Разработка СБИС квантового пиксельного координатного детектора радиационных частиц на основе функционально-интегрированных биполярных структур

Леготин, Сергей Александрович

Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах

автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка СБИС квантового пиксельного координатного детектора радиационных частиц на основе функционально-интегрированных биполярных структур

кандидата технических наук: Леготин, Сергей Александрович
город: Москва
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.27.01

Автореферат диссертации по теме "Разработка СБИС квантового пиксельного координатного детектора радиационных частиц на основе функционально-интегрированных биполярных структур"

РАЗРАБОТКА СБИС КВАНТОВОГО ПИКСЕЛЬНОГО КООРДИНАТНОГО ДЕТЕКТОРА РАДИАЦИОННЫХ

ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫХ БИПОЛЯРНЫХ СТРУКТУР

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4856562

о 3 ЫАР 2077

Москва-2011

4856562

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ «МИСиС»)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Мурашев Виктор Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Мордкович Виктор Наумович

доктор технических наук Прохоцкий Юрий Михайлович

Ведущая организация: Государственный научный центр РФ ФГУП «Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина»

Защита состоится и/фрТО, 2011г. в часов на заседании

диссертационного совета Д850.012.01 при Государственном унитарном

предприятии «Научно-производственный центр «СПУРТ» по адресу 124460, Москва, Зеленоград, 1-й Западный проезд, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НПЦ «СПУРТ».

Автореферат разослан " 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., с.н.с.

■у В.Г. Петров >

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы

Регистрация различного типа излучений от видимого света до частиц высоких энергий и формирование видеоизображений внутреннего строения физических объектов являются важнейшей частью широкого круга научных, технических и прикладных задач таких областей науки и техники, как физика элементарных частиц и астрофизика, ядерная физика и промышленная диагностика, таможенный контроль, системы безопасности и т.д. И это далеко не полный перечень приложений с использованием полупроводниковых детекторов излучений. При этом в последние годы наметились новые практические важные области применения, в частности, в медицинских рентгеновских панелях, ПЭТ-томографии, электронной и рентгеновской дефектоскопии и т.д.

Внедрение детекторов в эти области требует радикального улучшения качества регистрации радиационных частиц и излучений и определяется целым комплексом электрофизических параметров детектора, таких как координатное и временное разрешение, динамический диапазон, спектральная чувствительность, радиационная стойкость и т.д. При этом особо важным представляется направление получения «чисто» цифровых видеоизображений, полученных путем регистрации отдельных квантов излучения.

В связи с этим разработка нового типа квантового координатного детектора (ККД), максимально удовлетворяющего новым требованиям по качеству изображения, является актуальной задачей для отечественной промышленности и микро- и наноэлектроники в целом.

Состояние проблемы

Полупроводниковые детекторы хорошо известны почти 50 лет и широко применяются в ядерной физике. При этом наибольшее распространение получили полосковые (стриповые) координатные детекторы, которые, по сути, являются простейшими монолитными полупроводниковыми приборами на основе р-ьп-диодов. Однако при их применении требуется использование специальной внешней электроники.

При этом отсутствие усилительных свойств в р-г-л-диодах стриповых детекторов резко ограничивает их быстродействие и возможность одновременного измерения 2-х (3-х) координат, а наличие специальной электроники, подсоединяемой к каждой строке и столбцу, делает такие детекторы весьма громоздкими и дорогими.

Очевидным решением проблемы стало появление гибридных микросхем детекторов, созданных по технологии «флип-чип». В данном техническом решении реализуется идея прямого соединения пикселей двух чипов (регистрирующего и считывающего): первого, принимающего излучение, содержащего матрицу детектирующих пикселей, и второго, имеющего матрицу пикселей, обладающих свойствами усиления и обработки сигналов.

Технология «флип-чип», в принципе, позволяет получить детекторы высокого качества, удовлетворяющие техническим требованиям, предъявляемых, например, к рентгеновским панелям медицинского и промышленного назначения.

Однако данной технологии присущ ряд недостатков, среди которых основными являются высокая стоимость и сложность изготовления детекторов, так как необходимо комплектовать в одной рентгеновской панели около 2 тыс. мегапиксельных чипов, при этом надо обеспечить прямое соединение миллионов пикселей (содержащих сотни транзисторов) регистрирующего и считывающего чипов. А дальнейшее повышение качества изображения за счет уменьшения размеров пикселей, ведет к резкому усложнению конструкции детектора и надежности работы всего устройства.

Альтернативным конструктивно-технологическим решением является появившаяся в начале 2000 годов идея создания квантового пиксельного координатного детектора (КПКД), в котором регистрация и обработка излучений производится также поквантово. Однако при этом предполагается совмещение регистрирующей и обрабатывающей частей в единой интегральной схеме СБИС.

Такое техническое решение устраняет главную проблему технологии «флип-чип», поскольку предполагается изготовление детектора в одной конструкции СБИС в едином технологическом маршруте. Однако разработка такого детектора СБИС является весьма сложной и многоплановой задачей,

связанной с решением взаимосвязанных физических, технических и схемотехнических проблем.

Цель работы

Разработка архитектуры, конструкции и технологии изготовления СБИС квантового пиксельного координатного детектора на основе функционально-интегрированных (ФИ) структур с координатной точностью не хуже 25 мкм, быстродействием до 25 не и чувствительностью не хуже 5 кэВ.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

- классификация и анализ конструкций известных типов полупроводниковых детекторов;

- выбор архитектуры построения СБИС квантового пиксельного координатного детектора в зависимости от функционального назначения и требований к электрическим параметрам;

- определение оптимальных вариантов и разработка новых конструкций пиксельных элементов матриц СБИС КПКД;

- проведение теоретического анализа ионизационных процессов, происходящих в пиксельных структурах детектора;

- разработка схемотехники и базовой технологии изготовления кристалла детектора СБИС;

- разработка топологии кристалла СБИС КПКД.

Предмет исследования

Предметная область исследований и интересов автора состоит в разработке и создании технологии, схемотехники и конструкции СБИС квантового пиксельного координатного детектора, а также в исследовании его спектральных характеристик. Методологическая основа работы заключается в компьютерном моделировании физических процессов в пикселях детектора и специфических особенностей работы схем управления пикселями матрицы детектора.

Объект исследования

Квантовый пиксельный координатный детектор радиационных частиц и излучений для широкого спектра применений в науке и промышленности (приборы ядерной физики, таможенный контроль, медицина и т.д.).

Научная новизна работы

1. Проведен анализ и классификация известных технических решений для полупроводниковых детекторов радиационных излучений.

2. Предложена новая архитектура СБИС квантового пиксельного координатного детектора, не имеющего мировых аналогов.

3. Предложены оригинальные электрические схемы и конструкции пикселей квантовых пиксельных координатных детекторов, по которым получены патенты и поданы приоритетные заявки на изобретения Российской Федерации.

4. На основе компьютерного моделирования пиксельных структур показано, что линейное уменьшение размеров эмиттера приводит к пропорциональному увеличению коэффициента усиления и быстродействия пикселей детектора.

5. Предложена новая конструкция детектора, которая позволяет совместить тепловое и рентгеновское изображение исследуемых объектов.

6. Получены новые экспериментальные результаты, свидетельствующие о высокой эффективности детектирования электронов КПКД на основе функционально-интегрированных структур (координатная точность не хуже 25 мкм, быстродействие 25 не и чувствительность не хуже 5 кэВ).

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

1. Разработана СБИС КПКД, которая может быть использована в приборах научного, промышленного и медицинского назначения.

2. Разработана оригинальная базовая технология изготовления СБИС КПКД.

3. Впервые получены результаты по регистрации релятивистских электронов детекторами на основе функционально-интегрированных пиксельных структур.

4. Предложены новые технические решения для конструкций и технологии изготовления квантового пиксельного координатного детектора, которые защищены патентами на изобретения Российской Федерации.

5. Проведен комплекс экспериментальных исследований в НИИЯФ МГУ им. Д.В Скобельцына, ФИАН, ФГУП «НИИП», подтвердивший, что разработанные детекторы имеют уникальные характеристик по быстродействию (/вь,б й 25 не) и координатной точности (А* = Ау < 25 мкм).

6. Создание экрана для регистрации рентгеновских и электронных излучений на основе КПКД позволит в несколько раз уменьшить дозовую нагрузку на объект исследования.

