Полупроводниковый элемент-детектор излучения

Полупроводниковый элемент-детектор излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к элементу-детектору излучения на основе полупроводникового соединения для применения в области ядерной медицины, радиационной диагностики, атомной энергетики, астрономии, физики космических лучей и т.д.

Уровень техники

В общем полупроводниковый элемент-детектор излучения является устройством, в котором электрический заряд, возникающий в нем вследствие эффекта ионизации под действием падающего излучения, перемещается и собирается с целью получения сигнала в электрическом поле, прикладываемом между двумя электродами. Поэтому очень важно собрать электрический заряд с более высокой эффективностью, чтобы достичь более высокого разрешения по энергии относительно падающего излучения.

Чтобы получить такую более высокую эффективность сбора заряда, предпочтительно, чтобы расстояние «l» перемещения носителей заряда (электрона и дырки) являлось более протяженным или, другими словами, напряженность электрического поля была более высокой. Расстояние «l» перемещения носителей заряда определяют следующим образом:

l=μ·τ·E,

где μ означает подвижность электрического заряда; τ означает время жизни носителя и E означает напряженность электрического поля.

С другой стороны, все полупроводниковые элементы-детекторы излучения имеют такую тенденцию, которая заключается в том, что даже в случае отсутствия падающего излучения в соответствии с приложенным напряжением постоянно течет некоторый ток утечки, что является одной из причин, снижающих разрешение по энергии. В результате напряжение, которое может быть приложено к обоим электродам, ограничено.

Кристалл CdTe р-типа для элемента-детектора излучения имеет удельное электрическое сопротивление порядка ˜ 10⁹ Ом·см. Такой кристалл использовали для производства полупроводникового элемента-детектора излучения типа МПМ (металлический электрод - полупроводник - металлический электрод) таким образом, чтобы создать омические электроды на противоположных поверхностях кристалла. Однако такое устройство имеет тот недостаток, что оно обладает недостаточной способностью подавлять ток утечки в случае приложения достаточного напряжения смещения, чтобы получить хороший сбор заряда. И наоборот, если приложено пониженное напряжение смещения с тем, чтобы уменьшить ток утечки, сбор заряда также становится недостаточным. Поэтому в устройстве МПМ-типа нельзя достичь удовлетворительного разрешения по энергии.

Чтобы преодолеть описанный выше недостаток полупроводникового CdTe-элемента-детектора излучения МПМ-типа, который описан выше, был предложен полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки, в котором электрод из индия и т.д. располагают на одной поверхности кристалла CdTe р-типа, чтобы образовать контакт Шоттки между ними, а электрод из золота, платины и т.д. располагают на противоположной поверхности кристалла, чтобы создать омический контакт между ними.

Обнаружено, что полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки, который описан выше, обеспечивает хорошую разрешающую характеристику, так как ток утечки, если таковой имеется, может быть сведен к минимуму даже при наличии более высокого электрического поля за счет приложения некоторого обратного напряжения, тем самым обеспечивая хорошее разрешение по энергии.

Однако в полупроводниковом CdTe-элементе-детекторе излучения, содержащем металлический материал, например индий, в качестве электрода со стороны барьера Шоттки обнаружено такое явление, согласно которому эффективность сбора заряда в значительной степени уменьшается с течением времени после приложения напряжения смещения. Это явление названо «поляризационным эффектом». Считалось, что данное явление вызвано тем фактом, что вследствие неполного контакта Шоттки на положительной стороне и омического контакта на отрицательной стороне имеет место некоторое искажение в зонной структуре и, соответственно, дырка удерживается в заполненной зоне, образуя электронную ловушку до того, как дырка достигнет отрицательного полюса. То есть в полупроводниковом CdTe-элементе-детекторе излучения с барьером Шоттки, содержащем индий, используемый в качестве электрода, хорошее разрешение по энергии обеспечивается сразу после приложения напряжения, но оно уменьшается с течением времени и это представляет собой существенную проблему для реального применения.

Ввиду вышеизложенного целью настоящего изобретения является решение проблем, связанных с конфигурацией электродов предшествующего уровня техники, которые описаны выше, и предоставление улучшенного элемента-детектора излучения с барьером Шоттки, который вряд ли будет иметь «поляризационный эффект» вследствие использования улучшенной конфигурации электродов.

Сущность изобретения

Чтобы достичь указанной цели, настоящее изобретение предлагает полупроводниковый элемент-детектор излучения (радиации) с барьером Шоттки, включающий в себя кристалл полупроводникового соединения, содержащего в качестве главных компонентов кадмий и теллур; и средства приложения напряжения для приложения напряжения к кристаллу полупроводникового соединения, при этом указанные средства приложения напряжения содержат соединение индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z, сформированное на одной поверхности кристалла полупроводникового соединения.

