CC BY
129
4. ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ. ЯДЕРНАЯ ТЕХНИКА
4.1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ Si(Li) p-i-n ДЕТЕКТОРОВ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ БОЛЬШИХ РАЗМЕРОВ
Муминов Рамизулла Абдуллаевич, д-р физ.-мат. наук, академик, Физико-технический институт НПО «Физика-Солнце» АН РУз
Раджапов Сали Аширович, д-р физ.-мат. наук, Физико-технический институт НПО «Физика-Солнце» АН РУз
Тошмуродов Ёркин Кахрамонович, аспирант, Физико-технический институт НПО «Физика-Солнце» АН РУз
Раджапов Бегжан Солиевич, аспирант, Физико-технический институт НПО «Физика-Солнце» АН РУз. E-mail: [email protected]
Аннотация: В настоящей работе рассматриваются физико-технологические особенности изготовления Si(Li) детекторов ядерного излучения больших размеров (0>6О мм, W=4 мм), когда для формирования необходимой Si(Li) структуры используется новый метод проведения процесса дрейфа ионов лития при помощи воздействия импульсного электрического поля.
Ключевые слова: полупроводниковый Si(Li) p-i-n детектор, монокристаллический кремний, диффузия, дрейф, литий, чувствительная область.
4.1. TECHNOLOGICAL FORMATION OF LARGE-SIZE Si(Li) p-i-n RADIATION DETECTORS
Muminov Ramizulla Abdullaevich, doctor of sciences, academic, Physical-technical Institute, SPA «Physics-Sun», Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan
Radzhapov Sаli Ashirovich, doctor of sciences, Physical-technical Institute, SPA «Physics-Sun», Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan
Toshmurodov Yorqin Qaxramonovich, PhD student, Physical-technical Institute, SPA «Physics-Sun», Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan
Radzhapov Begjan Sаlievich, PhD student, Physical-technical Institute, SPA «Physics-Sun», Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan
Abstract: In this report we consider physical and technological features of manufacture Si(Li) nuclear radiation detectors of large size (0>6O mm, W=4 mm) when necessary for the formation of Si(Li) structure using a new method of carrying out the process of drift of lithium ions with the help of pulsed electric field.
Index terms: Semiconductor Si(Li) p-i-n detectors, monocrystalline silicon, diffusion, drift, lithium, sensitive area.
Техника ядерной спектроскопии в настоящее время достигла очень высокого уровня. Этот прогресс в значительной мере обусловлен созданием полупроводниковых детекторов (ППД) ядерного излучения. Благодаря простоте в эксплуатации, оптимальной геометрии, высокой эффективности регистрации, возможности одно временного снятия всего спектра, радиационного излучения. ППД широко используются не только в ядер-
ного-физических экспериментах но и в различных сферах промышленность.
При исследовании углового распределения ядерных частиц дозиметрии источников малой интенсивности и др. особо важными параметрами являются величина чувствительной поверхности и радиометрические характеристики ППД. Обеспечение большой чувствительной поверхности ППД в сочетании с высоким энергетическим разрешением в
Муминов Р. А., Раджапов С. А., Тошмуродов Ё. К., Раджапов Б. С.
настоящее время является довольно трудной задачей. Это связано, прежде всего, с несовершенством технологии выращивания полупроводниковых материалов. Наиболее отработанные промышленные детекторные материалы кремний больших геометрических размеров, несмотря на большой прогресс в развитии технологии его получения, содержат значительные неоднородности распределения электрофизических параметров в связи больших размеров кристалла. Локальные и примесные полосы (страты), присутствующие в чувствительном объеме ППД значительно ухудшают его радиометрические характеристики. Требования большой чувствительной поверхности и высокого энергетического разрешения в ППД являются взаимно исключающими факторами, следовательно, обуславливают нахождения оптимальных физических условий.
