Способ изготовления полупроводниковых детекторов мощности дозы ионизирующего излучения

 

Использование: полупроводниковая электроника, создание радиационно стойких детекторов мощности дозы гамма- и рентгеновского излучений. Сущность изобретения: при изготовлении полупроводниковых детекторов мощности дозы ионизирующего излучения на основе монокристаллического кремния p-типа кремниевые пластины последовательно легируют иридием, бором и фосфором, проводят отжиг при температуре 540-560°С в течение 30 - 40 мин с последующим охлаждением со скоростью не более 2 град/мин, затем проводят пайку контактов, сборку в корпус и герметизацию. 1 табл.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, в частности к способам изготовления детекторов ионизирующего излучения, и может быть использовано для создания радиационно-стойких детекторов мощности дозы гамма- и рентгеновского излучений.

Известны способы изготовления полупроводниковых детекторов мощности дозы гамма-излучения на основе монокристаллического кремния р-типа, включающее последовательную диффузию бора и фосфора.

Недостатком детекторов, изготовленных известными способами, является низкая радиационная чувствительность.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ изготовления полупроводниковых детекторов мощности доза гамма-излучения на основе монокристаллического кремния р-типа, включающий легирование кремния иридием, диффузию бора и фосфора, пайку контактов, сборку в корпус и герметизацию, обладающих высокой радиационной стойкостью.

Недостатком этого способа является ограниченность нижнего предела диапазона измеряемых мощностей доз и низкий выход изделий с заданными параметрами.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых мощностей доз и видов реакции и повышение выхода изделий с заданными параметрами при сохранении радиационной стойкости.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления детекторов на основе монокристаллического кремния р-типа. включающего легирование иридием, диффузию бора и фосфора, пайку контактов, сборку в корпус и герметизацию, перед пайкой контактов проводят отжиг при температуре 540-560^оС в течение 30-40 мин с последующим охлаждением со скоростью не более 2 град/мин.

Сущность изобретения состоит в том, что при использовании иридия для легирования кремния, атомы иридия при воздействии излучения активно взаимодействуя с первичными радиационными дефектами, уменьшают скорость формирования устойчивых радиационных дефектов, которые обычно приводят к деградации свойств, таким образом обеспечивается высокая радиационная стойкость. Последующий отжиг при температуре 540-560^оС в течение 30-40 мин и охлаждение со скоростью не более 2 град/мин приводят к распаду термо- и примесных рекомбинационных центров, которые отрицательно влияют на чувствительность детектора и выход изделий с заданными параметрами.

При воздействии рентгеновскими лучами изменения параметров в р-n-переходе (p-n-структуре) происходят, в основном, за счет реализации переданной излучением энергии возбуждения, которая при наличии неоднородностей релаксирует не производя переноса носителей, при этом линейность зависимости тока короткого замыкания (I_к.з) от интенсивности потока излучения нарушается. От этого эффекта можно избавится, если чувствительный слой детектора изготавливать однородным. Нам удалось достичь однородность чувствительного слоя кремниевой структуры, легированной иридием, путем пpоведения дополнительного отжига на воздухе при температуре 540-560^оС с последующим медленным охлаждением, поскольку нами установлено, что в р-кремнии, легированном иридием, образуются глубокие центры ионизации с энергией ионизации Е_с (0,3-0,4)эВ - акцепторного и Е_с-0,54 эВ - донорного характера. Первый - является центром рекомбинации для электронов (его наличие снижает время жизни неосновных носителей), а второй центр - донорный, способствует компенсации удельного сопротивления p = Si. Поскольку центр с энергией ионизации Е_с-(0,3-0,4)эВ является центром рекомбинации для электронов и приводит к снижению чувствительности детектора, то целесообразно этот центр удалить путем термической обработки, так как его термический распад наблюдается при температуре 540-560^оС. Термический распад второго центра Ес-0,54 эВ наблюдается при температура отжига 740-780^оС. Ввиду достаточно большого интервала между значениями температур термического распада центров, при термообработке при 540-560^оС степень компенсации удельного сопротивления материала сохраняется, а чувствительность прибора к излучению увеличивается более чем в 2 раза.

Чувствительность детектора по току, достигнутая в заявляемом техническом решении, при воздействии гамма-излучения составляет = 810^-7 А/рс^-1, для сравнения в прототипе 3,710^-7 А/рс^-1. При воздействии рентгеновского излучения (Х-лучей) _x = 910^-6 А/рс^-1, предельно измеряемая малая мощность дозы рентгеновского излучения составляет 810^-5 Р/с.

Таким образом, использование дополнительного термического отжига при температуре 540-560^оС позволяет существенно расширить диапазон измеряемых мощностей доз рентгеновскоо излучения (малые мощности доз).

