детекторов радиационных частиц, которые прошли испытания на предприятиях РНЦ «Курчатовский институт», АО «СНИИП-Плюс», ИЯИ, ОКБ «Сенсор-2».
