Интегральный полупроводниковый детектор ионизирующих излучений и способ его получения

Интегральный полупроводниковый детектор ионизирующих излучений и способ его получения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

091 Н!) СОЮЗ СОЕЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 01 L 31/0296, G 01 Т 1/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ. В»

ГОСУДАРСТВЕНКЬ1Й КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЭ (46) 15.02.93. Бил. K - 6 (21) 4065878/25 (22) 05.05.86 (72) В.Д.Рыкиков, О.П.Вербицкий, Е.М.Селегенев и В.И.Силин (56) Авторское свидетельство СССР

N- 766294, кл. G 01 Т 1/20, 1979.

Авторское свидетельство СССР

В 1060035, кл. G 01 Т 1/16, 1983. (54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ

ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУ10ЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И

СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике измерений ионизирующих излучений, более конкретно — к интегральному полупроводниковому детектору, Целью изобретения является повыпение чувствительности детектора и ее стабильности во времени. Цель достигается тем, что р-п-переход детектора состоит иэ сцинтиллятора

ZnSe(Te) n-типа проводимости и фотоприемного слоя ZnTe< z Se < р-типа либо р-и-переход состоит иэ сцинтиллятора CdS(Te) n-типа проводимости и фотоприемного слоя CdTe1,.x Sa р-типа. В способе изготовления термообработку проводят при избыточном давлении одного иэ компонентов в иэотермическик условиях при 800—

1100 С в течение 10 -1О с ° Изобрео 3 тение позволяет создать целое семейство детекторов нового поколения для, ряда применений. 2 с. и 2 э.п. ф-лы, ил., 2 табл.

1436794

Изобретение относится к области регистрации и измерения интенсивно-. сти как непрерывных, так и импульс- йых потоков, P u g -излучений, рентгеновских лучей, нейтронов и может найти применение в системах, предназначенных для индикации и ис- следования этих излучений,- а также в счетчиках частиц. 10

Целью изобретения является повышение чувствительности детектора и ее стабильности во времени в процессе эксплуатации детектора.

Согласно предлагаемому изобретению р-и-переход состоит из твердого раствора соединений А В и выполч1 нен в виде оболочки, покрывающей поверхность сцинтиллятора.

В случае сцинтиллятора ZnSe(Te} 20 и-типа проводимости фотоприемным слоем является ZnTe „ Se р-типа, а в случае сцинтиллятора СЙБ(Те) п-типа. фотоприемный слой — CdTeq i S q р-типа. 25

Согласно изобретению термообработку проводят при избыточном давлении од" одного из компонентов сцинтиллятора в иэотермических условиях при температуре 800-1100 С в течение 10 -10 с. З0

В предлагаемом устройстве в твердом растворе соединений А.. В происн ч ходит изменение типа проводимости, позволяющее регистрировать световой сигнал, основываясь на фотодиодном принципе, инерционность которого не превышает 10 с. Таким образом, 3 предлагаемый детектор имеет существенное отличие от известных.

В предлагаемом детекторе нанесение40 фотоприемника на сцинтиллятор ocyathствляют в виде оболочки.

P-n-переход образуется в области . составов 0,3 < х с О, 5 благодаря изменению концентрации собственных точеч- 4 ных дефектов решетки, определяющих тип проводимости-материала.

Изотермичность обеспечивает однородность условий нанесения покрытия.

Высокая температура уменьшает влияние качества обработки поверхности благодаря диффузионному выравниванию концентрации адсорбированных поверхностью примесей.

Полученный прецлагаемым способом р-и-переход в системе ZnSe„Te,. имеет максимум чувствительности в области 2, 1 эВ {585 нм) при сохранении ветовыхода сцинтиллятора, что обуславливает высокую чуяствительност детектора в целом, в 1,5 раза превышающую чувствительность детектора, полу»енного напылением Си Бе на 7пБе или Cu S на CdS.

