CC BY
8
ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ 05.14.08
DOI: 10.33693/2313-223Х-2019-6-3-112-115
РАЗРАБОТКА КРЕМНИЕВЫХ ДИФФУЗИОННЫХ п-р-ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ1
Раджапов Сали Аширович, доктор физико-математических наук; ведущий научный сотрудник Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН Руз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: rsafti@mail.ru
Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук; заведующий лабораторией Института материаловедения НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: rustam-shsul@yandex.com
Раджапов Бегжан 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. E-mail: marsuz@rambler.ru
Вахобов Кутбиддин Иловиддинович, старший преподаватель Ташкентского технического университета, Ташкент, Узбекистан.
Аннотация. В работе приводится оптимизированная технология изготовления кремниевых диффузионных л-р-детекто-ров, а также некоторые данные исследований спектрометрических характеристик кремниевых диффузионных детекторов заряженных частиц.
Ключевые слова: монокристаллический кремний, кремниевые диффузионные детекторы, альфа-, бетта-, гамма-излучение.
Полупроводниковые детекторы широко используются при проведении ядерных исследований и в задачах экологического мониторинга окружающей среды. Особенно широко применяются полупроводниковые детекторы на основе л-р-переходов в кремнии. Действие детектора основано на явлениях, возникающих при прохождении ионизирующего излучения через вещество (рабочую среду детектора).
При создании л-р-перехода в кремнии образуется переходная область между л-р-участками. Эта область характеризуется малой концентрацией носителей тока, то есть она имеет высокое удельное сопротивление. Обычно эту область называют «обедненным слоем» или областью «объемного заряда», так как в ней имеются некомпенсированные заряды.
Целью данной работы является разработка и оптимизация технологии изготовления, диффузионных детекторов (ДЦ) ионизирующего излучение на основе р-типа кремния диаметром 16-40 мм, толщиной 0,35-1,2 мм.
В настоящее время используются три основных вида полупроводниковых детекторов из кремния, которые имеют некоторые особые преимущества перед детекторами из других полупроводниковых материалов в виде слабой чувствительности к у-излучению, простоты технологии изготовления и так далее.
1. Поверхностно-барьерные детекторы (ПБД) обычно изготавливаются из кремния л-типа с р > 500 Ом ■ см и имеют напыленные золотые (Аи) контакты. Эти детекторы предназначены для спектрометрии корот-копробежных ядерных частиц (а-частицы, протоны с энергией Ер до 3 МэВ, осколков деления ядер и так далее) [1; 4].
2. Диффузионные детекторы (ДЦ), изготавливаемые на основе р-типа кремния при проведении диффузии фосфора в кремний являются более высокоомным материалом, чем л-51, и благодаря этому можно достигнуть величины обедненного слоя более 50 мкм. Величина обедненного слоя может составлять в определенных задачах порядка ~0,3-1,0 мм при р > 104 Ом ■ см при тех же значениях напряжения смещения V ~ 100 В. Повышенное значение величины обедненного слоя позволяет применять их для спектрометрических исследований и анализа более длин-нопробежных частиц (с более высокими значениями энергий) [1; 5].
3. Диффузионно-дрейфовые кремниевые 51-р-/-п-де-текторы, изготавливаемые путем введения лития (1_0 в кремний р-типа. В БКЬО-детекторах величина обедненного слоя слабо зависит от V и составляет значительную величину от нескольких миллиметров и выше. Технология изготовления БКЬО-детекторов является довольно сложной и описана в работе [2; 4].
Каждый из указанных видов Бндетекторов применяется для решения определенных научно-технических задач и проблем.
Следует все же отметить, что Бидиффузионные детекторы имеют ряд технологических и функциональных преимуществ перед БнПБД. В частности, имеется в виду получение омического тыльного контакта на высокоомном полупроводниковом материале детектора. Получение такого омического контакта является наиболее трудным технологическим процессом при изготовлении БнПБД и БнДЦ. Обычно такие
1 Работа выполнена в рамках гранта А.3-18 и ФА-Атех-2018-233 прикладных исследований.
РАЗРАБОТКА КРЕМНИЕВЫХ ДИФФУЗИОННЫХ п-р-ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ1 Раджапов С.А., Рахимов Р.Х., Раджапов Б.С., Зуфаров М.А., Вахобов К.И.