Известно, что основные параметры, в частности энергетическое разрешения полупроводниковых детекторов ядерного излучения определяется флуктуацией собирания заряда, которая в свою очередь во многом зависит от двух физических причин средних потерь заряда:
1) от степени свойств исходного полупроводникового кристалла:
2) его чистоты от чужеродных примесных атомов, обуславливающие рекомбинацион-ные потери генерированных носителей заряда при формировании амплитуды сигнала [1].
Применение кремния в качестве исходного материала для полупроводниковых детекторов ядерного излучения имеет особое значение, прежде всего из-за возможности работы их при комнатных температурах, а также развития технологии получения ППД больших объемов с достаточной малыми токами при обратных смещениях в электронно-дырочных переходах на его основе.
Каким бы способом (метод Чохральского, бестигельная зонная плавка, электроннолучевая плавка и др.) не получали монокристаллы кремния, они всегда имеют некоторые дефекты структуры и состава (пустые
места в узлах решетки узлы, смещения из положения равновесия, наличие в узлах чужеродных атомов и т.д.) [1-4].
Технология изготовления полупроводниковых детекторов ядерного излучения достаточно сложная и состоит из механической, химической и температурной операций, конструкционных оформлений. Каждая из них имеет свое назначение и требует определенных специфичных подходов.
Все эти особенности не плохо учтены для кремниевых детекторов ядерного излучения с небольшой чувствительной поверхность (>0 30 мм) и толщиной (>2 мм). Разработка технологии получения детекторов большой площади и чувствительной поверхностью требует особых подходов.
Особенности изготовления Si(Li) детекторов большим объемом рабочей области.
1. Технология изготовления детекторов большой площади.
Типовая технология изготовления Б1(и) р-1-п детекторов с тонким входным окном определяется необходимостью воспроизводимого изготовления детекторов, сохраняющих свои характеристики в течение длительного времени. Отметим основные особенности технологического процесса изготовления Б1(И) рч-п структур больших диаметров:
1. подготовка плоскопараллельных кремниевых пластин, больших диаметров;
2. процесс диффузии лития на всю большую поверхность кремниевой пластины;
3. процесс дрейфа ионов лития на кремниевых пластины больших диаметров.
Подготовка пластин состоит из механической обработки, промывки и подготовки образцов к диффузии. Шайбы диаметром 0>4О толщиной W>2мм, имеют свои особенности и сложности.
Создание Б1(Ы) рч-п структур диаметром более 40 мм и толщиной чувствительной области >2мм - сложная в технологическом отношении задача. Сложность её определяется, в частности, необходимостью создания достаточно протяженных, однородно легирован-
ных литием диффузионных областей. Обычная, эмпирически подобранная технология компенсации объема кремния литием предполагает введение заведомо большего количества лития, чем это необходимо для точной компенсации через одну из поверхностей кремниевой матрицы на глубину W>2 мм. При этом для получения заданных характеристик детектора существенны такие параметры как температура время, величина напряжения для проведения процесса дрейфа. Поиску оптимальной технологии компенсации кристаллов р Б1 посвящены ряд работ [1,4,5].
Диффузия лития осуществляется в вакуумной установке. Режим диффузия лития выбирают в соответствии с учетом толщины и диаметра образцов. Проведенные расчеты и экспериментальные данные показали, что оптимальным режимом диффузия лития для получения Б1(и) рч-п детекторов большой площади >(60см2) толщиной чувствительной областиW¡>2 является Т=450°С 1=1-10 мин Ии*(250± 10)мкм [5].
В промышленном кремнии большого диаметра имеется значительная концентрация микродефектов, распределенных неоднородно, которые увеличивают флуктуации тока утечки и время собирания заряда и ухудшают энергетическое разрешение ППД [1,3,4].
Нами в результате проведения опытно-технологической работы разработана технологии производства детекторов большой площади 40^60 см2. Оптимизированы технологические режимы механической и химической обработки кремниевых кристаллов диаметром до ~100 мм, изготовлена соответствующая технологическая оснастка, определены режимы диффузии и дрейфа ионов лития в кремнии Р - типа проводимости большого диаметра.