Коэффициент заселенности (содержание) «z» теллура в соединении In_xCd_yTe_z подобран так, чтобы он был в пределах не менее 42,9%, но не более 50% по отношению к общему числу атомов. Кроме того, коэффициент заселенности (содержание) «y» кадмия подобран так, чтобы он был в пределах не менее 0%, но не более 10% по отношению к общему числу атомов.

Настоящее изобретение обеспечивает выгодный эффект, состоящий в том, что между полупроводниковым соединением CdTe и слоем соединения In_xCd_yTe_z образован запирающий переход Шоттки с тем, чтобы обеспечить хорошую разрешающую характеристику. Другими словами, при прикладывании напряжения в таком направлении, что более высокий потенциал создается со стороныIn_xCd_yTe_z, можно достичь более высокой эффективности сбора заряда, при этом преимущественно подавляя любой ток утечки. В результате можно создать элемент-детектор излучения, имеющий хорошее разрешение по энергии.

В этой связи, если коэффициент заселенности «z» теллура в соединении In_xCd_yTe_z подобран так, чтобы он был в пределах не менее 42,9%, но не более 50% по отношению к общему числу атомов, а коэффициент заселенности «y» кадмия подобран так, чтобы он был в пределах не менее 0%, но не более 10% по отношению к общему числу атомов, то эффективность сбора заряда может поддерживаться на более высоком уровне, который достигается сразу после прикладывания напряжения смещения, в течение более длительного периода времени даже при нормальной температуре, обеспечивая стабильную работу, при которой маловероятен «поляризационный эффект». В отличие от этого коэффициент заселенности «z» теллура в соединении In_xCd_yTe_z в пределах менее 42,9% или более 50% по отношению к общему числу атомов или коэффициент заселенности «y» кадмия в пределах более 10% по отношению к общему числу атомов не подходят из-за уменьшения эффективности сбора заряда, наблюдаемого вскоре после прикладывания напряжения смещения.

Таким образом, полупроводниковый элемент-детектор излучения согласно настоящему изобретению обеспечивает стабильную работу в течение периода в несколько часов при нормальной температуре по сравнению с элементом-детектором излучения с барьером Шоттки предшествующего уровня техники, в котором явление уменьшения эффективности сбора заряда с течением времени, также называемое «поляризационным эффектом», начинает проявляться сразу (т.е. от нескольких минут до нескольких десятков минут) после приложения напряжения смещения.

Краткое описание чертежей:

Настоящее изобретение будет теперь описано подробно со ссылкой на сопровождающие фигуры, на которых:

Фиг.1 представляет собой изображение конфигурации электродов элемента-детектора излучения согласно настоящему изобретению;

Фиг.2 представляет собой изображение, иллюстрирующее коэффициент заселенности каждого компонента в соединении In_xCd_yTe_z в каждом из вариантов осуществления изобретения и примеров для сравнения;

Фиг.3 представляет собой изображение, схематично иллюстрирующее процесс измерения спектра с использованием элемента-детектора излучения согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг.4 является графиком, иллюстрирующим изменение отклика на монохроматическое излучение с течением времени, который был получен в элементе-детекторе излучения согласно настоящему изобретению;

Фиг.5 представляет собой изображение, иллюстрирующее конфигурацию электродов и способ изготовления электродов для обычного элемента-детектора излучения, приведенного в целях сравнения; и

Фиг.6 является графиком, иллюстрирующим изменение отклика на монохроматическое излучение с течением времени, который был получен в обычном элементе-детекторе излучения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Варианты осуществления данного изобретения теперь будут описаны со ссылкой на сопровождающие фигуры.

Пластину полупроводникового кристалла CdTe снабжают тонкой пленкой In_xCd_yTe_z на одной из ее сторон с помощью любого способа изготовления пленок, такого как напыление, и омическим электродом из платины на ее противоположной поверхности. Следовательно, между кристаллом CdTe итонкой пленкой In_xCd_yTe_z образуется переход Шоттки. На поверхность слоя In_xCd_yTe_z, например, можно нанести дополнительную тонкую металлическую пленку из алюминия для использования в качестве контакта. Отмечается, что способ изготовления тонкой пленки In_xCd_yTe_z не ограничен напылением.

Полупроводниковый кристалл не ограничен полупроводниковым кристаллом CdTe, который описан выше, и он может быть заменен кристаллом другого полупроводникового соединения, содержащего кадмий и теллур в качестве главных компонентов, в котором коэффициент заселенности кадмия подобран в пределах не менее 30%, но не более 50% по отношению к общему числу атомов. Одним из примеров такого соединения является теллурид цинка-кадмия (Cd_1-xZn_хTe).

