CC BY
7
КРЕМНИЙ-ЛИТИЕВЫЕ йЕ-ДЕТЕКТОРЫ АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАДИОМЕТРА Раджапов С.А., Рахимов Р.Х., Раджапов Б.С., Зуфаров М.А.
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-2-157-159
КРЕМНИЙ-ЛИТИЕВЫЕ ДЕ-ДЕТЕКТОРЫ АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЯ
ДЛЯ РАДИОМЕТРА1
Раджапов Сали Аширович, доктор физ.-мат. наук; ведущий научный сотрудник Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: rsafti@mail.ru
Рахимов Рустам Хакимович, доктор техн. наук, зав. лабораторией Института материаловедения НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: rustam-shsul@yandex.com
РаджаповБегжан Салиевич, младший научный сотрудник Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: rsafti@mail.ru
Зуфаров Марс Ахмедович, старший научный сотрудник, Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. Е-mail: marsuz@rambler.ru
Аннотация. В статье приводятся оптимизирование технологии изготовления кремний-литиевых ДЕ-детекторов большого размера, а также некоторые данные исследований радиометрических характеристик кремний-литиевых ДЕ-детекторов диаметром 4-8 см и радиометра на их основе.
Ключевые слова: монокристаллический кремний, полупроводниковые детекторы, радиометр, альфа-излучение.
Регистрация слабых альфа излучений представляется непростой задачей из-за недостаточно высокой чувствительности детектирующих установок, в частности на основе полупроводников, и из-за отсутствия высокоэффективных детекторов на основе полупроводниковых монокристаллов большого диаметра (ф = 100 мм). Однако при разработке и изготовлении детекторов необходимо решить ряд технологических проблем, в том числе, связанных с требованиями малых токов утечки при использовании высокоомного кремния, обеспечением бездефектной структуры на больших площадях. Изготовление кремниевых ППД структур с большой чувствительной рабочей площадью (60 см2) из кремния большого диаметра (~110 мм) имеют свои особенности. Это связанно с поверхностным и примесными неоднородностя-ми, образованием дипольных структур в местах скопления примеси, а также неоднородным распределением параметров кремния большого размера. Разработка детекторов в кремниевых монокристаллах указанных размеров имеет свои особенности как физического, так и технологического, технического и конструкционного характера. При этом необходимо изучить особенности взаимосвязи свойств полупроводниковых кристаллов с обеспечением требуемых характеристик полупроводниковых детекторов больших размеров и целом радиометров на их основе. Современный прибор такого назначения требует использования сложных технических систем, создание которых охватывает широкую область исследований, электронику, математический аппарат и компьютерную программу по обработке данных, точную механику. Важнейшей проблемой при создании прибора является как измерение низких уровней активности, так и ее селекция и проведение спектрометрического анализа результатов измерений. С этой целью разработаны электронные схемы с варьируемыми параметрами, обеспечивающие эту селективность. Использование кремниевых детекторов
большого диаметра для регистрации альфа излучения является эффективном средством для прямого селективного измерения активности естественных изотопов ионизирующего альфа излучения (238и, 234и, 232^, 22^а, 22^п, 218Ро, и т.д.) почве, в воде и содержания урана в исследуемой среде.
Целью данной работы является разработка и изготовление радиометра на основе кремниевых ДЕ-детекторов большого диаметра для прямого селективного измерения активности естественных изотопов ионизирующего альфа излучения (238и, 234и, 232т, 22^а, 22^п, 218Ро, и т.д.), также содержания урана в исследуемой среде. Работа заключалась в разработке более новой технологии детекторов на основе кремниевых ДЕ-детекторов большого диаметра и электронных узлов, обладающих большой эффективностью регистрации 2п геометрии для прямого селективного измерения активности естественных изотопов в исследуемой среде. При этом необходимы компактные и точные приборы, работающие как в счетном, так и в спектрометрическом режимах. Такие приборы разрабатывались с учетом конкретных условий, предполагающие оптимальные технологические решения.
