автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Кремниевые функционально-интегрированные пиксельные структуры координатных детекторов радиационных частиц

Введение

ГЛАВА I ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВАЖНЕЙШИХ ХАРАКТЕРИСТИК КООРДИНАТНЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ

1.1. Полосковые детекторы

1.2. Полупроводниковые дрейфовые камеры

1.3. Приборы с зарядовой связью

1.4. Обедненный МОП транзистор (DEPMOS-транзистор)

1.5. Дрейфовые фотодиоды

1.6. Примеры применения координатных детекторов и предельно достигнутые параметры

1.7. Анализ характеристик координатных кремниевых детекторов 42 Выводы к главе I

ГЛАВА II. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ПИКСЕЛЬНЫХ СТРУКТУР

2.1. Оценка ионизационных токов, создаваемых радиационными частицами

2.1.1. Расчет ионизационных токов генерируемых а-частицами

2.1.2. Расчет ионизационных токов генерируемых релятивистскими частицами

2.2. Анализ эффективности усиления ионизационных токов биполярных и полевых транзисторов

2.2.1. Физико-математическая модель биполярного пиксела

2.2.2. Физико-математическая модель вертикальной полевой пикселы

2.2.3. Численно-аналитическое моделирование усилителя ионизационного тока с использованием программного комплекса «PSpice»

2.2.4. Физико-математическая модель «чисто-дрейфового» транзистора

2.3. Оценка шумовых факторов для биполярных и полевых пиксельных структур

2.4. Результаты моделирования 78 Вывод к главе II

ГЛАВА III. КОНСТРУКЦИИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫХ ПИКСЕЛЬНЫХ СТРУКТУР КООРДИНАТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ

3.1. Функционально интегрированные структуры пиксел

3.1.1. Активные пиксельные структуры биполярного типа

3.1.2. Активные пикселы на базе транзисторных структур полевого типа

3.1.3. Пиксельные МОП структуры

3.2. Схемотехника координатных детекторов

3.2.1. 2х координатный детектор радиационных частиц

3.2.2. Координатный детектор радиационных частиц с последовательным опросом строк-столбцов

3.2.3. 2х координатный детектор с амплитудной дискриминацией шумового фона

Выводы к главе III 100

ГЛАВА IV КРЕМНИЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КООРДИНАТНЫХ

ДЕТЕКТОРОВ

4.1. Основные этапы изготовления стриповых детекторов

4.2. Технологические маршруты изготовления координатных детекторов на базе пиксел биполярного и полевого типа

Выводы к главе IV

ГЛАВА V. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

5.1. Электрические схемы и методики измерения статических характеристик активных пиксел детекторов 113 5.1.1. Измерение коэффициента усиления 1135.1.2 Измерение токов коллектор-эмиттер 114 5.1.3. Измерение тока коллектор-база

5.2. Приборы, используемые для измерений

5.2.1. Вольтметр цифровой универсальный В7

5.2.2. Характериограф Z-типа TR

5.2.3. Источник напряжения ВИП

5.2.4. Зондовая установка с тремя подвижными зондами на базе микроскопа МВС

5.2.5. Генератор импульсов Г5-63 1185.2.6. Осциллограф С1

5.3. Результаты измерений статических характеристик

5.3.1 Измерения статических характеристик матричных сборок пиксел на платине с удельным сопротивлением р=200м/П с дозой легирования р" базы 30 мккул/см (Е=35 кэВ)

5.3.2 Измерения статических характеристик матричных сборок пиксел на платине с удельным сопротивлением р=200м/П с дозой легирования р" базы 7,2 мккул/см2 (Е=7,5 кэВ)

5.4. Основные теоретические положения методов детектирования радиационных частиц

5.4.1. Схема формирования спектра

5.4.2. Схемотехника и характеристики зарядово-чувствительных предусилителей

5.5. Экспериментальные результаты по детектированию а-частиц

Выводы к главе 5 Заключение Приложение 1 Приложение 2 Приложение 3 Литература

6

Полупроводниковые детекторы хорошо известны в экспериментальной физике и применяются уже почти пятьдесят лет [1]. Они используются для регистрации различных видов излучений в спектрометрических и координатных измерениях. В начале 80-х годов появился новый класс полупроводниковых детекторов радиационных частиц - полосковые [2,3]. Их появление было стимулировано потребностями физики высоких энергий в точной и быстрой регистрации координат места попадания радиационных частиц. Новые возможности полосковых детекторов по точности координатных измерении обусловили их быстрое развитие и появление большого числа новых разработок координатных детекторов и специализированной микроэлектроники к ним [4-6].