На чертеже показана блок-схема нрецлагаемого детектора. . Сцинтиллятор 1 через ниэкоомный слой 2 соединен с фотоприемником 3, частью которого является слой 4 твердого растворз сцинтиллятора и фотоприемника. К фотоприемнику 3 подключен металлический контакт 5, к низкоомному слою подключен металлический контакт 6.

Через контакты 5, 6 к фотоприемнику подключены источник питания 7 и сопротивление нагрузки 8. К сопротивлению нагрузки 8 подключен измерительный прибор 9. Если материал сцинтиллятора низкоомен, то контакт наносится непосредственно на спинтиллятор.

Принцип работы детектора следующий.

Иониэируюшее излучение, попадая в кристалл сцинтиллятора 1, возбуждает в нем световое излучение. Зто излучение попадает на фотоприемник

3, где в слое 4 твердого раствора, содержащем р-п-переход, происходит поглощение света, сопровождающееся генерацией носителей заряда, что приводит к возникновению фотоЗДС и тока через сопротивление нагрузки 8.

Падение напряжения на сопротивлении

8 регистрируется измерительным прибором 9. После прекращения ионизирующего излучения прекращается световое излучение и восстанавливается равновесная концентрация носителей заряда, прн которой ток в цепи через сопротивление нагрузки отсутствует. Время релаксации детектора в вентильном режиме не хуже 10 с, в диодном -

-й

10 с и может быть в принципе еще уме нь me но. о

Для получения стабильного во времени фотоприемника необходимо, чтобы в твердом растворе сцинтиллятор — фотоприемник компонента фотоприемника замещала в узле решетки компоненту сцинтиллятора. При этом в решетке твердого раствора должны отсутствовать междоузельные атомы материала фотоприемника,так как при комнатной температуре наиболее вероятна с энергетической точки зрез

1436 7Ч ния диффузия но междоуэлиям. С другой сторо ны, чтобы уменьшить вероятность диффузии по вакансиям, ксмпоненты элменглющая (фотоприемника) и

5. злмещлемая (сцинтиллятора) должны существенно различаться по ионному радиусу. Вероятность диффузии компоненты фотоприемника резко уменьшается, если ее ионный радиус много выше замещаемой,, компоненты сцинтиллятора. В противоположность этому требованию высокочувствительная гетероструктура получается при незначительном различии ионных радиусов р-п-слоев.

Для того, чтобы сцинтилляционные свойства подложки не ухудшались при нанесении фотоприемника, необходимо сохранение требуемой стехио0 метрии сцинтиллятора при высокой температуре нанесения покрытия. Поэтому нанесение покрытия проводят в среде избытзчного (как правило, более летучего) компонента сцинтил- 25 лятора. Однако, присутствие этого компонента не должно приводить к ухудшению свойств фотоприемника.

Сюда следует еще добавить необходимое условие согласования спектра 30 и зл учения с цинтилля тора со спектром фоточувствительности фотоприемника.

Совокупность перечисленных требований, обвспечивающих сохранение сцинтилляционных свойств подложки, высокую фоточувствительность фотоприемника и стабильность всей структуры во времени, кажется противоре,чивой, не поддается теоретическому 40 расчету и представляется с первого взгляда неразрешимой задачей.

Вопрос о возможности существования конструкции, представляющей предмет данного изобретения,и способа ее 4я получения мог быть установлен и был решен только после длительного поиска экспериментальным путем.

Очевидно, что повышение чувствительности фотоприемника пропорциональ-rp но его площади. В рассматриваемом случае при станцлртной форме сцинтиллятора в виде цилиндра светосбор осуществляется в геометрии 4ТТ, и во столько же раз должна увеличиться чувствительность фотоприемника и, соответственно, эффективность регистрации детектором ионизирующего излучения.

В |илия зоне н р нс li 2 1, )-200 к В, т. е. Elo всем дилплзон ° нс ггнй м лнцинской вычислительной томогрлфни ° эффективность регистрации ныне нл

20-307 чем ожидаемая. Более лгтлчьное исследование показало, что повышение чувствительности связано с вкллдом самого фотоприемникл в tlpf образование энергии ионизирующего излучения в электрическую, т.е. гетеропереход работает клк полупроводниковый детектор ионизирующих излучений.

