Детекторы. Computational nanotechnology 12016 issn 2313223x технологии машиностроения. Ядерная техника
 Скачать 1.37 Mb.
|
Computational nanotechnology 1-2016 ISSN 2313-223X 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 инсти- тут 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: detector@uzsci.net Аннотация: В настоящей работе рассматриваются физико-технологические особенности изготовления Si(Li) детекторов ядерного излучения больших размеров (Ø≥60 мм, W=4 мм), когда для формирования необ- ходимой 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 (Ø≥60 mm, W=4 mm) when necessary for the formation of Si(Li) structure using a new meth- od 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 настоя- щее время достигла очень высокого уровня. Этот прогресс в значительной мере обуслов- лен созданием полупроводниковых детек- торов (ППД) ядерного излучения. Благодаря простоте в эксплуатации, оптимальной гео- метрии, высокой эффективности регистра- ции, возможности одно временного снятия всего спектра, радиационного излучения. ППД широко используются не только в ядер- ного-физических экспериментах но и в раз- личных сферах промышленность. При исследовании углового распределения ядерных частиц дозиметрии источников ма- лой интенсивности и др. особо важными па- раметрами являются величина чувствитель- ной поверхности и радиометрические харак- теристики ППД. Обеспечение большой чув- ствительной поверхности ППД в сочетании с высоким энергетическим разрешением в 62 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ Si(Li) p-i-n ДЕТЕКТОРОВ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ БОЛЬШИХ РАЗМЕРОВ Муминов Р. А., Раджапов С. А., Тошмуродов Ё. К., Раджапов Б. С. настоящее время является довольно труд- ной задачей. Это связано, прежде всего, с несовершенством технологии выращивания полупроводниковых материалов. Наиболее отработанные промышленные детекторные материалы кремний больших геометриче- ских размеров, несмотря на большой про- гресс в развитии технологии его получения, содержат значительные неоднородности распределения электрофизических парамет- ров в связи больших размеров кристалла. Локальные и примесные полосы (страты), присутствующие в чувствительном объеме ППД значительно ухудшают его радиометри- ческие характеристики. Требования большой чувствительной поверхности и высокого энергетического разрешения в ППД являются взаимно исключающими факторами, следо- вательно, обуславливают нахождения опти- мальных физических условий. Известно, что основные параметры, в част- ности энергетическое разрешения полупро- водниковых детекторов ядерного излучения определяется флуктуацией собирания заря- да, которая в свою очередь во многом зави- сит от двух физических причин средних по- терь заряда: 1) от степени свойств исходного полупро- водникового 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 детекто- ров ядерного излучения имеет особое значе- ние, прежде всего из-за возможности работы их при комнатных температурах, а также раз- вития 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, электроннолу- чевая плавка и др.) не получали монокри- сталлы кремния, они всегда имеют некото- рые дефекты структуры и состава (пустые места в узлах решетки узлы, смещения из положения равновесия, наличие в узлах чу- жеродных атомов и т.д.) [1-4]. Технология изготовления полупроводнико- вых детекторов ядерного излучения достаточ- но сложная и состоит из механической, хими- ческой и температурной операций, конструк- ционных оформлений. Каждая из них имеет свое назначение и требует определенных спе- цифичных подходов. Все эти особенности не плохо учтены для кремниевых детекторов ядерного излучения с небольшой чувствительной поверхность (>Ø 30 мм) и толщиной (>2 мм). Разработка технологии получения детекторов большой площади и чувствительной поверхностью тре- бует особых подходов. Особенности изготовления Si(Li) детекторов большим объемом рабочей области. 