После изготовления электрода пластину разрезают на чипы, имеющие подходящий размер, способом скрайбирования.

Вариант 1:

В дальнейшем будет описан способ изготовления полупроводникового элемента-детектора излучения с барьером Шоттки, включающего в себя кристалл полупроводникового соединения, содержащего в качестве главных компонентов кадмий и теллур, и средства приложения напряжения для приложения напряжения к кристаллу полупроводникового соединения, при этом указанные средства приложения содержат соединение индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z, сформированное на одной поверхности кристалла полупроводникового соединения. Кроме того, также будет описано измерение энергетического спектра излучения с использованием полупроводникового элемента-детектора излучения.

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe р-типа, имеющего удельное сопротивление 10⁹ Ом·см, путем напыления наносили слой соединения индия, кадмия и теллураIn_xCd_yTe_z в качестве электрода для образования барьера Шоттки. Пластину полупроводникового кристалла на ее противоположной поверхности снабжали омическим электродом из платины методом химического восстановления (смотри фиг.1). Составслоя In_xCd_yTe_z анализировали методом дифракции рентгеновских лучей (XRD) и с помощью устройства энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX). В результате был определен состав - In_49,5Cd_0,5Te₅₀ (см. фиг.2). Затем пластину с электродами разрезали на чипы, имеющие подходящий размер, чтобы получить полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки.

Фиг.3 схематично иллюстрирует процесс измерения спектра с использованием такого элемента-детектора излучения. Как показано, платиновый электрод (отрицательный полюс) заземлен, а электрод In_xCd_yTe_z (положительный полюс) связан с источником питания высокого напряжения и с предусилителем.

Фиг.4 является графиком, иллюстрирующим изменение отклика на энергетический спектр излучения от источника гамма-излучения ⁵⁷Co с течением времени. В этой связи уменьшение эффективности элемента-детектора с течением времени оценивали посредством наблюдения любого изменения отклика в канале пика, соответствующего пику фотоэлектрического поглощения при 122 кэВ, в частности, среди энергий фотонов, испускаемых от источника гамма-излучения ⁵⁷Co. Как видно на графике, CdTe-элемент-детектор излучения с барьером Шоттки согласно настоящему изобретению показывал постоянный отклик за счет явления фотоэлектрического поглощения при 122 кэВ в течение периода времени более 180 минут после приложения напряжения смещения. Другими словами, элемент-детектор излучения с барьером Шоттки согласно настоящему изобретению обеспечивал стабильную работу в течение более длительного периода времени при комнатной температуре. Следует отметить, что «относительное значение в канале пика», отложенное по ординате на графике согласно фиг.4, получали исходя из того предположения, что значение, получаемое сразу же (или в точке ноль минут) после приложения напряжения смещения, равно 1.

Вариант 2:

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe р-типа, имеющего удельное сопротивление 10⁹ Ом·см, наносили слой соединения индия, кадмия и теллураIn_xCd_yTe_z в качестве электрода для образования барьера Шоттки методом резистивного термовакуумного напыления. Пластину полупроводникового кристалла на ее противоположной поверхности снабжали омическим электродом из платины с помощью метода химического восстановления (смотри фиг.1). Составслоя In_xCd_yTe_z анализировали методом дифракции рентгеновских лучей (XRD) и с помощью устройства энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX). В результате определили состав - In_57,1Cd₀Te_42,9 (In₄Te₃) (см. фиг.2). Затем CdTe-элемент-детектор излучения с барьером Шоттки использовали для создания спектрометра, как и в случае варианта 1, и исследовали отклик элемента-детектора на монохроматическое излучение. В результате элемент-детектор излучения согласно варианту 2 проявлял большую эффективность в отношении сбора заряда и стабильную работу в течение более длительного периода времени, чем в случае варианта 1.

Вариант 3:

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe р-типа, имеющего удельное сопротивление 10⁹ Ом·см, наносили слой соединения индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z в качестве электрода для образования барьера Шоттки методом резистивного термовакуумного напыления. Пластину полупроводникового кристалла на ее противоположной поверхности снабжали омическим электродом из платины с помощью метода химического восстановления (смотри фиг.1). Составслоя In_xCd_yTe_z анализировали методом дифракции рентгеновских лучей (XRD) и с помощью устройства энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX). В результате определили состав - In_56,6Cd_0,5Te_42,9 (см. фиг.2). Затем CdTe-элемент-детектор излучения с барьером Шоттки использовали для проведения измерения спектра, как и в случае варианта 1, и исследовали отклик элемента-детектора на монохроматическое излучение. В результате элемент-детектор излучения согласно варианту 3 проявлял большую эффективность в отношении сбора заряда и стабильную работу в течение более длительного периода времени, чем в случае варианта 1.