Проведенный в диссертации анализ известных типов координатных детекторов показал их ограниченные возможности по регистрации радиационных частиц с требуемыми для современной физики и космических исследований параметрами (быстродействием tBbI6<10 не, координатной

15 2 точностью Дх=Ду<10мкм, радиационной стойкостью Фе>2-10 эл/см , и т.д.).

13 2

Ограничения связаны с низкой радиационной стойкостью (Фе<1(Г эл/см ) высокоомного кремния (pv = 5 кОм-см), используемого при создании полосковых стриповых детекторов, а низкие быстродействие (tBbl6>100 не) и координатная точность (Дх=Ду>50 мкм), обусловлены большими размерами и, следовательно, большой величиной распределенной емкости.

Рассматривая присущие современным детекторам ограничения, можно прийти к выводу, что реализация координатных детекторов с существенно улучшенными параметрами может достигаться с использованием интегрированных активных структур малого размера в ячейках (пикселах) координатного детектора. Исходя из этого, основным направлением поиска в диссертационной работе стал анализ работы и способности регистрации активными структурами радиационного излучения, с целью решения актуальной для современной техники регистрации радиационных излучений задачи -создания образцов высокоэффективных детекторов с высоким быстродействием (W«10 не), повышенной координатной точностью (Дх=Ду«20 мкм) и высокой радиационной стойкостью на базе использования современной микроэлектронной технологии.

Проблема создания новых типов координатных детекторов является многоплановой, и включает в себя поиск новых взаимосвязанных приборных, схемотехнических и технологических решений.

Первые идеи о возможном использовании активных транзисторных структур в детекторных ячейках возникли в начале 80х годов в результате работ проведенных по изучению реакции биполярных транзисторных р-п-р структур на воздействие а-частиц. Впервые было показано, что транзисторные структуры способны детектировать а-частицы с энергией 6-10 Мэв, однако использование таких транзисторных структур в координатных детекторах было ограничено высоким уровнем шумов и низким быстродействием. В дальнейшем, идея использования полупроводниковых структур в полосковых детекторах была использована Дж. Кеммером и Г. Лютцем при создании экспериментального координатного детектора на основе МОП структур со скрытым каналом. Однако детекторы на МОП-структурах показали худшие результаты по быстродействию и радиационной стойкости, в сравнении с транзисторными р-п-р структурами.

Дальнейший поиск привел к созданию быстродействующих координатных детекторов с использованием детекторов пиксельного типа, где вместо полосок p-i-n диодов использовались п-р-п транзисторные структуры, однако, такие детекторы имели относительно высокий уровень шумов.

Следует отметить, что к настоящему времени проблема создания быстродействующих координатных детекторов, удовлетворяющих требованиям современной физики и специальной техники, далека от завершения и требует поиска, разработок и применения новых конструктивно-технологических решений с использованием принципов формирования микроэлектронных структур.

В последние годы значительный прогресс микроэлектроники связан с использованием различных типов функционально-интегрированных структур. Благодаря новым разработкам функционально-интегрированных структур (БИ-К-МОП, IGBT, ДОЗУ и др.) удалось достичь значительного прогресса в части повышенных уровней интеграции, функциональных возможностей, быстродействия, радиационной стойкости и других характеристик микросхем и приборов. В связи с этим, возникло предложение применения функционально-интегрированных структур в пикселах координатных детекторов.

Целью проведенной работы стало проведение поисковых исследований и разработка быстродействующего (tBbI6~ 10 не), высокоточного (Лх=Ау«20 мкм) и

1Л "У радиационно-стойкого (Ф>110 эл/см) многоэлементного координатного детектора на основе принципов формирования функционально-интегрированных микроэлектронных структур.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнение следующих этапов работы:

- анализ параметров известных полупроводниковых детекторов;

- проведение теоретического анализа и моделирования ионизационных и усилительных процессов в различных вариантах функционально-интегрированных активных пиксельных структур координатных детекторов, происходящих под воздействием а-частиц и релятивистских электронов;

- разработка конструктивно-технологических решений функционально-интегрированных биполярных и полевых 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, чувствительности, координатного разрешения, радиационной стойкости).