2.Особенности изготовления Б1(И) детекторов с большим объемом рабочей области
Концентрация собственных носителей заряда в кремнии при комнатной температуре
10 -3
<10 см , что соответствует удельному сопротивлению порядка 230 кОм. В наиболее чистых образцах кремния полученных в настоящее время, содержание примесей на два по-
рядка выше собственной проводимости. Время жизни неосновных носителей заряда достигает нескольких миллисекунд.
Одним из важных требований получения детекторов с большим объемом рабочей области является обеспечение ее высокомности. Это достигается использованием процесса дрейфа ионов лития в объеме полупроводникового кристалла.
Однако, несмотря на аномально высокую подвижность ионов лития в кремнии, для его диффузионно-дрейфовой компенсации в больших объемах ^>2 мм, Б=(20^80) см2) требуется длительное время. Кроме этого, обычный способ компенсации, который включает дрейф ионов из распределенного источника, созданного с одного торца кристалла, не обеспечивает равномерность фронта дрейфа вследствие неоднородности температурного поля в кристалле при его большом объеме. Диффузионная область в процессе длительного дрейфа может также сильно «размыться», что приведет к большой толщине входного и выходного окон и снижению эффективности спектрометрических характеристик детектора.
Для значительного сокращения времени компенсации кремния и исключения негативных последствий длительного выдерживания кристалла при высокой температуре и электрическом напряжении нами, разработан новый способ создания Б^У) рн-п структуры [5,6]. На предварительно подготовленные образцы кремния приводится диффузия лития с обоих торцов на глубину, достаточную для необходимой компенсации исходной акцепторной примеси на требуемом объеме. Незначительное отклонение глубины диффузии лития в двух противоположных торцевых поверхностях кристалла связано с не одновременностью его внедрения.
Температурно-полевой режим дрейфа выбирали с учетном низкомности исходного кремния. Показано, что в предлагаемом способе время компенсации заданного объема кристалла р^ сокращается в 4 раза. Действительно, согласно эмпирической формуле для временной зависимости глубины ком-
Муминов Р. А., Раджапов С. А., Тошмуродов Ё. К., Раджапов Б. С.
пенсированной области для случая одностороннего дрейфа.
Ж, =А/
где ц - подвижность ионов лития; и - напряжение дрейфа; ^ - время дрейфа.
Для случая двустороннего дрейфа путь, проходимый ионами лития сокращается вдвое, т.е.
W,.
Отсюда, для времени компенсации в случаях двустороннего дрейфа имеем:
1
?2 =
4?,
После компенсации, т.е. смыкания двух встречных фронтов дрейфа лития из двух торцев кристалла одна из диффузионных п+-областей шлифуется на глубину, определяемую его размытием в процессе дрейфа. Затем кристалл подергается химико-технологической обработке, для формирования детекторной БЦЫ) рч-п структуры.
С целью улучшения параметров ППД, получения однородно компенсированной во всем объеме чувствительной областей детектора, нами разработаны способ дополнительного «выравнивающего» дрейфа при температуре Т=60°С и=(100^300) В в течении 1=(20^40) часов [7].
По изложенному способу была изготовлена партия Б1(и) рч-п детекторов с толщиной чувствительной области W¡=(3-8) мм и диаметром 0=(1О-6О) мм. Толщину чувствительной области определяли путем стандартных емкостных измерений и методом химического окрашивания.
На основе вышеизложенной технологии разработаны и изготовлены в частности:
1. Низкофоновая система на основе Я^) детекторов больших размеров.
Установка предназначена для исследования слабоинтенсивных источников излучения и может быть использована для ядерной спектроскопии, дозиметрии, горно-металлургической промышленности, экологических задач, а также при контроле радиационной за-
грязненности различных объектов не только на одной местности, но и на различных далеко расположенных территориях [8].
Низкофоновая установка с двумя Si(Li)-детекторами в едином корпусе Рис 1. Установка имеет следующие характеристики: площадь ППД S=25см2, толщина чувствительной области W¡=1,5 мм, при иобр ^20^30 В, темновой ток I « 1^2 мкА, С^180^200 пФ, Еш-25^30 кэВ.