контакты изготавливают при высоких температурах методами вплавления или диффузии соответствующего материала в кремний. Диффузионные полупроводниковые детекторы при этом существенно не ухудшают своих характеристик, так как методом термодиффузии создается л-р-переход. БнПБД при нагреве резко ухудшают свои характеристики за счет образования термодефектов и снижения времени жизни носителей. Существующие методы создания омических контактов кБнПБД без нагрева не приносят эффективного результата. Это, в частности, связано с плохой адгезией металлического контакта к полупроводниковому материалу детектора. Поэтому в настоящее время усиленно ведутся разработки новых способов формирования прочных металлических контактов к полупроводниковым материалам, исключающих (либо уменьшающих) возникновение термодефектов. Одним из таких способов является создание высокоэффективных электрических контактов с помощью воздействия ультразвуковых волн на металлизированную поверхность полупроводника [5; 6].
Нами были изготовлены диффузионные детекторы (ДЦ) на основе р-типа кремния методом диффузии фосфора в кремний р-типа. Для изготовления БиДД-детекторов использовались слитки монокристаллического кремния р-типа с удельным сопротивлением р = (10-14) кОм и временем жизни неосновных носителей заряда т = 400-600 мкс, концентрация кислорода 1\Ю2 составляла не более 1016 см-3, а плотность дислокаций Л/0 ~ 104 см-2. Слитки, имевшие форму цилиндра, разрезались на пластины диаметром
20-45 мм, толщиной до 1,2 мм. Si-пластины шлифовались с обеих сторон абразивным порошком М7. После соответствующей химической обработки на одну из сторон Si-пла-стин напылялся алюминий (AI) толщиной =0,45-0,5 мкм. При данной технологической процедуре края Si-пластины были защищены маской. После этого на другую сторону Si-пласти-ны наносился раствор пятиокиси фосфора Р205, и проводилась сушка данного покрытия. Следующей технологической операцией являлся процесс диффузии фосфора в Si-пласти-ны. Образцы, расположенные в кварцевых кассетах помещались в диффузионную печь. Диффузия фосфора проводилась при температуре Г = 1073 К в потоке инертного газа в течение t = 60 минут. Затем температура медленно понижалась до комнатной. Алюминий, осажденный на Si-пластину, сплавлялся с ней при Г= 820 К и затем, диффундируя из расплава в объем Si-пластины, образовывал сильнолегированный р+-слой кремния. После охлаждения Si-пластинка проходила ряд химико-технологических операций по очистке и удалению фосфорного силикатного стекла на л+-слое, полученного диффузией фосфора. На входное окно Si-л-р-структуры напылялось золото плотностью около 30-50 мг ■ мм/см2. Проводилась специальная ультразвуковая обработка для получения хорошего омического контакта [5; 6]. Затем структура монтировалась в корпус, а защита и герметизация краев полупроводникового детектора проводилась специальными защитными покрытиями [3; 4]. Общий вид детектора приведен на рис.1.
у.::*..! -
Рис. 1. Кремневый диффузионный детектор:
а - детектор в разрезе; 6 - общий вид детекторов
Были исследованы спектрометрические характеристики кремниевых диффузионных детекторов по альфа-, бета-и гамма-излучениям (рис. 2).
Таким образом изготовленные диффузионные детекторы диаметром чувствительной области 16-40 мм имели следующие параметры при обратном напряжение
17=100-125В:ток/=0,5-1,4мкА, эквивалентная энергия шума Еш = 12-26 кэВ, энергетические разрешение по альфа-частицам Ри238 с энергией Е = 5,5 МэВ, Я = 30-58 кэВ, по Ка226 с энергией Е = 7,65 МэВ, Я = 34-60 кэВ, по бета-частицам Вр07 сэнергией Е= 976 кэВ, Я= 26-38 кэВ, по гамма-частицам Сб137 с энергией Е = 0,662 МэВ, Я = 38-50 кэВ (см. рис. 2).
ISSN 2313-223Х
Т. 6, № 3, 2019
Computational nanotechnology
113
ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ
N, 105 имп
20
05.14.08
250 Номер канала а
500
15
10
5,5 МэВ
Ри2:
48 кэВ
250 Номер канала б
500
Л/, 10 имп 6 -
926кэВ
32 кэВ
250 Номер канала
500
Л/, 10 имп 6
-
0,662 МэВ
I \ Cs-
- 1 46 кэВ
и L .
250 Номер канала
500
Рис. 2. Энергетический спектр диффузионного детектора при U = 100 В:
по альфа-частицам: а - Ra226 (£ = 7,65 МэВ), R = 52 кэВ; б - Pu23s (£ = 5,5 МэВ), R = 48 кэВ; по бета-частицам: в - Bi207 с энергии Е = 976 кэВ, R = 32 кэВ; по гамма-частицам: г -Cs137 (£ = 0,662 МэВ), R = 46 кэВ, где R - энергетическое разрешение детектора.
