Самосмещенный детектор быстрых нейтронов

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам излучений. Область применения - индивидуальный дозиметр быстрых нейтронов для проведения дозиметрического контроля персонала за защитой ядерно-физических установок (ЯФУ), таких как реакторы, ускорители, генераторы нейтронов для медицинских целей и др. Самосмещенный детектор быстрых нейтронов способен регистрировать быстрые нейтроны в смешанных гамма-нейтронных полях без использования внешнего источника питания, имеет высокую эффективность сбора заряда и низкую чувствительность к гамма-фону, за счет использования водородосодержащего конвертера и сенсора протонов отдачи, причем последний отличается тем, что содержит подложку GaAs n-типа проводимости, на обратной стороне которой сформирован омический контакт, а на рабочей стороне подложки последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой GaAs с уровнем легирования не более 1·10¹² см^-3 и толщиной 10-20 мкм, эпитаксиальный слой GaAs p-типа проводимости и омический контакт.

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам излучений. Область применения - индивидуальный дозиметр быстрых нейтронов для проведения дозиметрического контроля персонала за защитой ядерно-физических установок (ЯФУ), таких как реакторы, ускорители, генераторы нейтронов для медицинских целей и др.

Известен детектор нейтронов, содержащий конвертер быстрых нейтронов и кремниевый поверхностно-барьерный сенсор [Т.М. Filho, M.M. Hamada, F. Shiraishi, and С.Н. Mesquita, «Development of neutron detector using the surface barrier sensor with polyethylene (n, p) and ¹⁰B (n, ) converters», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A-485, pp. 441-447, 2001]. Детектор работает по принципу регистрации протонов отдачи, используя в качестве конвертера полиэтилен и регистрируя кремниевым поверхностно-барьерным сенсором выбитые протоны. Кремниевый сенсор изготовлен на основе подложек высокоомного кремния толщиной 1 мм с удельным сопротивлением 50 кОм·см и имеет площадь чувствительной области 3.14 см ² и толщину обедненного слоя 420 мкм при обратном внешнем смещении 40 В. Недостатком данного детектора является более низкая (на один-два порядка) радиационная стойкость кремния в сравнении с широкозонными материалами, значительное ухудшение характеристик кремниевых приборов при температурах выше комнатной, чувствительность к гамма-фону, а также относительно высокое напряжение питания.

Известен детектор нейтронов, содержащий конвертер быстрых нейтронов и сенсор на основе кремниевого p-i-n фотодиода марки S 3590-09 фирмы HAMAMATSU [С.Н. Mesquita, Т.М. Filho, and M.M. Hamada, «Development of Neutron Detector Using the PIN Photodiode With Polyethylene (n, p) Converter». IEEE Transactions On Nuclear Science, vol. 50, NO. 4, pp. 1170-1174, 2003]. Детектор работает по принципу регистрации протонов отдачи, используя полиэтилен в качестве конвертера. Использующийся в качестве сенсора кремниевый p-i-n фотодиод имеет площадь чувствительной области 1 см², толщину обедненного слоя 300 мкм и напряжение питания 70-100 В. Недостатком данного детектора является более низкая (на один-два порядка) радиационная стойкость кремния в сравнении с широкозонными материалами, значительное ухудшение характеристик кремниевых приборов при температурах выше комнатной, чувствительность к гамма-фону, а также относительно высокое напряжение питания.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является детектор нейтронов, содержащий конвертер быстрых нейтронов и поверхностно-барьерный GaAs сенсор [Патент США 6,479,826 B1, 2002]. Детектор работает по принципу регистрации протонов отдачи. В качестве конвертера используется полимер с большим содержанием водорода, как например полиолефин, парафин или полиэтилен высокой плотности. Сенсор устроен следующим образом. На первой поверхности полуизолирующей (ПИ) GaAs подложки сформирован барьер Шоттки, который может быть выполнен из ряда металлов, таких как, Ti, Pt, Au, Ge, Pd и Ni, на второй, противоположной, поверхности подложки сформирован контакт с низким сопротивлением (омический) состоящий из металлов, как например, Au, Ge и Ni.

