Файл: Computational nanotechnology 12016 issn 2313223x технологии машиностроения. Ядерная техника.pdf

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

10>