Внедрение результатов работы

1. Кристаллы СБИС детектора выпущены лабораторными сериями в ОАО «НИИМЭ и завод Микрон» и поставлены в институты Российской академии наук (ФИАН, ИЯИ РАН), на предприятия Росатома (РНЦ, ФГУП «НИИП»), что подтверждается актами использования результатов диссертационной работы.

2. Материалы диссертации использованы в учебном процессе кафедры ППЭ и ФПП НИТУ «МИСиС» и курсе лекций «Физика фотопреобразователей», предназначенном для студентов, обучающихся по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника» и специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника».

На защиту выносится:

1. Результаты математических оценок и компьютерного моделирования параметров пиксельных функционально-интегрированных структур матриц КПКД.

2. Новые конструктивно-технологические и схемотехнические решения для пиксельных структур, защищенные патентами на изобретения Российской Федерации.

3. Архитектура и конструкция СБИС квантового пиксельного координатного детектора.

4. Результаты экспериментальных исследований характеристик лабораторных образцов СБИС КПКД с координатной точностью не хуже 25 мкм, быстродействием 25 не и чувствительностью не хуже 5 кэВ.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов

Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается их опробованием и внедрением на предприятиях Росатома и Институтах РАН, а также в курсе лекций «Физика фотопреобразователей», читаемом в НИТУ «МИСиС».

Достоверность подтверждается использованием общепринятых или ранее апробированных методик исследований, использованием высокоточного и

аттестованного оборудования, а также совпадением результатов компьютерного моделирования и эксперимента.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 9 статей, 2 патента на изобретения Российской Федерации. Из них 2 работы опубликованы в журналах из списка ВАК.

Апробация работы

Результаты исследований, составляющие содержание диссертации, докладывались на:

- научно-технической конференции «Микроэлектроника и наноинженерия-2008», г. Зеленоград, ноябрь 2008 г.;

- международном научно-методическом семинаре «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», г. Москва, ноябрь 2008 г.;

- XV Международном Симпозиуме по взаимодействию космических лучей сверхвысоких энергий, Париж, сентябрь 2008 г. (XV International Symposium on Very High Energy Cosmic Ray Interactions, ISVHECRI2008, Paris, September 2008);

- научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика -2009», г. Зеленоград, апрель 2009 г.

2. Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, определяются задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, выносимые на защиту научные положения и результаты.

В главе 1 приведен анализ принципов действия и технические характеристики известных детекторов квантового, аналогового и квантово-цифрового типа (рис. 1.1), который показал, что существующие технические решения не позволяют достичь всей совокупности требований, предъявляемых к полупроводниковым детекторам в области регистрации радиационных частиц и излучений (табл. 1.1, 1.2), поскольку:

- квантовые координатные детекторы не способны регистрировать большие потоки мощностью Р^>108 квант/с-см2, т.е. определять все параметры частиц (координаты, энергию, время), поскольку такой детектор «работает» с каждой радиационной частицей отдельно и поэтому возникает проблема скоростной обработки сигналов, особенно при использовании внешней считывающей электроники;

- аналоговые детекторы имеют большие ошибки, связанные с оцифровкой аналогового сигнала и различением в спектре квантов, поступающих от источника излучения;

Таблица 1.1 - Требования к детекторам медицинского назначения

Показатели Основная радиография Маммография Флюроскопия Рентгенография Однофотонная ЭКТ

Размер, см > 40 х 40 >18x24 30 х 30 30x30 30 х 30

Размер пикселя, мкм 150 60-100 200-400 200-400 200-400

Динамическое разрешение, квант/пиксель -1000 -5000 -10 -10 -10

Соответствующая доза облучения, мкГр 2,5 100 25 25 25

Рабочий диапазон энергии, кэВ 30-120 -20 30-120 120-150 60-511

Входной эквивалентный шум, квант <5 <5 < 1 < 1 <5

Разрядность данных, бит 12 12 12 12 12

Время считывания, с 1-5 1-5 -30 мс 1-2 2-3

Таблица 1.2 - Требования к детекторам промышленного назначения

Диапазон энергий Области применения Размеры Пространственное Количество

регистрируемых сканирующих чувствительной разрешение, мкм элементов

излучений, кэВ детекторных чипов области, мм в чипе

70-140 Гамма камера 26 х 10x0,5 400 64

Системы безопасности

120-300 в аэропортах 32 х 10 х 1 1200 32

Высокоточный

300-1500 дефектоскоп 26 х 10x0,5 50 512

Досмотровые

150-7000 таможенные системы 32 х 20 х 1 1200 32

Досмотр

3000-20000 крупногабаритных грузов 54 х 30 х 1 3000 16

Научные приборы и другие

области применения Медицина и другие области применения Медицина и другие области применения

Рис. 1.1. Классификация полупроводниковых детекторов радиационных частиц и излучения

- квантово-цифровые детекторы позволяют осуществить координатное детектирование квантов, но без определения времени их поступления и анализа спектра. Кроме того, такие детекторы отличаются сложностью изготовления и высокой стоимостью.

Поэтому в обозримом будущем наиболее рациональна «узкая специализация» полупроводниковых детекторов под конкретную область применения.

Аналоговые приемники излучений типа кремниевых ПЗС приборов и КМОП-фотодиодные матрицы СБИС применяются и, по-видимому, будут и дальше доминировать в оптическом и рентгеновском диапазоне с интенсивностью излучений Рх >1012 квант/с-см2.

Квантово-цифровые детекторы применяются и будут использоваться для получения высококачественных изображений в основном для рентгеновского спектра излучений на объектах малой площади при мощности излучения 106-1012 квант/с-см2.

Квантовые координатные детекторы используются для регистрации высокоэнергетичных излучений малой интенсивности (Рх < 108 квант/с-см2).

Следует отметить, что за рубежом среди квантовых пиксельных координатных детекторов получил распространение детектор на основе БЕРЕЕТ структур (обедненный полевой транзистор), предложенный немецкими учеными Кеммером и Лутцем в 1987 г. Такой детектор позволяет регистрировать одновременно 2-3 координаты, энергию и время поступления частиц. Однако пиксели его матрицы относительно сложны по конструкции и технологии изготовления, при этом детектор не позволяет получить приемлемое быстродействие, необходимое для регистрации потоков частиц мощностью Рх> 106 квант/с-см2, из-за низкой крутизны ВАХ используемых в пикселях МОП-структур.

В последние годы наметилась тенденция применения нового типа квантовых координатных детекторов, в которых происходит усиление по току ионизационного заряда, создаваемого радиационными частицами в пределах самой пиксели детектора. В этом направлении российские ученые из НИТУ «МИСиС», НПЦ «Курчатовский институт», Физический институт им. Лебедева (ФИАН),

Институт ядерной физики (ИЯИ) занимают лидирующие позиции и имеют приоритетные публикации и патенты.

Особый интерес представляет собой новый тип координатных детекторов, построенных на так называемых функционально-интегрированных структурах (ФИС), получивших название квантовые координатные биполярные детекторы (ККБД).

В пикселях ККБД в единой конструкции интегрированы принимающий излучение р-1-п диод и транзисторная биполярная или МОП структура. Отдельные функционально интегрированные микроструктуры с помощью металлической разводки могут быть также изготовлены как монолитные стриповые или пиксельные детекторы. Построенные соответствующим образом функционально-интегрированные структуры могут обеспечить внутреннее усиление первичного сигнала, создаваемого радиационной частицей в пределах пиксельной матрицы чипа - СБИС детектора. Это обстоятельство позволяет в несколько раз повысить такие параметры ККБД, как чувствительность, быстродействие, координатная точность, причем одновременно по двум-трем координатам.

В связи с эти разработка СБИС КПКД, содержащих пиксельную матрицу ФИС и электронику считывания информации, является своевременной актуальной научно-технической задачей.

Выводы по главе 1

На основании проведенного в 1-й главе анализа известных типов детекторов сделан вывод о перспективности использования в целом ряде научных и промышленных применений квантовых пиксельных координатных детекторов на базе кремниевой СБИС, в которой в единой конструкции реализованы «регистрирующая» пиксельная матрица на основе функционально-интегрированных структур и считывающая - обрабатывающая КМОП электроника, совместимая по интерфейсу с персональным компьютером.