Научная новизна работы.

1. Физически обосновано и предложено новое конструктивно-техническое решение однокристальных координатных детекторов, в которых реализована функциональная интеграция, регистрирующей части детектора (p-i-п структура) и усилительной (п-р-п транзистор, п-канальный вертикальный полевой транзистор);

2. Проведен сравнительный анализ предложенных в работе структурно- • топологических и технологических решений функционально-интегрированных структур координатных детекторов, и выбран оптимальный вариант для реализации.

3. Предложены физико-математические модели, описывающие:

- ионизационные процессы в регистрирующей части функционально-интегрированных детекторов, происходящие под воздействием радиационных частиц (а-частиц, релятивистских электронов);

- специфический характер работы функционально-интегрированных пиксельных структур координатных детекторов.

4. Проведена численная оценка основных параметров разработанных структур координатных детекторов.

5. Разработаны биполярные и полевые функционально-интегрированные структуры детекторов а-частиц.

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

3. Физически обосновано и предложено новое конструктивно-техническое решение однокристальных координатных детекторов, в которых реализована функциональная интеграция, регистрирующей части детектора (p-iп структура) и усилительной (n-p-n транзистор, n-канальный вертикальный полевой транзистор);

4. Проведен сравнительный анализ предложенных в работе структурно-топологических и технологических решений функционально-интегрированных структур координатных детекторов, и выбран оптимальный вариант для реализации.

3. Предложены физико-математические модели, описывающие:

- ионизационные процессы в регистрирующей части функционально-интегрированных детекторов, происходящие под воздействием радиационных частиц (а-частиц, релятивистских электронов);

- специфический характер работы функционально-интегрированных пиксельных структур координатных детекторов.

4. Проведена численная оценка основных параметров разработанных структур координатных детекторов.

5. Разработаны биполярные и полевые функционально-интегрированные структуры детекторов а-частиц.

Автор защищает:

1. Модель оценки ионизационных процессов в усилительных активных пиксельных структурах координатных детекторов;

2. Физическую модель функционально-интегрированной структуры с «чисто дрейфовым» механизмом усиления;

3. Предложенные типы и конструктивно-технологические характеристики разработанных структур координатных детекторов;

4. Результаты расчетной оценки и экспериментальных исследований параметров и характеристик разработанных структур активных пиксельных координатных детекторов.

Выводы к главе 5

Экспериментальные результаты оценки фоточувствительности показали, что коэффициент усиления фототока на транзисторных структурах не менее 60.

Биполярные структуры имеют не значительные токи утечки 1ух<10-12 нА, при этом напряжение пробоя крллектор-эмиттерного перехода равно 160 В.

Напряжение пробоя транзисторной матрицы детектора SB1 соответствует 160 В, а стрипа - 80 В, что по-видимому связано с экраном р" базы и р+ охранным кольцом. Фототок эффективно усиливается структурой SB2 в режиме с плавающей базой, аналогично, как и в случае инжекции, за исключением случая, когда имеется смещение на базе >0,6 В ((3=4).

Результаты измерений показывают усиление первичного фототока структурами модуля SB2 (с плавающей базой) в 100 раз и в 30-40 раз структурами модуля SB3 с фиксированной базой

Экспериментальные результаты по детектированию а-частиц показали, что детекторы радиационных частиц на основе функционально-интегрированных структур имеют по крайней мере на 2 порядка большую чувствительность и радиационную стойкость, чем стриповые детекторы.

Проведенные исследования показали перспективность предложенной разработки, т.к. уже первые образцы на низкоомном кремнии при ОПЗ порядка 10-20 мкм способны к эффективному детектированию а частиц, что позволяет получать координатные детекторы с разрешением не хуже 20 мкм.

Время выборки информационного скгнала для этих активных координатных детекторов не более 10 не, что на 2 порядка превышает быстродействие стриповых детекторов.