При нанесении фотоприемникл в ниде оболочки фотоприемник одновременно работает как детектор и ионизирующего, и светового излучения.При этом повышение фоточувствительности фотоприемника превьш|ает ожидаемое в том случае,если приемник используется только KR1; полупроводниковый детектор излучений. Специально проведенные исследования на фотоприемниках показали, что при одинаковой (по срлвнению с нанесенной нл сцинтиллятор) фоточувствительности эффективность его регистрации ионизирующих излучений не превьш ает 15

307. (в диапазоне энергий 200-25 кэВ), эффективности регистрации фотоприемника, нлнесенногo нл сцинтиллятор.

Вследствие отсутствия строгой теории, описывающей процессы преобразования энергии ионизирующего излучения в световую и электрическую в н vi полупроводниковых соединениях А В указанный эффект не может быть объясне в рамках существующих представлений. Предположительно, он объясняется следующим образом.

Известно,что в соединениях А В

П Vl наряду с процессами рекомбинации,сопровождающимися образованием пар носителей противоположного знака под действием оптического излучения, происходят противоположные процессы аннигиляции образующихся пар носителей.

Это приводит к уменьшению реально регистрируемых измерительным устройством пар носителей и эффективность преобразования световой энергии в электрическую,как правило, не превышает 50Х. По-видимому, в рассматриваемом случае, вследствие того, что описываемый процесс происходит на фоне воздействия ионизирующего излучения, существенно меняются условия

5 !4367

;1ппигиляции образующихся под воздействием светового излучения носителей раэчого знака, заметно уменыпается вероятность перехода их в такие разI 5 решенные состояния, при которых аннигиляция осуществляется.

Так как фотоприемник выполнен в. виде оболочки, охватывающей всю по-. верхность сцинтиллятора, то независимо от его расположения относительно источника излучения всегда имеется плоскость входного окна ионизирующего излучения, в которой регистрация светового излучения производится иа фоне интенсивного воздей1 ствия на фотослой проникающей радиации;

Именно такой процесс, видимо, при-, водит к обнаруженному нами повышению на 20-.307..

Пример 1. Сцинтилляциоиный. элемент в виде прямоугольного параллелепипеда из ZnSe(Te) размерами

5х7х10 мм после механического шли- 25

Э фования и полировки до 12 класса чистоты поверхности промывают водным раствором щелочи NaOH и затем дивыходной сиги: л я нентильном режиме

1,0 ед.

П р и и е р 3. Проводился аналогично прикеру 1. Отличие в режиме термообработки Т =- 1100 С,с = 10 c, выходной сигнал в вентильном режиме 1,5 ед.

Пример 4. Проводился ана» логично примеру 1. Отличие в режиме термообработки: Т 1000 С,t 10 r.; выходной сигнал в вентильном режиме

1,5 ед.

Пример 5. Проводился аналогично примеру 1.Отличие в режиме термообработки: Т = !000 С, t 10 с; выходной сигнал в вентильном режиме

t,8 ед.

Зависимость чувствительности интегрального детектора ионизирующих излучений от условий нанесения диодного слоя: температуры и времени термообработки показана в табл.1 (сцинтиллятор ZnSe(Te), фотопокрытие

ZnTe). ю

Таблица! стиллированной водой.

Элемент помещают в кварцевую ампулу объемом 25 см с добавкой

ZnTe О, 1 r u Zn 0,02 r. Ампулу откачивают до остаточного давления

10 торр t Па и герметизируют запайкой.

Герметизированную ампулу нагревают в печи до Т = 1000 С и выдера живают в течение t = 10 с>давление г

У паров .цинка достигает !О Па. Температура снижается со скоростью не более 60 /ч.

Сцинтиллятор с образовавшимися ° на нем диодным слоем твердого раствора ZnSe

С поверхности 7х10 сошлифовывают диодный слой.