Реализация данного устройства является сложной, многоплановой задачей, для решения которой требуется разработка новых взаимосвязанных технических решений как в области физики и технологии полупроводниковых приборов, так и в области конструирования СБИС. •

Для решения данной проблемы необходимо провести анализ ионизационных процессов, происходящих в пиксельных структурах матриц КПКД, определить оптимальные параметры конструкций пиксельных структур, разработать технологию, архитектуру и схемотехнику СБИС детектора.

В главе 2 приведены результаты исследования физических процессов, происходящих в ФИ пиксельных структурах при воздействии на них различных типов излучений. Проведен анализ работоспособности ФИ пикселей на основе БИ-МОП структуры и определены ее оптимальные параметры.

В разделе 2.1 представлена физическая модель взаимодействия радиационной частицы с кремниевой пиксельной структурой матрицы КПКД.

Показано, что прохождение заряженной частицы через структуру биполярного п-р-п транзистора вызывает генерацию электронно-дырочных пар, преимущественно в высокоомной области пространственного заряда (ОПЗ), и в меньшей степени в квазинейтральной области (КНО) п - подложки, являющейся общей областью коллектора множества биполярных структур - пикселей.

В диссертации проведена количественная оценка основных параметров матрицы детектора при детектировании релятивистских электронов. Так, для п = 1-Ю4, характерном для числа электронно-дырочных пар, генерированных релятивистским электроном на пробеге в кремнии = 100 мкм, и напряжении обратного смещения коллекторного перехода 1/сс= 70 В:

- амплитуда дрейфовой составляющей ионизационного тока равна:

/ о,16мкА;

'»Р

- амплитуда диффузионной составляющей ионизационного тока равна:

1 яа^^.ю-« ю4 =03нА

5,1-Ю"6

где попз. "кно - число электронно-дырочных пар, сгенерированных релятивисткой частицей в ОПЗ и КНО соответственно; г„р - время пролета носителей заряда через ОПЗ (10 не); гдиф - время диффузии носителей заряд в КНО.

В разделе 2.2 автором рассмотрены физические особенности работы функционально-интегрированных пикселей для детекторов квантового, аналогового и квантово-цифрового типов.

На рис 2.1, а и 2.1, б показана электрическая схема и структура функционально-интегрированной двухэмиттерной пиксельной ячейки матрицы с «сетчатой» базой, предложенная автором, квантового координатного пиксельного детектора, которая усиливает первичный ионизационный ток, создаваемый радиационной частицей, и распределяет вторичный ток по осям х, у.

На рис. 2.2, а и 2.2, б представлена разработанная автором электрическая схема и функционально-интегрированная БИ-МОП структура пиксельного аналогового детектора, принцип действия которой основан на разрядке, предварительно заряженного конденсатора (С,„у) истокового р-п перехода МОП транзистора ионизационным током, создаваемым радиационной частицей.

На рис. 2.3, а и 2.3, б показана электрическая схема и функционально-интегрированная пиксельная структура квантово-цифрового детектора, принцип действия которой основан на усилении ионизационного тока биполярной и МОП структуры и записи информационного сигнала в счетчик импульсов.

\piii диод

БТ

—X

—У

р-тт Я-/М1-ЕТ

Рис. 2.1. Электрическая схема (а) и

структура функционально-интегрированной двухэмиттерной пиксельной ячейки с «сетчатой» базой квантового пиксельного координатного детектора (б)

4. т

Чн/ ' »— 4 '' * Ч- ' " ' ' ^ ' ш * - )

вяш

' ' '""/¿¿¿'Ч'//', > 'Я''" / 'Л'-," 'С''У"' й.* » ' /' 'V'''"

Рис. 2.2. Электрическая схема (а) и структура функционально-интегрированной БИ-МОП пиксельной структуры аналогового детектора (б)

—ГЕТ J

^ Счетчик i

ыш

Рис. 2.3. Электрическая схема (а) и структура функционально-интегрированной пиксельной структуры квантово-цифрового детектора (б)

В разделе 2.3 приведены результаты компьютерного моделирования динамики работы БИ-МОП пикселей.

Работоспособность и быстродействие функционально интегрированной пиксели моделировалась с помощью программы PSpice. Электрическая схема функционально-интегрированной пиксели изображена на рис. 2.2, а.

Параметры схемы для проектной нормы Ly = 0,8 мкм, емкость C„¡f= 1,2-10"16 Ф, значение сопротивления резистора R6 варьировалось в широких пределах.

Параметры p-MOSFET для программы PSpice: VTO = -l, Кр = 3-10"5 A/V2, Caso = 1,5 фФ, CGD0 = 0,3 фФ.

Параметры п-р-п биполярного транзистора для программы PSpice: BF=100, CJE = 0,7-10'15 Ф, С к = 0,5-1014 Ф, TF = 410"12 с.

Результаты моделирования для проектной нормы Lf= 0,8 мкм представлены на рис. 2.4. При этом на рис. 2.4, а, б показаны временные зависимости напряжения (t/eUx) и тока (/ВЬ1Х) выходного сигнала при воздействии на пиксельную ячейку релятивистским электроном.

Из этих результатов следует, что работоспособность пиксели находится в широком диапазоне физико-технологических параметров (X, = 0,1-0,3 мкм-глубина залегания эмиттерного перехода, Хк = 0,2-1,0 мкм - глубина залегания коллекторного перехода). При этом быстродействие биполярной пиксели примерно на порядок больше, чем пиксели на основе DEPFET структур.

2,5 и А-г

Рис. 2.4. Результаты моделирования функционально-интегрированной пиксели

с помощью программы Р8рке

Выводы по главе 2

Показано, что:

- оптимизированная функционально-интегрируемая пиксельная структура квантового координатного детектора способна усиливать малые уровни сигнала, создаваемого слабовзаимодействующими видами радиационных частиц (релятивистскими электронами, у - и рентгеновскими квантами) и определять время их поступления с точностью не хуже 25 не;

- наиболее эффективное усиление (более 100 раз) ионизационного тока, создаваемого релятивистским электроном и у-квантом, достигается при размерах эмиттера пиксельной структуры 5Э < 0,8 х 0,8 мкм2 и толщине активной базы транзистора У/ь < 0,1 мкм;

- быстродействие матрицы пикселей детектора определяется временем сбора заряда, создаваемого радиационной частицей, в основном в ОПЗ коллекторном переходе (тдр=10 не), временем пролета носителей заряда через квазинейтральную область базы (ткно~0,1 не), постоянной времени перезарядки паразитных емкостей пиксельной матрицы, т.е. тс = лС6, /?тр=103х10'15 Ф х х 10"1 Ом = 10 не.

В главе 3 представлены разработанные в процессе исследования конструкции и технологические маршруты изготовления СБИС КПКД.

В разделе 3.1 представлены полученные в работе результаты компьютерного моделирования диффузионных профилей транзисторных пиксельных функционально-интегрированных структур в программе САПР «1БЕ ТСАО».

Проведение технологических проб по изготовлению пиксельных транзисторных структур, удовлетворяющих техническим требованиям (напряжение полного обеднения детектора ¿/0ба > 70 В, коэффициент усиления Р > 50) является весьма длительным и дорогостоящим процессом, поэтому проводилось компьютерное моделирование технологических процессов, позволяющее найти оптимальные значения технологических параметров.

На рис. 3.1 показаны расчетные зависимости концентрационного профиля в поперечном сечении структуры пикселей, рассчитанные с помощью приборно-технологического САПР «15Е ТСАБ». Исходные параметры расчетов:

- доза р-примеси в базе транзистора О = 2,0 мкКул; энергии Е =70 кэВ и Е = 100 кэВ, температура отжига 7= 950°С, Г =40 мин;

-доза п-примеси мышьяка в эмиттере О = 1000 мкКул; энергия Е = 10 кэВ, температура отжига Т = 1050°С, ! =20 мин.

На рис. 3.2 показаны рассчитанные двухмерные профили вертикального биполярного п-р-п транзистора.

В разделе 3.2 представлен технологический маршрут изготовления чипов СБИС КПКД.

Наиболее простой технологический маршрут изготовления СБИС детектора по п-МОП схемотехнике получил название «К-Би-МОП», показанный на рис. 3.3.

|1ШР:ШШ|!ШШШЩГ -с«оР.- ™ «л Ь.