Пример 1 для сравнения:

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe наносили слой индия с помощью вакуумного напыления, а электрод из платины наносили методом химического восстановления на ее противоположную сторону (смотри фиг.5). Составслоя индия анализировали методом дифракции рентгеновских лучей (XRD) и с помощью устройства энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX). В результате обнаружено, что слой содержит только индий (In₁₀₀Cd₀Te₀)(см. фиг.2). К элементу-детектору излучения, полученному таким образом и проявляющему характеристики барьера Шоттки, можно прикладывать более высокое электрическое поле и обеспечивать более высокую эффективность сбора заряда, как и в случае описанных выше вариантов. Однако эффективность полупроводникового CdTe-элемента-детектора излучения быстро снижалась с течением времени, как показано на фиг.6. Более конкретно, отклик в канале пика фотоэлектрического поглощения фотонов с энергией 122 кэВ, испускаемых источником гамма-излучения ⁵⁷Co, начинал уменьшаться уже приблизительно через 20-30 минут после прикладывания напряжения смещения и затем снижался до значения, соответствующего приблизительно 90% от начального значения, через 50 минут после прикладывания напряжения смещения. Таким образом, полупроводниковый элемент-детектор излучения в примере 1 для сравнения не обеспечивает стабильной работы в течение определенного периода времени. Следует отметить, что «относительное значение в канале пика», отложенное по ординате на графике согласно фиг.6, получали исходя из того предположения, что значение, получаемое сразу же (или в точке ноль минут) после приложения напряжения смещения, равно 1.

Пример 2 для сравнения:

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe напылением наносили слой соединения индия, кадмия и теллура, коэффициенты заселенности которых представлены формулой In_57,1Cd_0,5Te_42,4 (смотри фиг.2), а на противоположную ее поверхность наносили платиновый электрод. К элементу-детектору излучения, полученному таким образом и проявляющему характеристики барьера Шоттки, можно прикладывать более высокое электрическое поле и обеспечивать более высокую эффективность сбора заряда, как и в случае описанных выше вариантов. Однако эффективность полупроводникового CdTe-элемента-детектора излучения быстро снижалась с течением времени и не обеспечивалась стабильная работа в течение определенного периода времени, как и в случае примера 1 для сравнения.

Пример 3 для сравнения:

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe напылением наносили слой соединения индия, кадмия и теллура, коэффициенты заселенности которых представлены формулой In_42,9Cd₀Te_57,1 (или In₃Te₄)(смотри фиг.2), а на противоположную ее поверхность наносили платиновый электрод. К элементу-детектору излучения, полученному таким образом и проявляющему характеристики барьера Шоттки, можно прикладывать более высокое электрическое поле и обеспечивать более высокую эффективность сбора заряда, как и в случае описанных выше вариантов. Однако эффективность полупроводникового CdTe-элемента-детектора излучения быстро снижалась с течением времени и не обеспечивалась стабильная работа в течение определенного периода времени, как и в случае примера 1 для сравнения.

Пример 4 для сравнения:

На одну из поверхностей пластины полупроводникового кристалла CdTe напылением наносили слой соединения индия, кадмия и теллура, коэффициенты заселенности которых представлены формулой In_45,1Cd₁₂Te_42,9 (смотри фиг.2), а на противоположную ее поверхность наносили платиновый электрод. К элементу-детектору излучения, полученному таким образом и проявляющему характеристики барьера Шоттки, можно прикладывать более высокое электрическое поле и обеспечивать более высокую эффективность сбора заряда, как и в случае описанных выше вариантов. Однако эффективность полупроводникового CdTe-элемента-детектора излучения быстро снижалась с течением времени и не обеспечивалась стабильная работа в течение определенного периода времени, как и в случае примера 1 для сравнения.

1. Полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки, включающий в себя кристалл полупроводникового соединения, содержащего в качестве главных компонентов кадмий и теллур, и средства приложения напряжения для приложения напряжения к кристаллу полупроводникового соединения, при этом указанные средства приложения напряжения содержат соединение индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z, сформированное на одной поверхности кристалла полупроводникового соединения.

2. Полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки по п.1, в котором коэффициент заселенности «z» теллура в соединении индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z находится в пределах не менее 42,9%, но не более 50% по отношению к общему числу атомов.

3. Полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки по п.1, в котором коэффициент заселенности «у» кадмия в соединении индия, кадмия и теллура In_xCd_yTe_z находится в пределах не менее 0%, но не более 10% по отношению к общему числу атомов.