полупроводниковый микроканальный детектор с внутренним усилением сигнала

Формула изобретения

Полупроводниковый детектор, включающий полупроводниковую подложку, на поверхности которой расположен полупроводниковый слой с противоположным подложке типом проводимости, отличающийся тем, что на поверхности подложки сформированы не менее двух отдельных полупроводниковых слоев, над которыми реализованы полупроводниковые области с противоположным по отношению к полупроводниковым слоям типом проводимости, не имеющие выход к подложке, причем полупроводниковые области соединены между собой общим проводящим электродом, отделенным как от полупроводниковых слоев, так и от подложки диэлектрическим слоем, сформированным в промежутках между полупроводниковыми областями, причем интервал между полупроводниковыми слоями составляет величину не меньшую, чем толщина диэлектрического слоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, конкретно к полупроводниковым детекторам, и может применяться для регистрации слабых потоков световых квантов, гамма излучения и заряженных ядерных частиц.

Известно устройство /1/, включающее последовательно расположенные полупроводниковую подложку, буферный слой и полевой электрод. Недостатком устройства является ограниченный срок службы (или надежность). Конструкция устройства такова, что высокий темп лавинного процесса достигается непосредственно на границе полупроводниковой подложки с буферным слоем. При этом носители заряда с высокой кинетической энергией проникают в объем буферного слоя и изменяют его электрические свойства. В результате этого ухудшается стабильность характеристик и уменьшается срок службы устройства.

Известно устройство /2/, включающее полупроводниковую подложку n-типа проводимости и эпитаксиальный слой р-типа проводимости, отделенный от подложки резистивным и диэлектрическим слоями. Внутри диэлектрического слоя сформированы отдельно стоящие полупроводниковые области n-типа проводимости, имеющие выход с одной стороны на резистивный слой, а с противоположной стороны на эпитаксиальный слой. Высоколегированные области n-типа проводимости обеспечивают локализацию лавинного процесса в р-n-переходах, отделенных друг от друга областями диэлектрического слоя. Фоточувствительным слоем, в котором создаются первичные фотоносители, является эпитаксиальный слой, выращенный на поверхности инородных материалов - диэлектрических и резистивных слоев. Поэтому основными недостатками устройства являются сложность технологии изготовления таких эпитаксиальных слоев и высокий уровень темнового тока, приводящего к ухудшению чувствительности и отношения сигнал/шум.

Известно также устройство /3/, взятое за прототип, включающее полупроводниковую подложку и полупроводниковые области противоположного типа проводимости. Полупроводниковые области противоположного подложке типа проводимости, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, используются в прототипе с целью создания отдельных лавинных областей (микроканалов), обеспечивающих усиление сигнала. Недостатком устройства является малая эффективность сбора носителей заряда для последующего усиления, поскольку фотоэлектроны (или дырки), образованные в промежутке между полупроводниковыми областями, не имеют возможности усиления.

Заявляемое изобретение направлено на увеличение чувствительности и улучшение отношения сигнал/шум полупроводникового детектора.

Для достижения этого технического результата в предложенном полупроводниковом детекторе, включающем полупроводниковую подложку, на поверхности которой расположен полупроводниковый слой с противоположным подложке типом проводимости, на поверхности подложки сформированы не менее двух отдельных полупроводниковых слоев, над которыми реализованы полупроводниковые области с противоположным по отношению к полупроводниковым слоям типом проводимости, не имеющие выход к подложке, причем полупроводниковые области соединены между собой общим проводящим электродом, отделенным как от полупроводниковых слоев, так и от подложки диэлектрическим слоем, сформированным в промежутках между полупроводниковыми областями. При этом интервал между полупроводниковыми слоями составляет величину, не меньшую, чем толщина диэлектрического слоя.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показано поперечное сечение лавинного фотоприемника. Предложенный полупроводниковый детектор содержит полупроводниковую подложку 1, на поверхности которой дополнительно сформированы не менее двух полупроводниковых слоев 2 с противоположным подложке типом проводимости. Полупроводниковые области 3, образующие с полупроводниковыми слоями 2 р-n-переход, реализованы в полупроводниковых слоях 2 и не имеют выход к подложке. Полупроводниковые области 3 соединены между собой общим проводящим электродом 4, отделенным как от подложки 1, так и от полупроводниковых слоев 2 диэлектрическим слоем 5, сформированным в промежутках между полупроводниковыми областями 3. Интервал между полупроводниковыми слоями 2 составляет величину, не меньшую, чем толщина диэлектрического слоя 5. Омический контакт к подложке выполняют путем напыления металлического слоя на обратную сторону пластины.