-4

.1 ......[..........!...........[..........;..........7

Щ 111111Ш1111111111!11111111111Й1111111111|1111111111Ш

-:::: Г7;х":::;.......:г г:т:: ::

.....а

::::: 1......:.....з

"1...............;..........;...........;

+ :::::..

"1 ":..........?...........:.........1'

"Г":...........;..........:.........

)' !' '.;.'.'....'. .'..... '.. ..

1 ...........1..........;...........•!.

I ¡.. ...—. ; ...... ........;

Рис. 3.1. Профили распределения примеси в структуре вертикальных п-р-п транзисторов при энергии имплантации бора Е = 70 кэВ и Е= 100 кэВ

Рис. 3.2. Двухмерные концентрационные профили в вертикальном п-р-п транзисторе

5101-25 им

1-я фотолитография. Создание «р-карманов». Ионное легирование (ИЛ) бором с энергией Е-20 кэВ и дозой Д=1,3-Ю13 см-1 (2,4 мкКл).

„вкуи™,,

~Ш-ЩГ

[ /»-карма» ]

8Ю2-150 нм+йГ-450 нм+БКуК нм+в!,^ -130 ни

2-я фотолитография. «Жесткая маска»

3-я фотолитография. Создание «р+-охрана». ИЛ бором,

£=20 кэВ, Д=6,25-1013 см'1 (10 мкКл).

4-я фотолитография. Создание «п+-охрана». ИЛ фосфором, £=60 кэВ, Д=1,875-Ю13 см~'

(3 мкКл)

база р- база /»-^-охрана

»'«¡"¡3=5' 'в _

]п+о!рина р- Г|аза р-рхр. J /»'Лет

5101-250 им С

8Ю1-150 нм+в1"-450 пм+8Юг-250 им

■и+охрана й-6а ¿карма« J г р*<!Ш1л

8Ю2-150 пм+вГ -450 им+250 пм

5-я фотолитография. Формирование «.р*-база». ИЛ бором, £=100 кэВ, Д=6,25-1013 см 1 (10 мкКл)

6-я фотолитография. Формирование «р~-базы». ИЛ бором, £=100 кэВ, Д=1,5 мкКл

7-я фотолитография. Формирование контактных окон к эмиттеру, базе и />-карману

8-я фотолитография. КО (контактные окна) к эмиттеру, //-базе, р"-карману (емкость). Создание МОП транзистора

9-я фотолитография. Формирование контакта 81* (затворы, эмиттер, резисторы и т.д.) Создание 51*-контакта к р*-базе.

10-я фотолитография. Формирование резисторов

11-я фотолитография. //-подлегирование. Формирование контакта к базе и карману.

12-я фотолитография. л*-подлегирование

13-я фотолитография. Формирование п* стока/истока

14-я фотолитография. «Контактное окно»

15-я фотолитография. «Металл 1»

16-я фотолитография. «Переходное окно»

17-я фотолитография. «Металл 2»

18-я фотолитография. «Пассивация»

Рис. 3.3. Технологический маршрут изготовления СБИС КПКД

В разделе 3.3 представлены разработанные автором конструкции детекторов для медицинского и промышленного назначения.

В разделе 3.3.1 представлена конструкция квантового пиксельного координатного детектора релятивистских частиц для приборов ядерной физики -коллайдеров (рис. 3.4). Данная конструкция детектора позволяет достигнуть следующих характеристик: входной эквивалентный шум <1 рентгеновского кванта с энергией 5 кэВ, координатная точность 25 мкм, время считывания сигнала 25 не.

ил г ил р

«102.150 нм+51'-(50 н,1+250 нн+Ч10,-15 ям

Рис. 3.4. Структура детектора для регистрации релятивистских частиц

На рис. 3.5 показана топология пиксельной матрицы КПКД, а на рис. 3.6 топология чипа СБИС КПКД.

Рис. 3.5. Топология пиксельной матрицы Рис. 3.6. Топология чипа СБИС КПКД квантового пиксельного координатного

детектора: а - одноэмиттерная матрица с шагом между

пикселями 200 мкм; б - одноэмиттерная матрица с шагом между пикселями 100 мкм; в - одноэмиттерная матрица с шагом между пикселями 50 мкм; г - двухэмитгерная матрица с шагом между пикселями 50 мкм

В разделе 3.3.1 также представлен квантовый пиксельный координатный

детектор для рентгеновских панелей медицинского назначения (маммография).

Из проведенного в главе 2 диссертации анализа следует, что 80 %

рентгеновского излучения с энергией 20 кэВ, применяемой в маммографии,

поглощаются в кремнии на глубине ~ 2 мм.

В связи с этим для маммографии необходимо построение мозаичной

«многослойной» (трехслойной) рентгеновской панели из матриц пиксельных 20

координатных детекторов, симметрично смещенных относительно друг друга на половину их длины для исключения влияния «мертвых» зон (рис. 3.7).

Дополнительным преимуществом такой рентгеновской панели является возможность получения для биологических объектов одновременного изображения рентгеновского и тепловых полей (см. рис. 3.7).

В разделе 3.3.2 представлены аналоговые детекторы со сцинтиллятором для рентгеновских панелей, применяемых для флюорографии.

Данная конструкция детектора позволяет достигнуть следующих характеристик: входной эквивалентный шум <5 рентгеновских квантов с энергией 5 кэВ, координатная точность 50 мкм, время считывания сигнала 2 мс.

В разделе 3.3.3 представлены конструкции квантово-цифровых детекторов, которые могут быть использованы для медицинского и промышленного применения.

Особенностью данного детектора является разделение в пределах пиксели регистрирующей и обрабатывающих частей, что существенно усложняет конструкцию чипа детектора. Однако такой детектор способен работать при высокой мощности излучения Рх > 1012 квант/с см2 и позволяет иметь высокие технические характеристики (входной эквивалентный шум < 1 рентгеновского кванта с энергией 1 кэВ, координатная точность 50 мкм, разрядность данных 20 бит, время считывания информации со всей матрицы < 2 мс).

Выводы по главе 3

Рассчитаны оптимальные диффузионные профили транзисторных функционально-интегрированных пиксельных структур.

Применен типовой «п-МОП» маршрут для изготовления СБИС квантового пиксельного координатного детектора. Показано, что п-МОП технология позволяет реализовать квантовые пиксельные координатные детекторы СБИС для глубоко проникающих излучений (релятивистских электронов, рентгеновских квантов и т.д.), в частности, для применения в рентгеновских панелях медицинского назначения и в приборах ядерной физики.

Разработанная автором конструкция КПКД позволяет получить одновременно совмещенное тепловое и рентгеновское изображение исследуемых биологических объектов.

В главе 4 представлена архитектура и схемотехника пиксельных детекторов радиационных частиц и излучений.

В разделе 4.1 представлена разработанная автором архитектура и схемотехника квантового пиксельного координатного детектора.

Показано, что для квантовых пиксельных координатных детекторов оптимальны две архитектуры (блок-схемы) построения: «быстрая» и «медленная», показанные на рис. 4.1 и 4.2 соответственно.

Принцип действия «быстрого» квантового пиксельного координатного детектора основан на измерении сигнала только в доминирующей пикселе детектора.

В диссертации показано, что быстродействующий квантовый детектор позволяет получить выходной сигнал с временным разрешением до 25 не. Однако аналоговый сигнал такого детектора не дает возможности точного измерения в случае прохождения ионизирующей частицы под большим углом к детектору, «приводящему» к размытию сигнала на несколько пикселей.

В «медленном» квантовом координатном детекторе данный недостаток устраняется за счет запоминания сигналов строк-столбцов и последовательного их опроса.

Общим недостатком таких квантовых координатных детекторов является

8 1

возможность работы при мощности потока излучения Рх < 10 квант/с-см , что существенно ограничивает их область применения «малодозовыми» задачами.

>3 <а

\т

< £

тг

или

Л V

IV; е

Формнровнтель

ИМПУЛЬСОВ

Формирователь нмпу.чьсоа

ЧУ

Аналоговый сигнал с строк

Шифратор столбцов

ЧУ

Код адресного столбца

Рис. 4.1. Архитектура «быстрого» квантового координатного детектора

О Аналоговый сигнал с строк

! Дешифратор столбцов I Счетчик

Аналоговый гнал с столбцов

А-

столбцов

Рис. 4.2. Архитектура «медленного» квантового координатного детектора

В разделе 4.2 представлена архитектура и схемотехника, разработанного аналогового детектора.