Заключение

В работе рассмотрено перспективное направление в области конструирования координатных детекторов радиационного излучения построенных на базе функционально-интегрированных активных пиксельных структур. Показано, что такие детекторы выгодно отличаются от традиционных детекторов на пассивных стриповых p-i-n структурах возможностью измерения сразу 2х координат, а также способностью усиления сигнала в пределах регистрирующей пикселы.

В рамках данной работы была предложена физическая модель*, описывающая специфический характер работы и усиления ионизационных токов активными функционально-интегрированными структурами.

Проведен расчет чувствительности, координатной точности и быстродействия детекторов построенных на основе функционально-интегрированных структур, который показал возможность получения предельно высоких эксплуатационных параметров для детекторов: чувствительность 1-105эл.дыр. пар, координатную точность Дх=Ду<20 мкм и быстродействие tBH6<10 не.

Показано, что наибольшим быстродействием обладает детектор), построенной на основе «чисто дрейфовых» структур.

Разработанный координатный детектор имеет на 2 порядка большую

1С л радиационную стойкость к ионизирующему излучению (Фе> 110 эл/см ), чем детекторы на традиционных стриповых структурах, что обусловлено следующими конструктивно-технологическими особенностями:

- малая глубина залегания переходов: Хбэ~0,25 мкм, Хбк~0,4 мкм;

- малые геометрические размеры: 8э=1,5x1,5 мкм, 85=3,0x3,0 мкм;

21 3 16 3

- резкие градиенты концентраций: N3=1 ТО см", Ne=1T0 см", Nk=TT012cm"3;

1 •

- использование низкоомного кремния 20 Ом-см.

Проведены экспериментальные работы по исследованию эффективности нового типа детектора а-частиц, которые показали на два порядка большую чувствительность (Р>100) и большее быстродействие (tBH6<10 не) по сравнению, с традиционными типами стриповых детекторов*

Теоретическими и экспериментальными методами доказано преимущество разработанных детекторов на базе функционально-интегрированных структур, по сравнению с традиционными, при решении задач экспериментальной физики, связанных со скоростной координатной регистрацией радиационных частиц.

Научно-техническая значимость подтверждена теоретическими и практическими результатами: расчетными методиками оценки эффективности детектирующих устройств, а также при создании опытных образцов детекторов радиационных частиц, которые прошли испытания на предприятиях РНЦ «Курчатовский институт», АО «СНИИП-Плюс», ИЯИ, ОКБ «Сенсор-2».

1. K.G. McKay. Phys. Rev. 84, 1951, 829.

2. J. Kemmer, NIM, 169, 1980, 499.

3. B. Hyams et al. NIM, 205, 1983, 253.

4. B.J. Hostika. NIM, 226, 1984, 185.

5. R. Hofmarm et al. NIM, 226, 1984, 196.

6. J.T. Walker et al. NIM, 226, 1984, 200.

7. W.R.Th. Ten Kate, NIM, A253, 1987, 333.

8. V. Radeka, NIM, 226, 1984, 209.

9. C.J.S. Damerell, RAL, 86-077, July, 1986.

10. Таблицы физических величин. Справочник под ред. И.К. Кикоина, Москва, Атомиздат, 1976.

11. Дж. Дирнли, Д.Нортроп. Полупроводниковые счетчики ядерных излучений, Москва, Мир, 1966.

