автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и разработка кремниевого многоцелевого координатного детектора радиационных частиц и излучений

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ.

1.1. Принцип действия и основные характеристики полупроводниковых детекторов.

1.2. Полосковые детекторы.

1.3 Полупроводниковые дрейфовые камеры.

1.4 Приборы с зарядовой связью.

1.5. Активный пиксельный координатный детектор.

1.6. Регистрация потоков излучении.

1.7 Сравнение характеристик координатных кремниевых детекторов.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПИКСЕЛЬНЫХ СТРУКТУР КООРДИНАТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ.

2.1. Иоишационные потери энергии радиационных частиц.

2.1.1. Взаимодействие гамма-квантов с веществом.

2.1.2. Ионизационные токи, создаваемые электронами.

2.1.3. Анализ рентгенопроводимости полупроводниковых материалов.

2.1.4. Анализ эффективности преобразоваши рентгеновских квантов в световое при помощи сцинтилляторов.

2.2. Анализ характеристик и компьютерное моделирование пиксельных структур.

2.2.1. Модель биполярного функционального-шггегрируемого пиксела с p-i-n диодом.

2.2.2. Компьютерное моделирование вольтамперных характеристик биполярной функционально-интегрированных структур.

2.3. Анализ шумовых факторов биполярных функционально-интегрируемых пиксельных структур.

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ МНОГОЦЕЛЕВЫХ КООРДИНАТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ.

3.1. Компьютерное моделирование эквивалентных электрических схем функционально-интегрируемых пикселей.

3.2. Электрические схемы матриц и периферийных устройств многоцелевого координатного детектора.

3.3. Конструкции детекторов.

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И КОНСТРУКЦИЯ МНОГОЦЕЛЕВОГО

КООРДИНАТНОГО ДЕТЕКТОРА.

4.1. Компьютерное моделирование диффузионных профилей пиксельных структур

4.2. Технологические маршруты матриц координатных детекторов.

4.2.1. Технологический маршрут "Lokos".

4.2.2. Технологический маршрут "Жесткая маска".

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

5.1. Анализ статических характеристик.

5.1.1. Методика измерений статических характеристик.

5.1.2. Результаты измерений вольтамперных характеристик.

5.2. Анализ шумовых характеристик.

5.2.1. Методика измерений шумовых характеристик.

5.2.2. Результаты измерений шумовых характеристик.

5.3. Экспериментальные результаты по детектированию а- р- у- частиц.

5.3.1 Методика исследования детектирования.

5.3.2. Детектирование а-частиц.

5.3.2. Детектирование р-частиц.

5.3.3. Детектирование у-частиц.

5.3 Исследование радиационной стойкости многоцелевого координатного детектора к и потоку электронов и дозе у- излучения.

5.3.1 Методика измерений радиационной стойкости.

5.3.2. Результаты измерений радиационной стойкости.

Регистрация и видеоизображение различного типа излучений от видимого света и до частиц высоких энергий является важнейшей частью широкого круга научных, технических и прикладных задач. Физика элементарных частиц и астрофизика, ядерная физика и техника, таможенный контроль, медицина и биология, лазерная физика и техника, техника оптической связи - вот далеко не полный перечень приложений с использованием новых детекторов регистрации излучений.

Высокое качество регистрации радиационных частиц и излучений определяется целым комплексом электрофизических параметров детектора, таких как спектральное, координатное и временное разрешение, динамический диапазон, чувствительность, радиационная стойкость и т.д.

