Детектор ядерных излучений

 

ДЕТЕКТОР ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ на основе полупроводникового монокристалла цилиндрической формы р-типа проводимости с литий-дрейфовой структурой на боковой поверхности и одном из торцов, отличающийся тем, что, с целью повьпиения точности измерения за счет повьшения отношения сигнал/шум, со стороны другого торца часть цилиндрической поверхности кристалла свободна от слоя лития на высоту не менее величины чувствительного слоя детектора;

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГ)УБЛИН

„„SU,„,1 44205

4(sl)H 0f L 3l/02; C 01 Т f/24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОЕРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГПФ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . ":М АВТОБУСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3364048/18-25 (22) 04. 12. 81 (46) 15.04. 85. Бюл. 9 14 (72) Н.П.Афанасьева и Л.И.Пашук (71) Ленинградский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова (53) 621. 387. 462 (088. 8) (56) 1. Акимов Ю. К. и др. Полупро= водииковые детекторы ядерных частиц и их применение. М., Атомиздат, 1967, с 40.

2. P. Glasow et.а1."Иос! Insttum

aIid Meth" чо1 86, р, 146, 1970.

3. Акимов Ю.К. и др. Полупроводниковые детекторы ядерных частиц и их применение. М., Атомиздат, 1967, с. 53 (прототип 1, (54) (57) ДЕТЕКТОР ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ на основе полупроводникового монокристалла цилиндрической формы р-типа проводимости с литий-дрейфовой структурой на боковой поверхности н одном иэ торцов, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения эа счет повышения отношения сигнал/шум, со стороны другого торца часть цилиндрической поверхности кристалла свободна от слоя лития на высоту не менее величины чувствительного слоя детектора.

205

Ф

Изобретение относится к полупроводниковому приборостроению, а именно к литий-дрейфовым кааксиальным детекторам, и может быть использовано в приборах для спектрометрии и регистрации ядерных излучений.

Известен литий-дрейфовый детектор ядерных излучений планарной геометрии(! Х Он представляет собой цилиндр из р -материала, в котором »а со стороны одного из торцов создан чувствительный слой (i-слой )за счет дрейфа ионов лития иэ диффузионного н-слоя в р -материал под действием поля в обратносмещенном р- и -nepe- f5 ходе. Глубина дрейфовой области алределяется, как правило, прило-, женным напряжением, температурой и временем, в течение которого проводят дрейф.

С целью улучшения характеристик детекторов, а именно для снижения шумов, обусловленных токами утечки, используется меэа геометрия.

I l. u

Эта геометрия предполагает отсутст25 вне диффузионного слоя лития у краев торца, на котором этот слой создан. Детекторы с меза-структурой используются при регистрации и спектрометрии излучения падающего

30 как правило, перпендикулярно торцу.

В общем случае при детектировании ненаправленного излучения наблюдается .анизотропия, связанная с тем, что боковая цилиндрическая поверхность остается р-областью, нечувствитель- З5 ной к излучению.

Кроме того, таким способом трудно . получить большие рабочие объемы, детехторов(более 4 c4) за счет того, что диаметр:промышленно изготавли" 4О ваемых для детекторов полупроводниковых монокристаллав составляет

30-40 мм, а создание толщин <-областей более )О мм требует значительного увеличения времени дрейфа. Для регистрации и спектраметрии р-излучения с большой эффективностью требуются объемы в несколько десятков кубических сантиметров(под эффективностью счета понимают приведенное к единице площади отношение скорости счета в пике полного поглощения к плотности потока частиц или квантов).

Известны коаксиальные кремниевые детекторы ядерных излучений,имеющие и-р переход(2 ).

Переход создается на кремнии дырочкой проводимости путем лийкЬчзин фосфора на внешнюю цилиндрическую поверхность полупроводниковой заготовки, на кремнии электронной проводимости — путем напыления в вакууме на внешнюю цилиндрическую поверхность золота. Чувствительная к излучению область образуется в таких детекторах за счет приложенного к - p переходу обратного смещения. Недостатком этого типа детекторов является отно-. сительно малые значения глубины чувствительной области(обычно менее

2 мм ), что не позволяет получать большие рабочие объемы,-и необходимость подавать высокие смещения(0,51,0 кВ ), что представляет опасность для пациента при использовании таких детекторов в медико"биологических целях.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретенйю является детектор ядерных излучений на основе полупроводникового монокристалла цилиндрической формы р-типа проводимости с литий-дрейфовой структурой на боковой поверхности и одном иэ торцов(3). Он выполнен в виде цилиндра и имеет литий-.дрейфовую структуру вдоль всей боковой поверхности и на одном из торцов, причем на другом торце имеет место выход

n-i-p перехода на поверхность. Литийдрейфовые детекторы изготавливают из кристаллов кремния или германия дырочного типа проводимости. На боковой поверхности заготовки и одном из торцов создан диффузионный слой лития электронного типа проводимости.