Литература
1. Акимов Ю.К. и др. Полупроводниковые детекторы и экспериментальной физики. М.: Энергатомиздат, 1989. 271с.
2. Азимов С.А., Муминов P.A., Шамирзаев С.Х., Яфасов А.Я. Кремний-литиевые детекторы ядерного излучения. Ташкент: Фан, 1981. 257 с.
3. Radzhapov S.A.A Versatile spectrometer based on a large-volume Si(Li)-p-/'-n-structure // Instruments and Experimental Techiques. New York, 2007. Vol. 50. № 4. P. 452-454.
4. Раджапов С.А., Раджапов B.C., Рахимов P.X. Особенности технология изготовление кремниевых поверхностно-барьерных
детекторов большой чувствительной рабочей площадью для измерения активности естественных изотопов // Computational Nanotechnology. 2018. № 1. С. 151-154.
5. Заверюхина H.H., Вахобов К.И., Гаибов А.Г. Акустостимулирован-ная диффузия золота в Au-Si-n-р-структурах// Доклады АН РУз. 2005. № 6. С. 20-23.
6. Гаибов А.Г, Вахобов К.И. Влияние ультразвуковых волн на адгезионную прочность золотых покрытий к кремнию // Электронная обработка материалов. Институт прикладной физики AH Р Молдова. 2005. № 6. С. 75-78.
СТАТЬЯ ПРОШЛА РЕЦЕНЗИРОВАНИЕ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 05.14.08 ЧЛЕНАМИ РЕДАКЦИОННОЙ КОЛЛЕГИИ ЖУРНАЛА «COMPUTATIONAL NANOTECHNOLOGY»
DEVELOPMENT OF SILICON DIFFUSION n-p-DETECTORS OF IONIZING RADIATION Radzhapov S.A., Rakhimov R.Kh., Radzhapov B.S., Zufarov M.A., Vakhobov K.I.
DOI: 10.33693/2313-223X-2019-6-3-112-115
DEVELOPMENT OF SILICON DIFFUSION n-p-DETECTORS OF IONIZING RADIATION
Radzhapov Sali Ashirovich, doctor of Sciences; leading researcher at the Physical-technical Institute, SPA «Physics-Sun», Academy of Sciencesof the Republic of 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. 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. E-mail: rsafti@mail.ru
Zufarov Mars Achmedovich, senior researcher at the Physical-Technical Institute SPA «Physics-Sun», Academy of Sciences of the Republicof Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan. E-mail: marsuz@rambler.ru
Vakhobov Kutbiddin llovitddinovich, senior schoolman of Tashkent Technical University, Tashkent, Uzbekistan
Abstract. The paper presents an optimized manufacturing technology of silicon diffusion n-p detectors, as well as some research data on the spectrometric characteristics of silicon diffusion detectors of charged particles.
Keywords: monocrystalline silicon, silicon diffusion detectors, alpha, - beta, - gamma radiation.
References list
1. Akimov Yu.K. et al. Semiconductor detectors and experimental physics. M.: Energoatomizdat, 1989. 271 c.
2. Azimov S.A., Muminov R.A., Shamirzaev S.H., Yafasov A.Ya. Silicon-lithium detectors of nuclear radiation. Tashkent: Fan, 1981. 257 c.
3. Radzhapov S.A. A Versatile spectrometer based on a large-volume Si(Li)-p-/'-n-structure. Instruments and Experimental Techiques. New York, 2007. Vol. 50. № 4. P. 452-454.
4. Rajapov S.A., Rajapov B.S., Rakhimov R.H. Features technology manufacturing silicon surface barrier detectors large sensitive working area for measuring the activity of natural isotopes. Computational Nanotechnology. 2018. № 1. P. 151-154.
5. Zaveryukhina N.N., Vakhobov K.I., Gaibov A.G. acoustically Stimulated diffusion of gold in Au-Si-n-p-structures. Reports AH of the Republic of Uzbekistan. 2005. № 6. C. 20-23.
6. Gaibov A.G, Vakhobov K.I. influence of ultrasonic waves on the adhesive strength of gold coatings to silicon. Institute of applied physics. Electronic processing of materials an Moldova. 2005. N° 6. P. 75-78.
ISSN 2313-223X
T. 6, № 3, 2019
Computational nanotechnology
115