Принцип действия аналогового детектора (рис. 4.3) основан на накоплении в конденсаторах пикселей информационного заряда, создаваемого потоком радиационных частиц. Такой детектор способен работать при любой интенсивности излучения. Однако существенным недостатком является наличие ошибки, связанной с оцифровкой аналогового сигнала и различением в спектре радиационных частиц.

В разделе 4.3 представлена архитектура и схемотехника, разработанного квантово-цифрового детектора.

Принцип действия квантово-цифрового детектора (см. рис. 4.4) основан на запоминании количества радиационных частиц в цифровой памяти пикселей матрицы детектора и последовательном их опросе после (или во время) облучения.

Аналоговая память Аналоговая память

+ *

Мультнплектор Мультяллсктор

ч—ц— | Дешифратор столбцов |

Количество квантов /-пиксели

и:

я х

X в § £

/т

« а 3 В

!5 < в

Счетчик столбцов

Рис. 4.3. Архитектура аналогового детектора

Рис. 4.4. Архитектура квантово-цифрового детектора

Достоинством такого детектора является максимально высокая разрешающая способность, низкий уровень шумов, большой динамический диапазон.

Недостатком является сложность изготовления и невысокое координатное разрешение.

В разделе 4.4 приведены результаты расчетов электрических схем пикселей, усилителей, счетчиков импульсов, кодеров, декодеров КПКД.

Выводы по главе 4

- рассчитаны переходные и передаточные характеристики электрических схем квантовых координатных детекторов;

- разработаны схемотехнические решения для электрических схем усилителей и формирователей импульсов от радиационных частиц;

- предложены новые архитектурные решения для квантового пиксельного координатного детектора («медленная» и «быстрая» схема);

- показано, что быстродействие квантового пиксельного координатного детектора в основном определяется постоянной времени разрядной шины (тс ~ 10 не), временем сбора носителей заряда в области пространственного заряда коллекторного перехода (тдр = 10 не) и временной задержкой усилителей считывания и формирования импульсного сигнала (тус = 5 не), т.е. (тх = 25 не).

В главе 5 представлены экспериментальные результаты и методики измерений вольт-амперных характеристик, собственных шумов и спектров излучений матриц КПКД для а, (3, у-ионизирующих излучений.

В разделе 5.1 представлены методики и результаты измерений статических параметров, таких как пробивное напряжение, темновой ток, коэффициент усиления. Измерения проводились на пластинах с помощью зондовой установки А-4Ш, а измерение высоковольтных динамических параметров - на кристаллах (чипах), собранных в корпуса на установке Л2-56 и осциллографе С1-16.

В разделе 5.2 представлены результаты измерений пробивных напряжений, темновых токов, коэффициентов усиления токов для различных типов матриц пикселей, которые представлены в табл. 5.1, из которой видно, что детектор типа А отличается минимальным током утечки (и соответственно шумами), но обладает минимальным коэффициентов усиления.

Таблица 5.1. Описание и результаты измерений опытных образцов

Тип детектора Описание £/„Р,В /г, нА Р

А Одноэмиттерная матрица. Размер мезы = 5 мкм, размер эмиттера = 1,0 мкм, ширина поликремниевого контакта = 2,5 мкм 70 37 20

В Одноэмиттерная матрица. Размер мезы =3мкм, размер эмиттера =1,0 мкм,р+-база отсутствует, ширина поликремниевого контакта = 4,0 мкм 300 20 25

С Одноэмитерная матрица с экраном. Размер мезы = 7 мкм, размер эмиттера = 1,0 мкм, экран покрывает всю площадь между мезами 200 55 50

о Одноэмитерная матрица. Меза = эмиттеру = 1 мкм, р* -база шириной 1,2-1,5 мкм выполняется на р+-охране под локосом 400 120 75

На рис 5.1 представлена зависимость коэффициента усиления (Р) от величины ионизационного тока, из которого следует равная эффективность преобразования для различных видов излучений.

100 -1

±. Я

е в ю

2 С

•е-

г» о

—о—Лазер

-«-релятивистский электрон -а- альфа частица

Т Ч. ^

Периганаяионнггаащга от лазера тг реальной частицы ("Г=3,бфКл)

Рис. 5.1. Зависимости коэффициента внутреннего усиления от величины первичной ионизации для матрицы детектора типа А (ионизация создаётся не только лазером, но и реальными частицами)

В разделе 5.3 представлены измерения спектральных характеристик, которые проводились на 1024-канальном амплитудном анализаторе по схеме измерения, представленной на рис. 5.2.

Исследование матриц при малом уровне первичной ионизации проверялось для релятивистских электронов от Р-источника. При этом использовался препарат Бг90 с максимальной энергией электронов 1,7 МэВ (после перехода Бг90—>У90). 26

Чтобы выбрать квазирелятивистские электроны с энергией > 1 МэВ из непрерывного спектра (3- источника, использовалась схема, представленная на рис. 5.2. Для эффективной работы такой схемы размер исследуемой матрицы выбирался достаточно большим, чтобы темп реальных совпадений значительно превышал темп шумовых срабатываний в нижнем датчике. Для этого все пиксели

от ß-источника

Для исследования были выбраны матрицы детекторов типа А, В, С (см. табл. 5.1).

На рис. 5.3 (кривая 2) представлено распределение амплитуд сигналов от ос-частиц и238 для одной из транзисторных матриц, нормированное на величину среднего значения. Здесь же (кривая 7) представлен спектр а-частиц, измеренный в диодном детекторе (без усиления). И третий спектр, также для транзисторной матрицы, - распределение амплитуд от лазера, имитирующего а-частицы.

Для имитации а-частиц лазером отношение сигнал/шум (средняя амплитуда сигнала к с.к.о. амплитудного спектра) (S/N)3 = 78 (рис. 5.3, кривая 3). Это лучше, чем отношение сигнал/шум для реальных а-частиц в диодном детекторе -(S/N)j = 26 (рис. 5.3, кривая 1). Такой результат ожидаем, так как ширины этих распределений определяются, в основном, шумом считывающей электроники. В нашем случае размер диодного детектора 150 мм2, а размер пиксельной матрицы

36 мм2, и нужно ожидать, что амплитудный спектр транзисторной матрицы будет уже, чем диодного детектора.

0,70 0,90 1,10 1,30

Норыальлшованиая амплитуда сигнала, усл.ед.

Рис. 5.3. Амплитудные спектры а-частиц 2381Г: 1 - в диодном детекторе (средняя амплитуда сигнала А1 = 52 мВ, с.к.о. = 2 мВ); 2 - в транзисторной матрице при срабатывании разных пикселей (А2 = 1530 мВ, с.к.о. = 96 мВ); 3- в той же матрице, но при срабатывании всегда одного и того же пикселя, при засветке лазером с уровнем ионизации, аналогичным а-частице (АЗ = 1480 мВ, с.к.о. = 19 мВ).

Однако при облучении транзисторной матрицы реальными а-частицами оказалось, что спектр транзисторной матрицы (рис. 5.3, кривая 2) шире спектра в диодном детекторе (рис. 5.3, кривая 1). Причиной этого является неоднородность усиления в пикселях одной матрицы, так как реальные а-частицы попадают в разные пиксели, объединённые на общий выход, в то время как лазер светит только в один пикселей.

На рис. 5.4 показан спектр а-частиц для матриц с шагом 25 мкм, из которого видна возможность получения высококачественных спектров с разрешением до 8 %.

На рис. 5.5 показан спектр «Ландау» электронов от источников 207В1 (средняя энергия в спектре Ее= 1 МэВ), асимметрия которого связана с различием во взаимодействии с релятивистскими и нерелятивистскими электронами.

1000 2000 Ампшплда сигнала, в 01четах а цл. Рис. 5.4. Спектр для а-частиц от источника 239Ри с энергией 5,15 МэВ

400 600 800 1000

Амгапггуда сигнала, в отчетах а.ц.п.

Рис. 5.5. Спектр электронов от источников 90Sr + 90Y

На рис. 5.6 показаны смещения электронных спектров от уровня инжекции тока базы. Видно, что дополнительная инжекция тока базы приводит к увеличению коэффициента усиления пикселей (за счет увеличения уровня инжекции и соответственно плотности тока). Однако при этом происходит размытие спектральных характеристик пикселей детектора.