В настоящее время для регистрации радиационных частиц и квантов и получения видеоизображений различных видов радиационных излучений применяются полупроводниковые детекторы, построенные на основе полосковых - стриповых р-n переходов, лавинно-пролётиых диодов (ЛПД), приборов с зарядовой связью (ПЗС), газовых и вакуумных умножителей и т.д. Проведенный в диссертации анализ известных типов координатных детекторов показал, что такие детекторы не позволяют достичь теоретического предела по чувствительности, быстродействию (tBbI6<10 не) и координатной точности (Ах=Ау<10 мкм), имеют узкий динамический диапазон и ограниченную область применения. Также был сделан вывод, что наилучших результатов при детектировании радиационного излучения можно достичь при использовании в конструкциях координатных детекторов функционально-интегрированных структур (ФИС), при этом данные структуры в сочетании со специализированными схемами управления, расположенными в одном кристалле с детектирующей матрицей, могут быть реализованы на основе современных БИ-КМОП технологий цифровых и аналоговых СБИС.

Поэтому основным направлением работ при выполнении диссертации стало исследование электрофизических параметров пиксельных структур с создание координатного детектора радиационных частиц с экстремально высокими эксплуатационными характеристиками, а именно размер ом гу пикселей 10x10 мкм , временем разрешения tc~100 не, чувствительностью не хуже 50 мкм, для его использования в приборах различного применения: физики высоких энергий, таможенном контроле, медицине и т.д.

Проведенный анализ показал, что проблема создания новых типов координатных детекторов является весьма сложной и многоплановой, т.к. включает в себя поиск новых взаимосвязанных приборных, схемотехнических и технологических решений.

Вследствие этого для достижения поставленной цели необходимо выполнение следующих этапов работы:

- сравнение параметров основных типов полупроводниковых детекторов;

- теоретический анализ и моделирование ионизационных и усилительных процессов, создаваемых радиационными частицами, компьютерное моделирование и анализ характеристик функционально-интегрируемых пиксельных структур;

- разработка конструктивно-технологических решений функционально-интегрированных структур координатных детекторов;

- сравнительный анализ теоретических и экспериментальных результатов исследования координатных детекторов, разработанных на основе предложенных структур,

- экспериментальная и расчетная оценка параметров и характеристик разработанных структур: быстродействия, координатного разрешения, чувствительности под влиянием а- р- у- частиц, радиационной стойкость к у излучению и потоку электронов.

Научная новизна работы.

1. Проведен сравнительный анализ предложенных в работе и известных структурно-топологических и технологических решений пиксельных структур координатных детекторов, и выбран оптимальный вариант для реализации.

2. Предложена теоретическая модель, объясняющая специфические особенности работы пиксели на основе функционально-интегрированной биполярной структуры и p-i-n диода и полевого экрана.

3. Предложены новые однокристальные конструкции координатных детекторов и технологии изготовления функционально-интегрированных пикселей, приоритет которых подтвержден заявками на изобретения и патентами российской федерации.

4. Предложены оригинальные электрические схемы для периферийных устройств детектора.

5. Проведено компьютерное моделирование и численная оценка основных параметров разработанных структур координатных детекторов.

6. Получены новые экспериментальные результаты, свидетельствующие о высокой эффективности детектирования релятивистских частиц и гамма-квантов двумерной матрицей многоцелевого координатного детектора.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:

- впервые получены уникальные результаты по регистрации а, р, у -частиц детекторами на основе разработанных функционально-интегрированных пиксельных структур с дополнительным экраном;

- предложены новые технические решения для конструкций и технологии изготовления многоцелевого координатного детектора, которые защищены заявками на патенты;

- показано, что на основе разработанного "многоцелевого" координатного детектора могут быть созданы приборы для спектрометрии, радиометрии, таможенного контроля и медицинского назначения, отличающиеся рекордными параметрами по чувствительности и скорости;

- показано, что "квантовый" твердотельный экран для приема рентгеновских и электронных излучений позволяет на порядок минимизировать дозовую нагрузку на объект исследования;

- показано, что скоростная 2-х эмиттерная фотоприемная матрица может быть использована для приборов оптического слежения.

Автор защищает:

1. Результаты математических оценок и компьютерного моделирования параметров пиксельных структур;

2. Физическую модель функционально-интегрированной структуры p-i-п диода и биполярного транзистора с дополнительным экраном;

3. Предложенные конструктивно-технологические решения для пиксельных структур координатных детекторов;

4. Результаты экспериментальных исследований параметров и характеристик разработанных функционально-интегрированных структур с дополнительным экраном;

5. Новые схемотехнические решения для устройств управления пиксельными матрицами координатных детекторов.