К противополо;кным плоскостям детектора 7х10 вакуумным напылением наносят индиевые контакты, В вентильном режиме при 10 нс импульсном облучении рентгеном .с энергией 100 кэВ получен выходной сигнал

0,2 В (2 ед) с постоянной времени спала С = 5.10 с.

Пример 2. Проводился аналогично примеру 1. Отличие в режиме териообработки: Т 800, t 10 с; о 3

Чувствительность, отн.ед., при Т (С) t, с

800 t000 1 t00

35

1,6

1,5

1,5

1,3!

1,5

1,5

1,8

Фотодиодная структура в. системе

ZnSe-ZnTe образуется в широкой об"

45 ласти температур и времен термообработки. Однако уменьшение температуры

Т (800 С и времени обработки t : 1Озс снижает световыход сцинтиллятора вследствие неоптймальности условий

5п активации полосы 640 нм, а увеличео ние этих параметров Т ; 1100 С

1 t0 с приводит к увеличению толт шины самокомпенсированного слоя твердого раствора, что уменьшает эффек55 тивность регистрации светового сигнала, и соответственно — чувствительность детектора.

Иэ данных табл.1 следует, что оптимальными для получения интеграль7 14 ного детектора н системе ZnSe-ZnTe являются Т 1000 С, с 10 с.

Интегральный детектор,в котором сцинтиллнтором является СОЯ(Те), а фотоприемником CdTe с максимальной чувствительностью 1 ед. получен термообработкой CdS(Te) йри Т 800 С в течение 10 с йри давлении паров

f теллура 10 Па..

Уменьшенная чувствительность детектора на основе CdS-CdTe связана с наличием в спектре люминесценции двух максимумов и меньшей абсолютной чувствительностью самой диоднцй структуры.

Сравнение свойств предлагаемого детектора и прототипа показаны в табл.2.

362Ч4

Интегральный полупроводннковью детектор ионизирующих излучений, 1О содержащий выполненные из соединений А" В сцинтиллятор и интегрально нанесенный на него фотоприемник, образующий р-и-переход с материалом сцинтиллятора, о т л и ч а ю щ и и

1В с я тем, что, с целью повышения чувствительности детектора и ее стабильности во времени, р-и-переход состоит из твердого раствора соединений А В, покрывающего поверхvi

20 ность сцинтиллятора.

2. Детектор по п.1, о т л и ч а шийся тем, что р-и-переход состоит иэ сцинтиллятора ZnSe(Te) n-типа проводимости и фотоприемного слоя

26 CdTe „S р-типа.

3. Детектор по и.1, о т л и ч а— ю шийся тем, что р-и-переход состоит, иэ сцинтиллятора CdS(Te) n-ти. па проводимости и фотоприемного слоя

ЗО CdTe к S р-типа.

4. Способ получения интегрального полупроводникового детектора ионизирующих излучений, включающий термообработку сцинтиллятора и соединения, образующего с материалом

1 сцинтиллятора фотодиодную структуру, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности детектора за счет повышения 4п световьмода сцинтиллятора в заданной спектральной области, термообработку проводят при избыточном давлении одного из компонентов сцинтиллятора.

s изотермических условиях при тем4S пературе T 800"1100 С, в. течение .10"-10 с. е

Таблица 2

Стабильность через

0,5 года

Чувствительност

Детектор отн.ед.

Прототип из coll Vt единений А В

- А В

1 1е5 ОэЗ"Ов4

Заявляемый из соединений

А В ZnSe(Те)—

-ZnTe

1, 5-1,8

1, 5-2

О, 9-1, 3

Заявпяемый иэ соединений CdS(Te)-CdTe 1-1,5

Изобретение обеспечивает создание высокочувствительного стабильного во времени детектора ионизирукщнх излучений, отвечающ го треоованинм к устройствам такого назначения.

Формула изобретения

1436794

Составитель В.Рахманов

Редактор И.Шубина Техред Л.Кравчук Корректор Н;Васильева

Заказ 1096

Тираа Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !!3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4