После химического травления .и создания омическнх контактов к областям о и р типа проводимости на полученный fl-p диод подают запирающее напряжеиие при повышенных температурах, в результате чего ионы лития из диффузионного слоя дрейфуют в р -область,: компенсируя заряд, создаваемый примесью.дырачного типа и образуя область с собственной проводимостью (< -область ). Обладая большой подвижностью, ионы лития могут дрейфовать на глубину до )5 мм, и созданная

i -область определяет рабочую область приборов. Создание столь протяженных областей обеспечивает, во-первых возможность регистрации и споктрометрии длиннопрабежных частиц (элек— троны, протоны больших энергий) и

Ф -квантов эа счет полного энерговыделения в i -области и, во-вторых, 1О44205 воэможность .работы на созданном слое нужной глубины при значительно меньших рабочих напряжениях, чем в случае детекторов с и- переходом.

Обладая большим чувствительным объе" мом и изотропныии свойствами, эти детекторы имеют достаточно высокое разрешение по энергии, если уровень шумов мал н качество исходного полупроводникового материала обеспе- 1О чивает условие однородного собирания заряда. В ряде случаев для коакеиальных литий-.дрейфовых детекторов условие получения малых шумов является трудновыполнимыи, как, например, при использовании кремниевых детекторов при комнатных температурахе

При регистрации излучения основ-. ной характеристикой детектора является отношение сигнал/шум. Энергетическое разрешение является основной . характеристикой спектроиетрнческнх. детекторов н определяется как полная ширина спектральной линии ионоэнергетического излучения на половине ее максимальной высоты. В энергетическое разрешение квадратично входят три слагаемых, одним из которых являются флуктуации шуца. В свою очередь, флуктуации шума определяются теиновым током обратнасмещениого p-l-n перехода, Вклад шумов в полное разрешение детекторов в ряде случаев, особенно при работе без охлаждения, является доиинирующии, н все усилия обычно направлены иа получение минимальных обратных токов.

Обратный ток. р-т.- перехода состоит нз генерационнорекоибинацион- 40 ного тока, который определяется параметрами исходного материала и тока утечки, который зависит от совершенства химической обработки открытой поверхности р- 1«А перехода. 45

Кимическая обработка поверхности р- 1- ri перехода предполагает созда ние на ней наиболее благоприятных условий с точки зрения снижения рекомбинации и поверхностной провб" 56 димости, В настоящее время химическая обработка поверхности,цолуироводншка остается нерешенной задачей.

Процессы химической и физической 55 сорбции, а также присутствие на нО- . эерхности комплексов, содержащих легкодиссоциирующие ионы подвижжа< элементов, приводят к трудноконтролируемым условиям на поверхности перехода, что обусловливает,неста-, бильность шумовых характеристик приборов во времени.

Кроме того, для миниатюрных медико-биологических приборов такой геоиетрии с диаметром 1-2 мм трудно изготовить омический контакт к области р-типа диаметрои 0,2 мм, оставшейся после проведения дрейфа из-за риска эакорачирания с < -областью.

Цель изобретения — повышение точности измерения за счет снижения шуиов н повышения стабильности во. времени, а также воэможность создания контакта к р -области при малых размерах детектора.

Поставленная цель достигается теи, что в известном детекторе ядерных излучений цилиндрической формы, имеющем литий-дрейфовую структуру на боковой поверхности и одном иэ торцов, со стороны другого торца часть цилиндрической поверхности кристалла выполнена свободной от слоя лития на высоту не менее величины чувствительного слоя детектора.

На чертеже представлен предлагаемый детектор.

Предлагаемый детектор выполнен на основе монокристалла 1 кремния или германия дырочного типа проводимости цилиндрической формы. На одном иэ торцов и боковой поверхности цилиндра имеется диффузионный слой лития

2 и -типа проводимости. Второй торец и часть прилегающей к нему цилиндрической поверхности кристалла свободны от слоя лития.

Причем высота свободной зоны на боковой поверхности превышает величину чувствительной зоны детектора, чтобы избежать возможности выхода

i-области в процессе дрейфа иа торец.

Торцы кристалла снабжены омическими. контактами 3 и 4. Например,для кремниевых детекторов контактом 3 к р-области могут служить напыленное золото, либо электрически осажденный палладий, а .:контактом 4 к r -области могут быть либо индий галиевая эвтектнка, либо электролитическп осажденный до химического травления никель.

После проведения дрейфа ионов лития образуется область 5 собственной проводимости толщиной %, котоРедактор П.Горькова Техред И.Надь

Корректор Л.Пилипенко

Заказ 2762/1 Тираж 679 Подписное

ВНКШЙ Государственного комитета СССР по делам. изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Э 104420 рая и яв..ляется чувствительной областью детектора.

В детекторе предлагаемой конструкции снижается величина электрнческого поля в приконтактной области, что приводит к уменьшению токов поверхностной утечки.

Кроме того, такой детектор обладает более стабильными во времени характеристиками, так как ваияиие 16 окружающей среды непосредственно на

n.- «р структуру практически исключено.

Детекторы предлагаемой конструкции имеют обратные токи иа порядок меньше, чем у прототипа, н составля5

6 ют для медико-биологических детекторов с объемом 0,02 смз менее

0,05 мкА для обратных смещений 50 В и для детекторов большого объема 30 см порядка 1 мкА при смещениях

300-500 В при комнатной температуре.

Таким образом, детектор предлагаемой конструкции является более стабильным. устройством по сравнению с прототипом, имеет более низкий уровень шумов за счет снижения токов утечки, и, кроме того, в нем облегчено создание контакта к р-области при малых размерах детектора, так как р -область иа торце имеет диаметр равный диаметру детектора.