Описания Радиометра на основе поверхностно-барьерных и гетеропереходных Al-aGe-pSi-Au-детекторов больших размеров приведены в работах [1; 2]. Радиометр на основе кремний-литиевых ДЕ-детекторов для регистрации альфа излучения является эффективным средством для прямого измерения объемной активности.
В результате исследования и проведения технологических работ была разработаны и изготовлены Si р-1-п ДЕ-детекторы (рис. 1). Детекторы изготовлены из pSi диаметром ф = 40-80 мм с удельным сопротивлением р = 0,5-1 кОм • см, т > 300 мкс, вырезанные в виде шайб толщиной ~ км. На пластины проводилась диффузия на глубину 30 мкм при температуре t = 420 °С по технологии, показанной в [1]. Дрейф ионов лития проводился при температуре
1 Работа выполнена в рамках гранта А.3-18 и ФА-Атех-2018-233 прикладных исследований.
ЭНЕРГЕТИКА
05.14.00
ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ
05.14.08
t = 80-90 °С и напряжении и = 60-150 В, с последующим низкотемпературным (£ = 60 °С, и = 200 В) импульсным выравнивающим дрейфом в соответствии с режимом, предложенными в работе [2]. После проведения полной компенсации /'-области, весь кристалл подвергался специально химико-технологической обработке в целях обеспечения минимальных толщин «мертвых» слоев «входного» и «выходного» окон, а толщину кристаллов доводили до 70-100 мкм. Затем методом вакуумного напыления при
давлении 3 • 10-5 мм рт. ст. на пластины наносили контакты на основе аморфного aSi (500 А) и А1 (300 А), и на обратную тыловую сторону из Аи (~200 А). Затем готовые детекторы помещали в корпуса [3].
В изготовленных детекторах измерялись электрофизические и радиометрические характеристики, сравнивали соответствующие характеристики поверхностно-барьерных детекторов (ПБД) аналогичной геометрии, изготовленных из nS\, р ~ 3-5 кОм • см [4].
AL
a-Si
/'-область
vAu
б
Рис. 1. Полупроводниковые кремний-литиевые ДЕ-детекторы большого размера: а - ДЕ-детектор в разрезе; б - общий вид ДЕ-детекторов
N, 103 имп 8
6
7,65 МэВ
2
1500 3000
Номер канала
Рис. 2. Энергетический спектр ДЕ-детектора: по а-частицам 22^а (Е = 7,65 МэВ) при и = 10 В
Преимущество детекторов изготовленных на pS\S\ р-/-п ДЕ-детекторов следующее: они имеют малое рабочее напряжение и ~ 5-10 В и относительно малые потери энергии во «входном» и «выходном» окнах (ДЕвх ~ 8-15 кэВ, ДЕвых ~ 12-20 кэВ) (см. рис. 1).
Изготовленные детекторы площадью 5 = 50 см2 имели энергетическое разрешение для а-частиц 226Ка с энергией
Рис. 3. Общий вид радиометра
Еа = 7,65 МэВ около 90 кэВ (рис. 2), обратный ток при рабочем напряжении ираб ~ 8-10 В, /обр ~ 0,8-2 • 10-6 А, емкость
обр
С ~ 2200 пФ, шумы Еш ~ 80 кэВ. Величина энергетического разрешения определялась, в основном, емкостными шумами.
а
4
0
158
Computational nanotechnology
Vol. 6, № 2, 2019
ISSN 2313-223X
SILICON-LITHIUM ÜE-DETECTORS OF ALPHA-RADIATION TO THE RADIOMETER
Radzhapov S.A., Rakhimov R.Kh., Radzhapov B.S., Zufarov M.A.