1. Технология изготовления детекторов большой площади. Типовая технология изготовления Si(Li) p-i-n детекторов с тонким входным окном опреде- ляется необходимостью воспроизводимого изготовления детекторов, сохраняющих свои характеристики в течение длительного време- ни. Отметим основные особенности техноло- гического процесса изготовления Si(Li) p-i-n структур больших диаметров: 1. подготовка плоскопараллельных кремние- вых пластин, больших диаметров; 2. процесс диффузии лития на всю большую поверхность кремниевой пластины; 3. процесс дрейфа ионов лития на кремние- вых пластины больших диаметров. Подготовка пластин состоит из механиче- ской обработки, промывки и подготовки об- разцов к диффузии. Шайбы диаметром Ø≥40 толщиной W≥2мм, имеют свои особенности и сложности. Создание Si(Li) p-i-n структур диаметром бо- лее 40 мм и толщиной чувствительной обла- сти >2мм – сложная в технологическом отно- шении задача. Сложность её определяется, в частности, необходимостью создания доста- точно протяженных, однородно легирован- 63 Computational nanotechnology 1-2016 ISSN 2313-223X ных литием диффузионных областей. Обыч- ная, эмпирически подобранная технология компенсации объема кремния литием пред- полагает введение заведомо большего коли- чества лития, чем это необходимо для точной компенсации через одну из поверхностей кремниевой матрицы на глубину W≥2 мм. При этом для получения заданных характери- стик детектора существенны такие параметры как температура время, величина напряже- ния для проведения процесса дрейфа. Поиску оптимальной технологии компенсации кри- сталлов р Si посвящены ряд работ [1,4,5]. Диффузия лития осуществляется в вакуум- ной установке. Режим диффузия лития вы- бирают в соответствии с учетом толщины и диаметра образцов. Проведенные расчеты и экспериментальные данные показали, что оптимальным режимом диффузия лития для получения Si(Li) p-i-n детекторов большой площади >(60см 2 ) толщиной чувствительной областиW i ≥2 является Т=450°С t=1-10 мин h Li ≈(250± 10)мкм [5]. В промышленном кремнии большого диа- метра имеется значительная концентрация микродефектов, распределенных неоднород- но, 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 техноло- гии производства детекторов большой пло- щади 40÷60 см 2 . Оптимизированы технологи- ческие режимы механической и химической обработки кремниевых кристаллов диамет- ром до 100 мм, изготовлена соответствую- щая технологическая оснастка, определены режимы диффузии и дрейфа ионов лития в кремнии Р – типа проводимости большого диаметра. 2.Особенности изготовления Si(Li) детек- торов с большим объемом рабочей области Концентрация собственных носителей заря- да в кремнии при комнатной температуре <10 10 см -3 , что соответствует удельному сопро- тивлению порядка 230 кОм. В наиболее чи- стых образцах кремния полученных в настоя- щее время, содержание примесей на два по- рядка выше собственной проводимости. Вре- мя жизни неосновных носителей заряда до- стигает нескольких миллисекунд. Одним из важных требований получения де- текторов с большим объемом рабочей обла- сти является обеспечение ее высокомности. Это достигается использованием процесса дрейфа ионов лития в объеме полупроводни- кового кристалла. Однако, несмотря на аномально высокую подвижность ионов лития в кремнии, для его диффузионно-дрейфовой компенсации в больших объемах (W≥2 мм, S≈(20÷80) см 2 ) требуется длительное время. Кроме этого, обычный способ компенсации, который вклю- чает дрейф ионов из распределенного источ- ника, созданного с одного торца кристалла, не обеспечивает равномерность фронта дрейфа вследствие неоднородности температурного поля в кристалле при его большом объеме. Диффузионная область в процессе длительно- го 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 негатив- ных последствий длительного выдерживания кристалла при высокой температуре и элек- трическом напряжении нами, разработан но- вый способ создания Si(Li) p-i-n структуры [5,6]. На предварительно подготовленные образцы кремния приводится диффузия лития с обоих торцов на глубину, достаточную для необхо- димой компенсации исходной акцепторной примеси на требуемом объеме. Незначитель- ное отклонение глубины диффузии лития в двух противоположных торцевых поверхно- стях кристалла связано с не одновременно- стью его внедрения. Температурно-полевой режим дрейфа вы- бирали с учетном низкомности исходного кремния. Показано, что в предлагаемом спо- собе время компенсации заданного объема кристалла р-Si сокращается в 4 раза. Дей- ствительно, согласно эмпирической формуле для временной зависимости глубины ком- 64 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ Si(Li) p-i-n ДЕТЕКТОРОВ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ БОЛЬШИХ РАЗМЕРОВ Муминов Р. А., Раджапов С. А., Тошмуродов Ё. К., Раджапов Б. С. пенсированной области для случая односто- роннего дрейфа. 