Рис.1. Низкофоновая установка с двумя Б1(и)-детекторами в едином корпусе.
2. Радиометр радона на основе Si(Li) детекторов больших размеров.
Радон - радиоактивный газ естественного происхождения, выделяемый из земли. Его концентрация повышена в сейсмически активных регионах. Измерения концентрации радона необходимы в целях сохранения здоровья, чистоты окружающей среды, экологии и прогноза землетрясений.
Радиометр радона предназначен для проведения измерений объемной активности (ОА) радона-222 и количества распадов 216Ро (ТИЛ) в воздухе жилых и рабочих помещений, а также на открытом воздухе в пределах эксплуатационных параметров радиометра.
Рис.2. Радиометр радона на основе Б^Ы) детекторов
Прибор может найти применение в геофизических исследованиях. Дополнительно радиометр может контролировать температуру окружающей среды. В качестве детектора в радиометре используется полупроводниковый детектор (ППД) (Рис.2.)
Технические данные. Диапазон измерения ОА радона-222, Бк-м-3, от 20 до 2.0-104.
Диапазон измерений 216Po (ThA), расп., от 0 до 103.
Чувствительность радиометра не менее,
-1 -1 -3 -4
с -Бк м , 1.4-10 . Диапазон измерения температуры, °С, 5^50.
Рабочие условия эксплуатации:
- температура окружающего воздуха, °С, от +5 до +35;
- относительная влажность при температуре окружающего воздуха +25°С, % до 80;
- атмосферное давление, мм.рт.ст., от 700^820.
Питание радиометра осуществляется от автономного источника постоянного тока, в качестве которого используются аккумулятор.
Радиометр выполнен в виде носимого прибора с автономным питанием. Основными его узлами являются:
- измерительная камера с фильтром и Si(Li) ППД;
- зарядочувствительный предусилитель;
- спектрометрический усилитель и схема выделения полезной информации;
- высоковольтный блок питания;
- автономный источник питания;
- блок управления, индикации и сопряжения с персональным компьютером;
- сетевой блок зарядного устройства для аккумулятора.
Список литературы:
1. Азимов С.А., Муминов Р.А., Шамирзаев С.Х. Яфасов А.Я. Кремний-литиевые детекторы ядерного излучения. -Ташкент.: Фан, 1981.-257с.
2. Рейви К.В. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. -М. Мир, 1984. -472 с.
3. Lazanu I., Lazanu S. Silicon detectors: from radiation hard devices operating beyond LHC conditions to the characterization of primary fourfold coordinated vacancy defects //Rom. Repts. Phys. 2008. - V. 57. -N. 3. -pp.345-355
4. Азимов С.А. Муминов Р.А. Байзаков Б.Б., и др. Полупроводниковые детекторы бета - излучения большой площади.// Атомная энергия. -Москва, 1986. -Т. 60. - Вып.2. -С. 144-146.
5. R.A. Muminov, S.A. Radzhapov, N.A. Sagyndykov and K.M. Nurbaev Salient feartures of the fabrication of Si(Li) detectors with a large-volume working region // Atomic Energy. - New York, Vol. 98, No. 1, 2005, pp. 69-71.
6. S.A. Radzhapov A Versatile Spectrometer Based on a Large-Volume Si(Li) p-i-n Structure // Instruments and Experimental Techiques.- New York, 2007, Vol. 50, No. 4, pp. 452-454.
7. R.A. Muminov, S.A. Radzhapov, and A.K. Saim-betov Developing Si(Li) Nuclear Radiation Detectors by Pulsed Electeic Field Treatment //Technical Physics Letters.- New York, 2009, Vol. 35, No. 8, pp. 768-769.
8. R.A. Muminov, S.A. Radzhapov and N.A. Sagyn-dykov A low-background P-ray spectrometer with composite detecting modules // Instruments and Experimental Techiques.- New York , Vol. 48, No. 1, 2005, pp. 41-42.