Таким образом, разработана технология получения Si р-/-п-ДЕ-детекторов больших размеров, оптимизированы технологические режимы, определены режимы диффузии и дрейфа ионов лития. Исследованы электрофизические и радиометрические характеристики изготовленных Si р-/-п-ДЕ-детекторов больших размеров (диаметр -40-60 мм, толщина - 100-120 мкм) при комнатной температуре, работающие при полном обедняющем напряжении и . = 10-12 В.
раб
Разработанный в лаборатории ФТИ АН РУз радиометр на основе ДЕ-детекторов обеспечивает 2п измерение содержания альфа излучения в воздухе, почве, воде и материале, а также позволяет проводить мониторинг в течение продолжительного времени. На рис. 3 показан универсальный прибор радиометр радона на основе кремний-литиевого ДЕ-детектора большого размера.
Литература
1. Азимов С.А., Муминов Р.А., Шамирзаев С.Х. Яфасов А.Я. Кремний-литиевые детекторы ядерного излучения. Ташкент: Фан, 1981. 257 с.
2. Radzhapov S.A. A Versatile Spectrometer Based on a Large-Volume Si (Li) p-i-n Structure // Instruments and Experimental Techiques. New York, 2007. Vol. 50. № 4. Pp. 452-454.
3. Раджапов С.А., Раджапов Б.С., Джанклич М., Зуфаров М.А., Рахимов Р.Х. Полупроводниковые детекторы ядерного излучения на основе гетерепереходных структур Al-aGe-pSi-Au для измерения мало интенсивных ионизирующих излучений // Computational Nanotechnology. 2018. № 3. С. 65-67.
4. Раджапов С.А., Раджапов Б.С., Рахимов Р.Х. Особенности технология изготовление кремниевых поверхностно-барьерных детекторов большой чувствительной рабочей площадью для измерения активности естественных изотопов // Computational Nanotechnology. 2018. № 1. С. 151-154.
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-2-157-159
SILICON-LITHIUM AE-DETECTORS OF ALPHA-RADIATION
TO THE RADIOMETER
Radzhapov Sali Ashirovich, Doctor of Sciences; Leading researcher at the Physical-technical Institute, SPA «Physics-Sun», Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: rsafti@mail.ru
Rakhimov Rustam Khakimovich, Doctor of technical Sciences; Head of laboratory, Institute of Materials Science «Physics-Sun», Uzbekistan Academy of Sciences. Tashkent, Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: rustam-shsul@ yandex.com
Radzhapov Begjan Salievich, researcher at the Physical-technical Institute SPA «Physics-Sun», Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: rsafti@mail.ru
Zufarov Mars Achmedovich, Senior researcher at the Physical-Technical Institute SPA «Physics-Sun», Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: marsuz@rambler.ru
Abstract. The paper presents the optimization of the manufacturing technology of silicon-lithium Af-detectors of large size, as well as some research data on the radiometric characteristics of silicon-lithium Af-detectors with a diameter of 4-8 cm and a radiometer based on them.
Keywords: monocrystalline silicon, semiconductor detectors, radiometer, alpha particles.
Reference list
1. Azimov S.A., Muminov R.A., Shamirzaev S.H. Yafasov A.Ya. Silicon-lithium nuclear radiation detectors. Tashkent: Fan, 1981. 257 p.
2. Radzhapov S.A. A Versatile Spectrometer Based on a Large-Volume Si (Li) p-i-n Structure // Instruments and Experimental Techiques. New York, 2007. Vol. 50. № 4. Pp. 452-454.
3. Radzhapov S.A, Radzhapov B.S., Dzhanklich M., Zufarov M.A, Rahimov R.H. Semiconductor nuclear radiation detectors based
on Al-aGe-pSi-Au heterojunction structures for measuring low-intensity ionizing radiation // ComputationalNanotechnology. 2018. № 3. P. 65-67.
4. Radzhapov S.A., Radzhapov B.S., Rahimov R.H. Features technology of manufacturing silicon surface-barrier detectors with a large sensitive working area for measuring the activity of natural isotopes // Computational Nanotechnology. 2018. № 1. P. 151-154.