В разделе 5.4 представлены результаты исследования радиационной стойкости матриц квантового координатного детектора к потоку электронов.

При длительном облучении структур наблюдается деградация матриц детекторов, заключающаяся в ухудшении разрешения и падении коэффициента усиления пикселей, а затем спектр электронов полностью размывается. Низкая радиационная стойкость объясняется тем, что использованный высокоомный

материал чрезвычайно чувствителен к радиационным дефектам, создаваемыми электронами (рис. 5.7).

Амплитуда сигнала, в отчетах а.ц.л. Рис. 5.6. Смещения электронных спектров от уровня инжекции тока базы

О.ООЕ+ОО 5.00Е+12 1.00Е+13 1.50Е+13

Ф, эл./см2

Рис. 5.7. Зависимость коэффициента усиления от дозы потока электронов

В разделе 5.5 представлены результаты исследования двухкоординатной матрицы квантового пиксельного координатного детектора, из которого следует возможность детектирования радиационных частиц с координатной точностью не хуже 25 мкм.

Выводы по главе 5

Проведенные экспериментальные исследования показали, что:

- в процессе исследований показана возможность применения функционально интегрированных биполярных структур с сетчатой базой в качестве пикселей матриц квантового координатного детектора радиационных частиц;

- матрицы квантового пиксельного координатного детектора обеспечивают детектирование радиационного а, р, у-излучения со спектральным разрешением не хуже 5 кэВ с координатным разрешением не хуже 25 мкм, при этом шум самого детектора практически не наблюдается;

- коэффициент усиления ионизационных токов, создаваемых релятивистскими электронами и а-частицами достигает величины р = 40-50, при площади базовой и эмитгтерной области Э6 = 2 мкм2 и 8Э = 0,64 мкм2 соответственно.

Заключение

Исследованы новые тенденции и направления в области конструирования полупроводниковых детекторов радиационных частиц и излучений. Приведена классификация существующих типов детекторов.

Показано, что наиболее перспективным направлением является создание координатных аналоговых и цифровых детекторов, разработанных на основе матриц функционально-интегрированных структур.

В работе исследованы физические процессы, происходящие в пикселях матриц детектора, и проведено компьютерное моделирование их характеристик.

Разработаны технологические маршруты изготовления квантовых пиксельных координатных детекторов.

Разработана архитектура и схемотехника квантовых координатных аналоговых и цифровых детекторов на основе функционально-интегрированных структур.

Изготовлены опытные образцы КПКД СБИС.

Проведены исследования лабораторных образцов квантовых пиксельных координатных детекторов СБИС, которые показали их высокую эффективность

при детектировании радиационных излучений, т.е. координатное разрешение не хуже 25 мкм, временное до 25 не и спектральное до 5 кэВ.

Предложены новые конструкции для плоских панелей на основе квантово-цифровых координатных детекторов для их применения в медицине (маммография), ядерной физике (коллайдеры), таможенном контроле и т.д.

Научно-техническая значимость подтверждена созданием опытных образцов квантового пиксельного координатного детектора СБИС на предприятии ОАО «НИИМЭ и Микрон», испытанием и исследованием детекторов в НИИЯФ МГУ им. Д.В. Скобельцына, ФИАН, ФГУП «НИИП» при анализе спектров и потоков излучений электронов, у-квантов, и а-частиц.

Публикации по теме диссертации

Основные положения диссертационной работы, а также научные и практические результаты изложены в следующих публикациях:

1. Леготин С.А., Мурашев В.Н., Приходько П.С., Пиксельный квантовый координатный детектор с внутренним усилением // Международная научно-техническая конференция. Микроэлектроника и наноинженерия-2008. Тезисы докладов, 2008, с.160-161

2. А.Р. Chubenko, D.E. Karmanov, S.A.Legotin, R.A. Mukhamedshin, and V.N. Murashev, Silicon bipolar-pixel coordinate detector with internal amplification // Nuclear Physics В (Proc. Suppl.), 196 (2009) pp. 466-469.

3. Леготин C.A., Волков Д.Л., Мурашев B.H, Пиксельный квантовый координатный детектор // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология, учебный процесс): Материалы докладов научно-методического семинара М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ, 2009, с. 215-220.

4. Мурашев В.Н., Волков Д.Л., Леготин С.А., Орлова М.Н., Полупроводниковые радиационно-чувствительные детекторы на основе функционально интегрированных структур // Известия ВУЗов. Материалы электронной техники, 2009, № 3, с. 47-51.

5. D. L Volkov, D. Е. Karmanov, V. N. Murashev, S. A. Legotin, R. A. Mukhamedshin, and A. P. Chubenko, A New Position-Sensitive Silicon Pixel Detector

Based on Bipolar Transistors // INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES, 2009, No. 52, pp. 655-664

6. Леготин C.A., Волков Д.Л., Мурашев B.H., Двухкоординатная интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой // 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Микроэлектроника и информатика - 2009. Тезисы докладов с. 88.

7. V. N. Murashev, S. A. Legotin, О. М. Orlov, A. S. Korol'chenko, and P. А. Ivshin, A silicon position-sensitive detector of charged particles and radiations on the basis of functionally integrated structures with nano-micron active regions // INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES, 2010, No. 53, 657-662.

8. Мурашев B.H., Леготин C.A., Диденко С.И., Кобелева С.П., Волков Д.Л., Коновалов М.П., Корольченко А.С., Орлов О.М., Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой // Положительное решение о выдачи патента по заявке № 2010113592 от 27.10.2010 г.

9. Мурашев В.Н., Леготин С.А., Динамическое последовательное функциональное устройство // Патент на изобретение № 2392672 от 20.06.2010 г.

10. Леготин С.А., Функционально-интегрированная ячейка детектора радиационных частиц и излучений на основе транзистора с сетчатой базой // IV международная конференция «Кристаллофизика XXI века» посвященная памяти М.П. Шаскольской. НКРК- 2010, Москва, ИК РАН, 2010, с. 312-313.

11. Мурашев В.Н., Леготин С.А., Юрчук С.Ю., Координатный полупроводниковый детектор рентгеновского излучения на основе пиксельных матриц // Датчики и системы, 2011, №1, с. 31-36.

Формат 60 х 90'Лб Тираж 110 экз. Объем2п.л. Заказ 2988

Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии Издательского Дома МИСиС, 119049, Москва, Ленинский пр-т, 4 Тел. (499) 236-76-17, тел./факс (499) 236-76-35

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Леготин, Сергей Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ РАДИАЦИОННЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

1.1. Квантовые координатные детекторы.

1.1.1. Монолитные координатные детекторы.

1.1.1.1. Стриповый (полосковый) детектор.

1.1.1.2. Полупроводниковая дрейфовая камера.

1.1.2. Квантовые пиксельные координатные детекторы.

1.1.2.1. Детекторы с внутренним усилением.

1.2. Аналоговые детекторы.

1.2.1. Структуры на аморфном кремнии.

1.2.2. Аналоговые детекторы на приборах с зарядовой связью.

1.2.3. Аналоговый детектор на основе КМОП-ФД.!.

1.2.4. Аналоговый детектор на основе Би-МОП-ФД.

1.3. Квантово-цифровые пиксельные детекторы.

1.3.1. Квантово-цифровые гибридные пиксельные детекторы.

1.3.1.1. Гибридный детектор с чередующимися пикселями.

1.3.1.2. Трехмерные квантово-цифровые пиксельные детекторы.

1.3.2. Монолитные квантово-цифровые пиксельные детекторы.

1.3.2.1. Монолитные пиксели на обедненном кремнии.

1.3.2.2. Монолитный КМОП пиксельный детектор.

1.3.2.3. Монолитный квантово-цифровой КНИ детектор.

1.3.2.4. Монолитный квантово-цифровой пиксельный детектор на аморфном кремнии.

1.3.2.5. Монолитный квантово-цифровой пиксельный детектор на БЕРРЕТ-структуре.

Резюме.

Выводы по главе 1.

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ИОНИЗАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПИКСЕЛЯХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ И ИХ КОМПЬЮТЕРНОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ.

2.1. Физические модели взаимодействия радиационных частиц с кремнием.

2.1.1. Взаимодействие а-частиц с кремнием.

2.1.2. Взаимодействие электронов и позитронов с кремнием.