В основе данного изобретения лежит тот факт, что в объемном ПИ GaAs присутствуют глубокие EL2 центры с концентрацией на уровне 10¹⁵-10¹⁶ см^-3, что имеет следствием неравномерное распределение электрического поля в обратно смещенных диодах из ПИ GaAs. Область пространственного заряда в таком материале можно условно разделить на область высокого поля (приблизительно (1-2)·10⁴ В·см ^-1) и низкого (ниже 2·10³ В·см ^-1). В результате лишь небольшая область вблизи выпрямляющего контакта (несколько десятков микрометров) является фактически активной при низких обратных смещениях, с увеличением смещения эта область увеличивается линейно в среднем как 1 мкм/В. Таким образом, посредством подачи соответствующего напряжения смещения можно устанавливать оптимальные размеры активной области, в зависимости от величины пробегов детектируемых сенсором протонов. Поскольку область низкого электрического поля является неактивной, то взаимодействие фоновых гамма-квантов в ней не регистрируется.

При увеличении смещения на детекторе размер области высокого поля увеличивается, что приводит к увеличению энергии, осаждаемой протоном отдачи в ней, и увеличению сигнала с детектора. Однако авторами изобретения было показано, что скорость счета нейтронов для смещений от 30 до 170 В является относительно постоянной во всем диапазоне напряжений смещения (12% изменение), а общая скорость счета увеличивается в 15 раз. То есть при увеличении смещения увеличивается не только осажденная протоном энергия в активной области, но и гамма отклик детектора, при этом сигнал с детектора увеличивается всего в три раза. Поэтому оптимальными размерами активной области являются 10-20 мкм.

Недостатком данной конструкции является необходимость в питании минимум 20-30 В.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность регистрации быстрых нейтронов детектором в смешанных гамма-нейтронных полях без использования внешнего источника питания при эффективности сбора заряда, генерированного частицей в рабочем слое, близкой к 100% при сохранении низкой чувствительности к гамма-фону.

Сущность полезной модели заключается в использовании в качестве сенсора протонов отдачи самосмещенного p-i-n GaAs диода, в котором параметры p-слоя и i-области выбираются таким образом, что осажденной протоном энергии достаточно для его регистрации, а встроенного поля достаточно для полного сбора носителей, при этом сохраняется низкая чувствительность к гамма-фону.

Полезная модель поясняется приведенными ниже чертежами:

На фиг. 1 показана принципиальная конструкция самосмещенного детектора быстрых нейтронов 1, который содержит водородосодержащий конвертер 2 и сенсор протонов отдачи 3, причем последний отличается тем, что содержит GaAs подложку 4 n-типа проводимости, на обратной стороне которой сформирован омический контакт 8, а на рабочей стороне подложки 4 последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой GaAs 5 с уровнем легирования не более 1·10¹² см^-3 и толщиной 10-20 мкм, эпитаксиальный слой GaAs p-типа проводимости 6 и омический контакт 7.

Самосмещенный детектор быстрых нейтронов 1 содержит водородосодержащий конвертер 2 и сенсор протонов отдачи 3, причем последний отличается тем, что содержит GaAs подложку 4 n-типа проводимости, на обратной стороне которой сформирован омический контакт 8, а на рабочей стороне подложки 4 последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой GaAs 5 с уровнем легирования не более 1·10¹² см^-3 и толщиной 10-20 мкм, эпитаксиальный слой GaAs p-типа проводимости 6 и омический контакт 7.

Принцип работы детектора заключается в следующем. Быстрые нейтроны с энергией E_n вследствие упругого рассеяния на атомах водорода, выбивают из водородосодержащего конвертера 2 протоны. В качестве конвертера может быть взят полиэтилен, парафин или любой другой богатый водородом материал. Выбитые протоны в свою очередь регистрируются сенсором на основе GaAs p-i-n диода 3. Энергия протонов отдачи определяется углом между траекториями движения нейтрона до рассеяния и протона отдачи, начальным направлением нейтрона относительно нормали к поверхности детектора, толщиной конвертера, глубиной «рождения» протона отдачи в конвертере и соответственно находятся в диапазоне от 0 до E_n. Протон отдачи наводит ионизацию в рабочей области сенсора на основе GaAs p-i-n диода, встроенное электрическое поле в i-области диода разделяет неравновесные носители, их движение к контактам создает импульсы тока во внешней цепи детектора, которые регистрируются внешней считывающей электроникой. Количество импульсов соответствует количеству протонов отдачи, попадающих в детектор.