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом: Пример. Из монокристаллического слитка низкоомного кремния р-типа (КДБ-2 или КДБ-3) вырезают пластины перпендикулярно направлению (III) толщиной 400-600 мкм. После резки для снятия нарушенного слоя образовавшегося в процессе резки, пластины последовательно шлифуют с обеих сторон микропорошками М-7, М-% до толщины d 350 мкм. После механической обработки пластины отмывают в деионизированной воде, выдерживают в растворе (IHF + 5H₂O) в течение 5 мин, кипятят в растворе (7Н₂О₄ + 3Н₂О₂) при температуре 130^оС в течение 5 мин, отмывают в деионизированной воде, кипятят в перекисно-аммиачном растворе (IH₂O₂ + INH₄ + 4H₂O) при температуре 75^оС в течение 5 мин, затем отмывают в деионизованной воде и сушат под струей сухого азота (N₂) при температуре 50-60^оС. Далее на чистую поверхность пластины с обеих сторон наносят раствор иридия (H₂IrCl₆). Диффузию иридия проводят термодифузионным способом при температуре 1280-1330^оС в течение 1 часа, затем пластины охлаждают на воздухе до комнатной температуры со скоростью 20-30^оС в секунду. Получив р-n-переход пластину разрезают на пластиночки размерами 15х15 мм², с них снимают окисный слой в плавиковой кислоте, затем на обе стороны последовательно напыляют алюминий и никель для улучшения сгорания зарядов на контактах.

Следующий этап технологического цикла - это термический отжиг при температуре 540-560^оС в течение 30-40 мин.

Верхний предел температуры отжига устанавливается не более чем 560^оС, во-первых, при температурах выше указанной может начаться частичный отжиг центра Ес-0,54 эВ, что нежелательно, и во-вторых, для создания эвтектики контактного сплава кремний - металл - она достаточна. При уменьшении температуры отжига ниже 540^оС не достигается полный отжиг центра Е_с-(0,3-0,4) эВ, являющегося центром рекомбинации носителей.

Если отжигать менее 30 мин, то ввиду малой скорости распада может иметь место неполный распад комплексов, создающих центр Е_с-(0,3-0,4) эВ. что нежелательно; в то же время отжигать более 40 мин неэффективно, так как за это время (30-40 мин) все центры уже распадаются.

Скорость охлаждения на воздухе после отжига при 540-560^оС не более чем 2 град/мин. Охлаждение со скоростью более чем 2 град/мин приводит к частичному сохранению закалочных дефектов, которые неравномерно распределяются в объеме и приводят к появлению неоднородностей в чувствительном слое.

В таблице приводится выход годных приборов с высокой радиационной стойкостью и токовой чувствительностью в зависимости от скорости охлаждения после термического отжига при 540-560^оС. Как видно из таблицы, увеличение скорости охлаждения приводит к уменьшению выхода годных приборов и токовой чувствительности прибора.

Таким образом, использование процесса дополнительного термоотжига перед пайкой контактов со скоростью охлаждения не более 2 град/мин, способствующее удалению уровня Е_с-(0,3-0,4) эВ, позволяет в 1,5-2 раза увеличить выход изделий с заданными параметрами за счет достижения однородности чувствительного слоя, развала (распада) термо- примесных рекомбинационных центров, которые отрицательно влияют на время жизни носителей.

Последний этап технологического процесса - это пайка контактов сборка в корпус и герметизация.

Детекторы, полученные предлагаемым способом испытаны на радиационную чувствительность, радиационную стойкость и диапазоны измеряемых мощностей доз рентгеновского излучения на установках УРС-55 УРС-70 и "ИРИС". Чувствительность детектора составляет 910^-6 А/Рс^-1.

Радиационная деградация после облучения дозой гамма-лучей Со60 равной 210⁹ Р составляет 15%. Нижний диапазон измеряемых мощностей доз рентгеновского излучения составляет 810^-5 Р/с.

Изобретение позволяет изготовить высокочувствительный и радиационно-стойкий полупроводниковый детектор для широкого диапазона мощностей доз рентгеновского излучения, использующего в медицине (рентгеновские кабинеты, лучевая терапия), космических станциях, научных центрах и т.д.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ МОЩНОСТИ ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ на основе монокристаллического кремния р-типа, включающий легирование полупроводниковых пластин иридием, бором и фосфором, пайку контактов, сборку в корпус и герметизацию, отличающийся тем, что перед пайкой контактов проводят отжиг при 540 - 560^oС в течение 30 - 40 мин с последующим охлаждением со скоростью не более 2 град./мин.