2.1.3. Взаимодействие рентгеновского и у-излучений с кремнием.

2.2. Физическая модель ионизационных процессов в пикселях полупроводниковых детекторов.

2.3. Физические особенности работы функционально-интегрированных пикселей для детекторов квантового, аналогового и цифрового типов.

2.4. Компьютерное моделирование динамики работы Би-МОП пиксели.

Выводы по главе 2.

Глава 3. КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС КПКД.

3.1. Компьютерное моделирование диффузионных профилей пиксельных структур.

3.2. Технологический маршрут изготовления матриц квантовых координатных детекторов.

3.3. Технологические маршруты изготовления кристаллов чипов детектора СБИС.

3.4. Описание топологии СБИС КПКД.

3.5. Конструкции детекторов для медицинского и промышленного назначения.

Выводы по главе 3.

Глава 4. АРХИТЕКТУРА И СХЕМОТЕХНИКА ПИКСЕЛЬНЫХ ДЕТЕКТОРОВ РАДИАЦИОННЫХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ.

4.1. Архитектура и схемотехника квантового координатного детектора

4.2. Архитектура и схемотехника аналогового детектора.

4.3. Архитектура и схемотехника квантово-цифрового детектора.

4.4. Электрическая принципиальная схема квантового пиксельного координатного детектора. Описание и принцип работы.

4.5. Быстродействие, временное разрешение полупроводниковых детекторов.

4.5.1. Быстродействие, временное разрешение квантового координатного детектора.

4.5.2. Быстродействие, временное разрешение аналогового детектора.

4.5.3. Быстродействие, временное разрешение квантово-цифрового детектора.

Выводы по главе 4.

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

5.1. Методики измерения основных характеристик детекторов.

5.1.1. Методика измерений статических характеристик.

5.1.2. Напряжение обеднения и токи утечки при рабочем напряжении.

5.1.3. Время сбора ионизационного заряда и быстродействие.

5.2. Результаты измерений статических характеристик.

5.2.1. Коэффициент внутреннего усиления.

5.2.2. Оценка влияния постоянного тока утечки коллектора на усиление сигналов в биполярных пикселях детектора.

5.3. Экспериментальные результаты по детектированию радиационных частиц.

5.3.1. Детектирование сс-частиц.

5.3.2. Детектирование (3-частиц.

5.3.3. Детектирование у-частиц.

5.4. Исследование радиационной стойкости КПКД к потоку электронов.

5.5. Двухкоординатная матрица.

Выводы по главе 5.

Введение 2011 год, диссертация по электронике, Леготин, Сергей Александрович

Регистрация, различного типа излучений от видимого света до частиц высоких энергий и формирование видеоизображений внутреннего строения физических объектов являются важнейшей частью широкого круга научных, технических и прикладных задач таких областей науки и техники, как физика элементарных частиц и астрофизика, ядерная физика и промышленная диагностика, таможенный контроль, системы безопасности и т.д. И' это далеко не полный перечень приложений с использованием полупроводниковых детекторов излучений. При этом в последние годы наметились новые практические важные области применения, в частности, в медицинских рентгеновских панелях, ПЭТ-томографии, электронной и рентгеновской дефектоскопии и т.д.

Внедрение детекторов в эти области требует радикального улучшения качества регистрации радиационных частиц и излучений и определяется, целым комплексом электрофизических параметров детектора, таких как координатное и временное разрешение, динамический диапазон, спектральная чувствительность, радиационная стойкость и т.д. При этом особо важным представляется направление получения «чисто» цифровых видеоизображений, полученных путем регистрации отдельных квантов излучения.

Полупроводниковые детекторы хорошо известны почти 50 лет и широко применяются в ядерной физике. При этом наибольшее распространение получили полосковые (стриповые) координатные детекторы, которые, по сути, являются простейшими монолитными полупроводниковыми приборами на основе р-1-п диодов. Однако при их применении требуется использование специальной внешней электроники.

При этом отсутствие усилительных свойств в р-1-п диодах стриповых детекторов резко ограничивает их быстродействие и возможность одновременного измерения 2-х (3-х) координат, а наличие специальной электроники, подсоединяемой к каждой строке и столбцу, делает такие детекторы весьма громоздкими и дорогими.

Однако данной технологии присущ ряд недостатков, среди которых основными являются высокая стоимость и сложность изготовления детекторов, так как необходимо комплектовать в одной рентгеновской панели около 2 тыс. мегапиксельных чипов, при этом надо обеспечить прямое соединение миллионов пикселей (содержащих сотни транзисторов) регистрирующего и считывающего чипов. А дальнейшее повышение качества изображения за счет уменьшения размеров пикселей ведет к резкому усложнению конструкции детектора и надежности работы всего устройства.

Поэтому основным направлением работ при выполнении диссертации стало проведение поисковых исследований по выбору архитектуры СБИС, конструкции и технологии изготовления СБИС квантового пиксельного координатного детектора на основе функционально-интегрированных (ФИ) структур с координатной точностью не хуже 25 мкм, быстродействием до 25 не и чувствительностью не хуже 5 кэВ.

Проведенный анализ показал, что разработка нового типа квантового координатного детектора (ККД), максимально удовлетворяющего новым требованиям по качеству изображения, является актуальной задачей для отечественной промышленности и микро- и наноэлектроники в целом.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнение следующих этапов работы:

- классификация и анализ конструкций известных типов полупроводниковых детекторов;

- определение оптимальных вариантов и разработка новых конструкций пиксельных элементов матриц СБИС КПКД;

- разработка схемотехники и базовой технологии изготовления кристалла детектора СБИС;

- разработка топологии кристалла СБИС КПКД.

Научная новизна работы

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

2. Разработана оригинальная базовая технология изготовления СБИС КПКД.

5. Проведен комплекс экспериментальных исследований в НИИЯФ МГУ им. Д.В. Скобельцына, ФИАН, ФГУП «НИИП», подтвердивший, что разработанные детекторы имеют уникальные характеристик по быстродействию (Увыб < 25 не) и координатной точности (Ах = Ду < 25 мкм).

Автор защищает:

3. Архитектура и конструкция СБИС квантового пиксельного координатного детектора.

Заключение диссертация на тему "Разработка СБИС квантового пиксельного координатного детектора радиационных частиц на основе функционально-интегрированных биполярных структур"

Выводы по главе 5

Проведенные экспериментальные исследования показали, что:

-матрицы квантового пиксельного координатного детектора обеспечивают детектирование радиационного а, р, у-излучения со спектральным разрешением не хуже 5 кэВ, с координатным разрешением не хуже 25 мкм, при этом шум самого детектора практически не наблюдается;

- коэффициент усиления ионизационных токов, создаваемых релятивистскими электронами и а-частицами, достигает величины р = 40-50 при

2 2 площади базовой и эмитттерной области = 2 мкм и 5Э = 0,64 мкм соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны технологические маршруты изготовления квантовых пиксельных координатных детекторов.

Изготовлены опытные образцы КПКД СБИС.

Проведены исследования лабораторных образцов квантовых пиксельных координатных детекторов СБИС, которые показали их высокую эффективность при детектировании радиационных излучений, т.е. координатное разрешение не хуже 25 мкм, временное - до 25 не и спектральное - до 5 кэВ.

Библиография Леготин, Сергей Александрович, диссертация по теме Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах

1. Heijne, Е.Н.М., Hubbeling, L. (1980) et al.: «А silicon surface barrier microstrip detector designed for high energy physics» Nucl. 1.str. and Meth. 178 (1980) 331-341.

2. Belau, E., Klanner, R. (1983a) et al.: «Charge collection in silicon strip detectors» Nucl. Instr. and Meth. 214 (1983) 253-260.

3. Buttler, W., Lutz, G. (1988) et al.: «Low-noise, low power monolithic multiplexing readout electronics for silicon strip detectors» Nucl. Instr. and Meth. A273 (1988)778-783.

4. R. Horisberger, «Solid State Detectors, Lectures given at the III ICFA School on Instrumentation in Elementary Paiticles Physics», Rio de Janeiro, July 1990, and PSI-PR-91-38 (1991).

5. S.P. Beaumont et al., «Gallium Arsenide Microstrip Detectors for Charged Paiticles», NIM A 321 (1992) 172.

6. Particle Detectors for Particle Physics, NIM A 322 (1992).

7. C. del Papa, P.G. Pelfer & K. Smith (eds.), «GaAs Detectors and Electronics for High Energy Physics», World Scientific, Singapore 1992.