Устройство работает следующим образом. К полевому электроду 4 относительно подложки подают потенциал с полярностью, соответствующей прямому смещению р-n-перехода на границе полупроводниковый слой 2 - полупроводниковая область 3. В этом случае р-n-переход на границе полупроводниковый слой 2 - подложка 1 смещается в обратном направлении. При величине потенциала, достаточно близкой к потенциалу пробоя полупроводниковой подложки, достигается усиление сигнала за счет лавинного умножения носителей заряда в обедненной области. Затем носители заряда собираются в объеме полупроводникового слоя 2, вызывая рост инжекции носителей заряда из полупроводниковой области 3 в объем полупроводникового слоя 2. Таким образом достигается дополнительное усиление сигнала на переходе полупроводниковая область 3 - полупроводниковый слой 2 за счет транзисторного эффекта. Общий коэффициент усиления М прибора выражается как M= M_av*M_tr, где M_av - коэффициент усиления сигнала за счет лавинно-полевого умножения носителей заряда, M_tr - коэффициент усиления сигнала за счет транзисторного эффекта. Регистрируемый поток излучения или ядерные частицы направляются к устройству со стороны проводящего электрода.

Коэффициенты усиления М_аv и M_tr определяются величиной приложенного к прибору потенциала и концентрацией примесей в подложке, полупроводниковых слоях и полупроводниковых областях. Величину концентрации примесей в этих элементах обычно выбирают в интервале (10¹⁰-10²¹) см^-3.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве нет ограничений на толщину электронейтральной (т. е. не обедненной от основных носителей заряда) области полупроводникового слоя, через которые поступает оптическое излучение в лавинную область. Дело в том, что полупроводниковый слой в прототипе не может быть обеднен полностью из-за необходимости иметь достаточную поверхностную проводимость для подачи потенциала, тогда как в предложенном устройстве эту роль выполняет проводящий электрод 4. Поэтому в предложенном устройстве толщину электронейтральной области полупроводникового слоя можно уменьшить вплоть до нуля и таким образом достичь значительного уменьшения в нем вероятности рекомбинации электрон-дырочных пар. В результате этого значительно увеличивается чувствительность устройства.

Отношение сигнал/шум в устройстве улучшается благодаря усилению сигнала в микротранзисторах (микроканалах) со сверхмалой емкостью. Например, в известных стриповых (пиксельных) детекторах емкость одного канала с площадью стрипа (пикселя) S₀ ~1 мм² составляет С₀ ~10 пФ при толщине обедненного слоя в подложке W ~ 10 мкм. В предложенном устройстве максимальная емкость (емкость перехода база-эмиттер), на которой собирается сигнальный заряд, не превышает величины С_к ~0,01 пФ. В первом случае сигнал заряжает емкость С₀, а во втором случае - С_к. Поэтому благодаря малой входной емкости при усилении сигнала в устройстве отношение сигнал/шум значительно улучшается.

Полупроводниковый микроканальный детектор изготавливают следующим образом. На поверхности полупроводниковой (кремниевой) подложки 1 (коллектор), например, n-типа проводимости с удельным сопротивлением r ~20 Ом*см формируют диэлектрический слой 5 из двуокиси кремния (SiO₂) толщиной ~0,2 мкм путем термического окисления при температуре Т= 1100^oС. На поверхности окисла вскрывают окна размером 3 мкм*3 мкм и с интервалом 5 мкм. Затем в этих окнах формируют полупроводниковые слои 2 (база) р-типа проводимости путем ионного легирования бором с дозой Q_b~1 мкКл/см² и энергией Е~40 кэВ. После термической разгонки бора до глубины d~1,5 мкм в упомянутых выше окнах производят ионное легирование фосфором с дозой Qp~100 мкКл/см² и энергией Е~60 кэВ с целью создания полупроводниковых областей 3 (эмиттер) над базовыми областями. В качестве проводящего электрода 4 используют слой титана толщиной ~ 0,05 мкм, изготовленный ионно-плазменным распылением. Омический контакт к подложке формируют путем термического напыления на ее обратную сторону алюминиевого слоя толщиной ~1 мкм.

Благодаря низкому рабочему напряжению, высокой квантовой эффективности, большому коэффициенту усиления, а также относительно низкой стоимости полупроводниковые микроканальные детекторы с внутренним усилением сигнала могут найти широкое применение в качестве детекторов световых квантов и заряженных частиц как в фундаментальных исследованиях (ядерная физика, физика высоких энергий и др. ), так и в прикладных областях (экология, дозиметрия, оптическое зондирование и др.).

В сочетании с различными сцинтилляторами разработанные фотоприемники предполагается использовать для создания координатно-чувствительных детекторов гамма-излучения и рентгеновского излучения (медицинская томография).

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 1407351, кл. H 01 L 31/06, 1986 (аналог).

2. Патент США 5844291, кл. H 01 L 31/06, 1998 (аналог).

3. Патент России 2102821, кл. H 01 L 31/06, 1998 (прототип).