Выводы к главе 5

Проведенные экспериментальные исследования показали, что:

- разработанные образцы матриц биполярных пикселей координатных детекторов имеет уровень плотности темповых токов идентичный уровню утечек для лучших зарубежных p-i-n диодов (j« 1-10 нА/см2);

- шум матриц детектора находится в пределах 50^200 мкВ;

- матрицы многоцелевого координатного детектора обеспечивают детектирование радиационного а, Р, у излучения со спектральным разрешением не хуже —60 кЭв, при этом шум самого детектора практически не наблюдается;

- радиационная стойкость детектора лежит в пределах к дозе у излучения Dy=104-106 рад и потоку электронов Фе=1012-1014 эл/см2;

- при определенных дозах у-облучения наблюдается положительное влияние гамма-облучение на пробивное напряжение структур (интервал этого положительного воздействия различается в зависимости от уровня р+-легирования пластин).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрено перспективное направление в области конструирования координатных детекторов нового поколения, при этом спроектирован и изучен многоцелевой координатный детектор, не имеющий мировых аналогов.

Показано, что впервые предложенные 2-х мерные матрицы пиксельных детекторов на основе функционально-интегрируемых структур с дополнительным экраном являются весьма перспективной элементной базой для многоцелевых координатных детекторов.

Показано, что разработанный многоцелевой координатный детектор может быть эффективно использован в приборах самого широкого спектра применений: от приборов для регистрации радиационных частиц ядерной физики, до приборов таможенного контроля и медицинских панелей и томографов.

Показано, что многоцелевой координатный детектор на основе функционально-интегрированных структур с дополнительным экраном имеет ry fу низкий уровень утечек <10 нА/см и шумов менее 50 мкВ (<10 электронов).

Детектор позволяет обеспечить высокочувствительное 2-х координатное детектирование с координатной точностью не хуже —20 мкм, с быстродействием <100 не наиболее часто встречающихся видов радиационных частиц (рентгеновских и у квантов, электронов, а-частиц, протонов, тяжелых ядер и т.д.):

Радиационная стойкость различных вариантов детектора лежит в пределах к дозе у-излучения Dy = 104-106 рад и интегральному потоку электронов Фе=1012-1014 эл/см2.

Научно-техническая значимость обусловлена созданием образцов многоцелевого координатного детектора, которые прошли испытания на предприятиях АО "СНИИП-Плюс", ОАО НИИ МЭ "Микрон", ФГУП "НИИП", ИЯИ РАН, и подтверждена новыми теоретическими и практическими результатами, а также расчетными и экспериментальными методиками оценки спектров и потоков излучений при определении радиационной стойкости изделий электронной техники.

1. Антонетги П., Антониадис Д. МОП - СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов - М.: Радио и связь - 1998.

2. Блинов Н.Н. Будущее отечественной рентгенотехники // М.: Медтехника и медизделия 2002 - №5(11).

3. Блохин М.А.Физика рентгеновских лучей М.: Гостехиздат - 1957 г.

4. Бордовский Г.А Рентгенопроводимость высокоомных полупроводников, // Соросовский образовательный журнал, 2001, No 3, с. 84-89.

5. Бубенников А.Н., Садовников А.Д. Физико-технологическое проектирование биполярных элементов кремниевых БИС — М.: Радио и связь -1991.

6. Дирнли Дж., Нортроп Д. Полупроводниковые счетчики ядерных излучений:— М.: Мир, 1966.

7. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 2. - М.: Мир, 1984.

8. Катков В.П., Крупман А.И., Таксар П.М. Влияние изовалентного легирования In и Sb ■ ' на фотолюминесценцию комплексов в эпитаксиальном сильнолегированном Р- >. GaAs:Ge. // Физика и техника полупроводников 1973 - т. 7 - вып. 12 - С. 2283-2288. .