В настоящей полезной модели предлагается выбрать параметры рабочего слоя и p-слоя таким образом, чтобы встроенного поля в рабочей области хватало для полного сбора носителей, а размеры рабочей области соответствовали достаточному осаждению энергии протоном. Для эффективного счета нейтронов достаточно иметь прогаженность i-области 10-20 мкм. Уровень легирования i-слоя выбирается исходя из условия полного обеднения - менее 1·10¹² см^-3. Уровни легирования n ⁺-подложки и p⁺-слоя выбираются максимально возможными. Для такой конструкции среднее значение встроенного электрического поля в i-области составит от 1·10³ до 5·10² В/см, соответственно для толщин от 10 до 20 мкм и позволит иметь эффективность сбора заряда близкую к 100%. Следует отметить, что выбор p-i-n структуры обусловлен тем фактом, что позволяет иметь большее встроенное поле в сравнении с барьером Шоттки.

Выбранные толщины эпитаксиальных слоев позволяют получить GaAs сенсор, нечувствительный к фоновому гамма-излучению. Гак для i-слоя GaAs толщиной 10 мкм для углов вылета протонов из конвертера менее 60° (при использовании 2.2 мм полиэтиленового конвертера и энергии налетающих нейтронов 14 МэВ), осажденная протоном энергия составит от 250 кэВ до 2.3 МэВ. Внутренняя эффективность регистрации -квантов с такими энергиями детектором достаточно низка, и составляет 0.07 и 0.02% соответственно (соответствующие полные массовые коэффициенты ослабления 0.13 и 0.038 см²/г). Сигналы от квантов с более низкими энергиями отсекаются дискриминатором. Эффективность регистрации нейтронов таким детектором составляет не менее 0.25% и определяется эффективностью конвертера.

Далее представлен один из примеров реализации предлагаемой полезной модели. Детектор изготавливается с помощью стандартных технологических операций микроэлектроники на основе 10 мкм эпитаксиальных слоев с концентрацией носителей на уровне 3·10¹¹ см ^-3, выращенных методом хлоридной эпитаксии на n⁺ -GaAs подложках, легированных до концентрации 2·10¹⁸ см^-3. Сверху i-слоя МОС-гидридным методом выращивается p⁺-слой 0.3 мкм толщиной и с концентрацией дырок 5·10 ¹⁹ см^-3.

Основные технологические операции изготовления детектора:

1) Формирование Ni/AuGe/Au омического контакта 7 к подложке арсенида галлия n-типа проводимости 4.

2) Вжигание контакта к n⁺ в течение 1.5 мкн при температуре 450°C в атмосфере азота или вакууме при остаточном давлении не ниже 2·10^-6 мм. рт.ст.

3) Формирование омического контакта 8 на основе металлизации Ti/Pd/Au к слою p-типа проводимости.

4) Формирование меза-структуры методом реактивного ионно-лучевого травления и вжигание контактов 1 мин при температуре 400°C в атмосфере азота или вакууме при остаточном давлении не ниже 2·10^-6 мм.рт.ст.

5) Формирование контактных площадок с помощью гальванического осаждения золота и осаждение пассивирующего покрытия, например Si₃N ₄.

6) Посадка поверхностно-барьерного GaAs сенсора 3 в корт с и нанесение (СН₂)_n слоя конвертера 2.

Представленная технология позволяет создавать детекторы быстрых нейтронов с площадью активной области не менее 25 мм².

Самосмещенный детектор быстрых нейтронов, состоящий из водородосодержащего конвертера и сенсора протонов отдачи, причем последний отличается тем, что содержит подложку GaAs n-типа проводимости, на обратной стороне которой сформирован омический контакт, а на рабочей стороне подложки последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой GaAs с уровнем легирования не более 1·10¹² см ^-3 и толщиной 10-20 мкм, эпитаксиальный слой GaAs р-типа проводимости и омический контакт.