12. G. Lindstroem at al. DESY, 89-105, August, 1989.

13. M. Caccia et al. NIM, A260, 1987, 124.

14. H. Dijkstra et al. Preprint CERN EP/88-144, October 25, 1988.

15. P. Hall et al. IEEE Trans. NS v.36, N 1, 1989, 551.

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

17. B.S. Avset et al. Preprint CERN EP/90-11, Jan. 23, 1990.

18. E. Gatti and P. Rehak, NIM, 225, 1984, 608. •

19. P. Rehak et al. NIM A235, 1985, 224.

20. J. Kemmer and G. Lutz, NIM, A253, 1987, 365.

21. J. Kemmer and G. Lutz, NIM, A273, 1988, 588.

22. J. Kemmer et al., NIM, A288, 1990, 92.

23. K. Yamamoto et al. NIM, A253,1987, 542.

24. P. Rehak et al. IEEE Trans. Nucl. Sci. V.36, N 1, 1989, 203.

25. J. Kemmer et al., NIM, A253, 1987, 378.

26. B.S. Avset et al. NIM, A288, 1990,131.• .

27. G. Hall. Preprint, Imperial College, IC/HEP/89/7, October, 1989, London.

28. R. Bailey et al., NIM, 226, 1984, 56.

29. H. Dietl et al., NIM, A253, 1987, 460.

30. J.B.D. England et al., NIM, 185, 1981, 43.

31. V. Radeka and R.Boie, NIM, 178, 1980, 543.

32. C. Adolphsen et al. NIM, A253, 1987, 444.

33. A. Litke et al. NIM, A265, 1988, 93.

34. P. Hall et. Al, NIM, A257, 1987, 587.

35. H. Becker et al., IEEE Trans. On NS, v.36 (1989) 246.

36. C.J.S. Damerell et al., NIM, A253,1987, 478.

37. C.J.S. Damerell et al., NIM, A288, 1990, 236.

38. B.H. Мурашев, E.A. Мелешко, Г.И. Яковлев Перспективы детектирования альфа-частиц биполярными матричными приборами, Рига, май 18-22, 1998, с. 31-36.39. Мод Эберса мола.

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

40. MicroSim Pspice A/D. Circuit Analysis Software. Reference Manual. Ver.8.0 MicroSim Corp. Irvine, 1997 (в электронном виде)

41. С.Зи «Физика полупроводниковых приборов» М.«Мир» 1984.

42. П. Антонетги, Д. Антониадис «МОП СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов» М. «Радио и связь» 1998.44. В.Н. Мурашев Диссертация.

43. В.Н. Мурашев, Е.А. Ладыгин, Координатный детектор релятивистких частиц, патент на изобретение №2197036.

44. В.Н. Мурашев, Е.А. Мелешко, Координатно-чувствительный детектор (варианты), патент на изобретение №2133524.

45. G.D. Alkhlazov, А.Р. Komar, А.А. Vorob'ev // Nucl. Instrum. And Methpds. 1967, v.48,N l,p.l-12.

46. Р. SifFert, A. Coche, F. Hobou // IEEE Trans. Nucl. Sci, 1966, v.NS-13, N3, p.225-230.

47. В.П. Катков, А.И. Крупман, П.М. Таксар //Физика и техника полупроводников, 1971, т.5, вып. 7, с. 1382-1386, 1973, т. 7, вып. 12, с. 22832288.

48. N.B. Strokan, С.A. Lomashevich, L. L.e.a. Makovsky //Nucl. Instrum. And Methods, 1971 v.93, N 2, p. 277-284.

49. H.H. Горюнов, Ф.И. Маняхин, H.H. Лукашов, В.А. Сычевский, Импульсный трехчастотный метод измерения параметров заряженных центров в области пространственного заряда полупроводниковых структур И Приборы и системы управления 1999, №10, с. 46-49.

50. В.Н. Мурашев, Е.А.Ладыгин, ЕС. Горнев, В. А. Сычевский, Интегральные транзисторные MOS структуры, заявка на патент №2001127513 от 11.10.2001.

51. В.Н. Мурашев, Е.А. Ладыгин, В.А. Сычевский, Интегральная ячейка • детектора излучений, заявка на патент № 2002118855 от 17 июля 2002.

52. В.Н. Мурашев, В.А. Сычевский, П.Б. Лагов, Пиксельный инжекционный детектор релятивистских частиц // «Стойкость-2002», Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем», вып. 5, с. 15-17.

53. В.А. Сычевский, Полупроводниковые биполярные детекторы для регистрации радиационных частиц // Вопросы атомной науки и техники,2002, вып. 4, с. 39-42.

54. В.А. Сычевский, Функционально-интегрированная элементная база СБИС на КНИ структурах субмикронного топологического диапазона // Приборы,2003, №3, с. 30-36.

55. В.Н. Мурашов, В.А. Сычевский, Пиксельный координатный детектор релятивистских частиц инжекторного типа (теория и эксперимент) // Вопросы атомной науки и техники, 2003, вып. 3, с. 80-83.1. Т' 11. УТВЕРЖДАЮr

56. Директор I'llil "Курчатовский институт" !Т€ ^Л-^Р'-МЧ установок