9. Красников Г.Я, Зайцев Н.А. Система кремний диоксид кремния субмикронных СБИС - М.: Техносфера - 2003.

10. Красников Г.Я., Орлов О.М., Мурашев В.Н., Приходько П.С Полевой транзи.стор с дополнительной полупроводниковой областью — перспективный прибор СБИС // Иркутск: Кремний-2004 Сборник тезисов с. 199.

11. Кулаков В.М., Е.А. Ладыгин, В.И. Шаховцов и др. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники // Под ред. Ладыгина Е.А. М.: Советское радио, 1980.-с. 224.

12. Ладыгин Е.А., Лагов П.Б., Мурашев В.Н. Физические процессы в полупроводниках при облучении быстрыми частицами. Теория и расчет: Учебно-методическое пособие. М.: МИСиС - 2001. - 47 с.

13. Лохстрох Я. Приборы и схемы для СБИС на биполярных транзисторах // М.: ТИИЭР -1981 г. т.69 - №2 С. 47-61

14. Макаренко Л.Ф. Проверка применимости модели моновалентного дефекта для описания свойств комплекса вакансия-кислород в кремнии. Физика и техника полупроводников. 2000, том 34, вып. 10

15. Мартынов В. Н., Кольцов Г. И. Полупроводниковая оптоэлектроиика. М.: МИСИС, 1999.

16. Мурашев В.Н. Функционально-интегрированные структуры БИС субмикронного топологического диапазона с повышенной стойкостью к внешним воздействиям: Автореферат дис. док. тех. наук. М. 1999. - 40 с.

17. Мурашев В.Н., Мелешко E.AV, Яковлев Г.И. Перспективы детектирования альфа-частиц биполярными матричными приборами // Рига: Сборник тезисов научно-технической конференции 1998 - май - С: 31-36.

18. Мурашев В.Н., Орлов О.М., Удалов В. А. Новое поколение детекторов рентгеновского излучения на пиксельных матрицах // Электроника: Наука, Технология, Бизнес 2006 - №1 (67) - С. 31-34

19. Носов Ю.Р., Петросянц К.О., Шилин В.А. Математические модели элементов интегральной электроники.—М.: Советское Радио 1976.

20. Орлов О.М., Мурашев В.Н. Исследование ВАХ туннельного транзистора с барьером Шоттки .// Кремний -2004. Иркутск, 5-9 июля 2004. Сборник тезисов, с.204.

21. Першенков В.И., Попов В.А., Шолохов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем М.: Энергоатомиздат - 1988 г.

22. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем М.: Энергия -4 е изд. - 1977-с. 671.

23. Сычевский В.А. Кремниевые функционально-интегрированные пиксельные структуры координатных детекторов радиационных частиц: Автореферат дис. канд. тех. наук. М. 2003. - с. 28.

24. Таблицы физических величин / Справочник под ред. И.К. Кикоина.- М., Атомиздат, 1976

25. Таблицы физических величин / Справочник под ред. И.К. Кикоина.- М., Атомиздат, 1976.

26. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов М.: Советское Радио, 1970.

27. Antognetti P., Massobrio G. Semiconductor Device Modeling with SPICE. Second Edition. New York : McGraw-Hill. 1993.

28. Avset B.S. et al. A New Microstrip Detector with Double-Sided Readout // Preprint CERN .-EP.-Jan. 23.-1990.-c. 90-11.

29. Caccia M. et al. Si Strip Detector with Integrated Coupling Capacitors // NIM.-A260.-1987.-c. 124.

30. Chotas HG, Dobbins JT Principles' of digital radiogra-phy with large-area, ? electronicallyreadable detectors // Radiology 210- 1999 C. 595-599

31. Dalla-Betta G.F. et al. Monolithic integration of Si-PIN diodes and n-channel double-gate JFET's for room temperature X-ray spectroscopy // Nuclear Instruments and Methods in . Physics Research-A458-2001 -C.275-280

32. Damerell C.J.S. Vertex Detectors // RAL.-i86-077.-July.-l986. . ■ • i <•

33. Dijkstra H. et al. Radiation Tests with Capacitively Coupled Silicon Detectors Proceedings // CERN EP.-October 25.-1988 c. 88-144.