1 2 Ut W i µ = где μ – подвижность ионов лития; U – напря- жение дрейфа; t 1 – время дрейфа. Для случая двустороннего дрейфа путь, проходимый ионами лития сокращается вдвое, т.е. 2 2 2 Ut W i µ = Отсюда, для времени компенсации в случаях двустороннего дрейфа имеем: 1 2 4 1 t t = После компенсации, т.е. смыкания двух встречных фронтов дрейфа лития из двух торцев кристалла одна из диффузионных n + -областей шлифуется на глубину, опреде- ляемую его размытием в процессе дрейфа. Затем кристалл подергается химико- технологической обработке, для формиро- вания детекторной Si(Li) p-i-n структуры. С целью улучшения параметров ППД, полу- чения однородно компенсированной во всем объеме чувствительной областей де- тектора, нами разработаны способ дополни- тельного «выравнивающего» дрейфа при температуре Т=60°С U=(100÷300) В в течении t=(20÷40) часов [7]. По изложенному способу была изготовлена партия Si(Li) p-i-n детекторов с толщиной чувствительной области W i =(3-8) мм и диа- метром Ø=(10-60) мм. Толщину чувствитель- ной области определяли путем стандартных емкостных измерений и методом химиче- ского окрашивания. На основе вышеизложенной технологии раз- работаны и изготовлены в частности: 1. Низкофоновая система на основе Si(Li) де- текторов больших размеров. Установка предназначена для исследования слабоинтенсивных источников излучения и может быть использована для ядерной спек- троскопии, дозиметрии, горно-металлурги- ческой промышленности, экологических за- дач, 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=25см 2 , толщина чувстви- тельной области W i =1,5 мм, при U обр ≈20÷30 В, темновой ток I ≈ 1÷2 мкА, С≈180÷200 nФ, Е Ш ≈25÷30 кэВ. Рис.1.Низкофоновая установка с двумя Si(Li)- детекторами в едином корпусе. 2. Радиометр радона на основе Si(Li) детек- торов больших размеров. Радон – радиоактивный газ естественного происхождения, выделяемый из земли. Его концентрация повышена в сейсмически ак- тивных регионах. Измерения концентрации радона необходимы в целях сохранения здо- ровья, чистоты окружающей среды, экологии и прогноза землетрясений. Радиометр радона предназначен для прове- дения измерений объемной активности (ОА) радона-222 и количества распадов 216 Po (ThA) в воздухе жилых и рабочих помещений, а так- же на открытом воздухе в пределах эксплуа- тационных параметров радиометра. Рис.2.Радиометр радона на основе Si(Li) детекторов 65 Computational nanotechnology 1-2016 ISSN 2313-223X Прибор может найти применение в геофизи- ческих исследованиях. Дополнительно ра- диометр может контролировать температуру окружающей среды. В качестве детектора в радиометре используется полупроводнико- вый детектор (ППД) (Рис.2.) Технические данные. Диапазон измерения ОА радона-222, Бк⋅м -3 , от 20 до 2.0⋅10 4 Диапазон измерений 216 Po (ThA), расп., от 0 до 10 3 Чувствительность радиометра не менее, с -1 ⋅Бк -1 м -3 , 1.4⋅10 -4 . Диапазон измерения тем- пературы, °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 ав- тономного источника постоянного тока, в ка- честве которого используются аккумулятор. Радиометр выполнен в виде носимого при- бора с автономным питанием. Основными его узлами являются: - измерительная камера с фильтром и Si(Li) ППД; - зарядочувствительный предусилитель; - спектрометрический усилитель и схема выде- ления полезной информации; - высоковольтный блок питания; - автономный источник питания; - блок управления, индикации и сопряжения с персональным компьютером; - сетевой блок зарядного устройства для аккуму- лятора. Список литературы: 1. Азимов С.А., Муминов Р.А., Шамирзаев С.Х. Яфасов А.Я. Кремний-литиевые детекторы ядерно- го излучения. –Ташкент.: Фан, 1981.-257с. 2. Рейви К.В. Дефекты и примеси в полупровод- никовом кремнии. -М. Мир, 1984. -472 с. 3. Lazanu I., Lazanu S. Silicon detectors: from radia- tion 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 β-ray spectrometer with composite detecting modules // Instruments and Ex- perimental Techiques.- New York , Vol. 48, No. 1, 2005, pp. 41-42. 66 |