34. Gatti E. and Rehak P. Semiconductor Drift Chamber-An Application of a Novel Charge Transport Scheme // NIM.-225.-1984.-c. 608-614.

35. Goulding F. S. Semiconductor detectors an introduction // IEEE Transactions on Nuclear Science.-l 978.-V. NS-25.-N2.

36. H. Becker et al. IEEE Trans. NS v.37, N 1,1990, c. 87

37. Hall P. et al. ALEPH detector // IEEE Trans.-NS V.36.-N 1.-1989.-е. 551.

38. Kemmer J. et al. Low capacitive drift diode // NIM.-A253.-1987.-c. 378

39. Lindstroem G. at al. Radiation Damage Effects in Silicon Detectors // DESY.-89-105.-August.-l 989.

40. Lodewijk B. at al. Mercuric iodide x-ray and gamma-ray detectors for astronomy // X-Ray and Gamma-Ray Instrumentation for Astronomy XII - Vol. 4497 - 2002 - C. 100-105

41. Mitchell F. Introduction to electronics design / Prentice Hall, 2-nd edit, 1998. c. 885.

42. Moszynski M. et al Avalanche photodiodes in scintillation detection // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A497 - 2003 - C. 226-233.

43. Moy J.P. Large area X-ray detectors based on amorphous silicon technology" // Thin Solid Films 337 - 1999 - C. 213-221

44. Pierre ROHR, Amorphous Silicon based matrix detectors for X-ray Imaging // materials of a conference Meeting Workshop ESRF Grenoble 14 February 2003

45. Product memory. INTEL, sec. Reliability

46. Que W., Rowlands J.A. X-ray imaging using amorphous selenium: inherent spatial resolution // Med Phys 22: 1995 - C. 365-374

47. Street R. A.et al Matrix-addressed x-ray detector arrays. Hard X-Ray, Gamma-Ray and Neutron Detector Physics // CA. In Proceedings of the SPIE; 2000; 4141: C. 263-273

48. Street R. A.; Ready, S. E.; Rahn at al High resolution, direct detection x-ray imagers // Materials of a conference Medical Imaging 2000: Physics of Medical Imaging 2000 February 13-15-SanDiego; C.418-428.

49. Ten K. W.R.Th "The influence of the strip width on the performance of a strip detector" // . NIM. vol. A253.-1987.-c. 333.

50. Yoshihiro I. Osamu T. Development of Flat-Panel X-ray Image Sensors // Sharp Technical Journal № 3 August, 2001

51. Сотников А.В., Удалов В.А., Пиксельные детекторы радиационных частиц на основе функционально-интегрируемых структур // М.: МГИЭТ Сборник тезисов научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика 2005", С. 47

52. Мурашев В.Н., Удалов В.А., Пиксельные детекторы радиационных частиц на основе функционально-интегрированных структур // "Техника и технология" №2(8), Москва, 2005 г., С. 24-30

53. Кремлев В.Я. Функционально интегрированные структуры базовых элементов полупроводниковых интегральных схем. Автореферат диссертации на соискание ученной степени д.т.н.

54. Мурашев В.Н. Функциональная интеграция СБИС следующий этап эволюционного развития микроэлектроники. Ж-л Электронная промышленность, 1998г. №3,4 стр.77

55. Глориозов E.JI. Орлов О.М. Царев М.В. Структурный синтез полупроводниковых приборов. Изв. Высш.заведений. Радиоэлектроника, 1987.-Т.30, №6, с.24

56. Шагурин И.И. Схемотехнические принципы, элементная база и особенности проектирования цифровых БИС на биполярных транзисторах. Микроэлектроника, т.7, 1978,№2,с.25.