8. S.P. Beaumont et al., GaAs Solid State Detectors for Physics at the LHC, IEEE Trans. Nucl. Set. 40, No.4 (1993) 1225.

9. Gatti, E. and Rehak, P. (1984a): «Semiconductor Drift Chamber An Application of a Novel Charge Transport Scheme» Nucl. Instr. and Meth. 225 (1984) 608-614.

10. Gatti, E., Rehak, P. (1984b) et al.: «Silicon Drift Chambers First results and optimum processing of signals» Nucl. Instr. and Meth. 226 (1984) 129-141.

11. Gatti, E., Rehak, P. (1985) et al.: «Semiconductor Drift Chambers» IEEE Trans.Nucl.Sci. 32 (1985) 1204-1208.

12. Kemmer, J., Lutz, G. (1987) et al.: «Low capacitive drift diode» Nucl. Instr. & Meth. A253 (1987) 378-381.

13. Radeka, V., Rehak, P. (1989) et al.: «Implanted silicon JFET on completely depleted high resistivity devices» IEEE Electron device letters 10 (1989) 91-95.

14. Pinotti, E., Brauninger, H. (1993) et al: «The pn-CCD on-chip electronics» Nucl. Instr. and Meth. A326 (1993) 85-91.

15. Radeka, Y., Reliak, P. (1989) et al.: «Implanted silicon JFET on completely depleted high resistivity devices» IEEE Electron device letters 10 (1989) 91-95.

16. Kemmer, J., Lutz, G. (1987) et al.: «Low capacitive drift diode» Nucl. Instr. & Meth. A253 (1987) 378-381.

17. Kemmer, J., Lutz, G. (1990) et al.: «Experimental confirmation of a new semiconductor detector principle» Nucl. Instr. & Meth. A288 (1990) 92-98.

18. Kemmer, J. and Lutz, G.: «New structures for position sensitive semiconductor detectors» Nucl. Instr. & Meth. A273 (1988) 588-598.

19. Street, R.A.; Ready, S.E. Rahn and others, «High resolution, direct detection x-ray imagers» // Medical Imaging 2000: Physics of Medical Imaging. 2000 February 13-15; San Diego; CA. In Proceedings of the SPIE. -2000. - 3977. - P. 418-428.

20. M. Moszynski et al. «Avalanche photodiodes in scintillation detection // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research», A497, 2003. P. 226-233.

21. Struder, L., Brauninger, H. (1990) et al: «The MPI/AIT x-ray imager (MAXI) -high speed pn-CCDs for x-ray detection» Nucl. Instr. and Meth. A288 (1990) 227-235.

22. Скрылев П.А. «Разработка и моделирование элементов фото- и рентгеночувствительных БИС» Кандидатская диссертация, Москва 2003.

23. Мурашев В. Н., «Интегральная Би-МОП ячейка детектора излучений» Патент РФ № 2383968 от 20 марта 2006 г.

24. О. Ehrmann: Private communication, Berlin, 2004.

25. M.N.T. Volpert, M. Fendler, F. Marion, L. Mathieu, J.-M. Debono, et al: «Ultra fine pitch hybridization of large imaging detectors». In: 2003 IEEE Nuclear Science Symposium, Portland, USA, Oct 2003.

26. E.H.M. Heijne, L. Hubbeling: Nucl. Instrum. Methods 178, 331-341 (1980).

27. J. Kemmer, G. Lutz: Nucl. Instrum. Methods A 273, 588-598 (1988).

28. W. Kucewicz et al: Acta Phys. Pol. В 30, 2075-2083 (1999).

29. M. Amati et al: Nucl. Instrum. Methods A 511, 265-270 (2003).

30. S. Parker, C. Kenney, J. Segal: Nucl. Instrum. Methods A 395, 328-343 (1997).

31. E.M. Westbrook: «Pixels and proteins: better detectors for biological crystallography». In: IEEE Trans. Nucl. Sci. Portland, USA, Oct 2003.

32. C. J. Kenney, S. Parker, J. Segal, C. Storment: IEEE Trans. Nucl. Sei. 48(4), 1999, 1224-1236.

33. C.J. Kenney, S. Parker, E.Walckiers: IEEE Trans. Nucl. Sei. 48(6), 2001, 2405-2409.

34. S. Parker, CJ. Kenney: IEEE Trans. Nucl. Sei. 48(5), 1629-1638 (2001).

35. W. Dulinski et al: «CMOS monolithic active pixel sensors for high resolution particle tracking and ionizing radiation imaging». In: Proc. Frontier Detectors for Frontier Physics 2003, Elba, May 2003.

36. R.-D. Heuer, R. Settles T. Behnke, S. Bertolucci (eds): TESLA Technical Design Report. DESY-01-011, vol IV (2001).

37. W. Snoeys, J. Plummer, S. Parker, C.J. Kenney: IEEE Trans. Nucl. Sei. 39, 1263-1269 (1992).

38. W. Snoeys et al: Nucl. Instrum. Methods A 326, 144-149 (1993).

39. C.J. Kenney et al: Nucl. Instrum. Methods A 342, 59-77 (1994).

40. B. Dierickx, G. Meynants, D. Scheffer: Near 100% fill factor CMOS active pixel. In Proc. IEEE CDD&A1S Workshop, Brugge, Belgium, June 1997.

41. G. Meynants, B. Dierickx, D. Scheffer: Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. (USA), 3410, 68-76(1998).

42. R. Turchetta et al: Nucl. Instrum. Methods A 458, 677-689 (2001).

43. G. Claus et al: Nucl. Instrum. Methods A 473, 83-85 (2001).

44. G. Deptuch, W. Dulinski, Y. Gornushkin, C. Hu-Guo, I. Valin: Nucl. Instrum. Methods A 512, 299-309 (2003).

45. G. Deptuch et al: «Monolithic active pixel sensor with in-pixel double sampling and column-level discrimination». In: IEEE Nuclear Science Symposium, Portland, USA, Oct 2003, vol 1, pp 551-555.

46. R. Turchetta: «Monolithic active pixel sensors (MAPS) for particle physics and space science». In: Proc. VERTEX 2003, Low Wood, Lake Windermere, UK, Sept 2003.

47. H. Matis et al: IEEE Trans. Nucl. Sei. 50, 1020-1025 (2003).

48. A. Gay: «High resolution CMOS sensors for a vertex detector at the linear collider». In: Proc. Vertex 2003 Conference, Lake Windermere, UK, Sept 2003.

49. W. Dulinski et al: IEEE Trans. Nucl. Sei. 51(4, Pt 1), 1613-1618 (2004).

50. Y. Gornushkin et al: Nucl. Instrum. Methods A 513, 291-295 (2003).

51. J.J. Velthuis et al: IEEE Trans. Nucl. Sci. (2005).

52. S. Kleinfelder et al: «Novel integrated CMOS pixel structures for vertex detectors». In: IEEE Nuclear Science Symposium 2003, Portland, USA, Oct 2003, vol 1, pp 335-339.

53. J. Marczewski et al: IEEE Trans. Nucl. Sci. 51(3): 1025-1028 (2004).

54. P. Jarrón et al: Nucl. Instrum. Methods A 518, 366-372 (2004).

55. J.A. Theil et al: a-Si:H photodiode technology for advanced CMOS active pixel sensor imagers. In: 19th Int. Conf. on Amorphous Materials and Semiconductors, Nice, Aug 2001.

56. J.S. Drewery et al: Nucl. Instrum. Methods A 310, 165-170 (1991).

57. B. Equer, J.B. Chevrier: Mater. Res. Soc. 1045-1055 (1992).

58. J. Kemmer, G. Lutz: Nucl. Instrum. Methods A 253, 356-377 (1987).

59. J. Ulrici et al: Nucl. Instrum. Methods A 547, 424^136 (2005).

60. W. Neeser et al: IEEE Trans. Nucl. Sci. 47(3), 1246-1249 (2000).

61. P. Klein et al: Nucl. Instrum. Methods A 392, 254-259 (1997).

62. P. Fischer et al: Nucl. Instrum. Methods A 451, 651-656 (2000).

63. J. Ulrici et al: Nucl. Instrum. Methods A 465, 247-252 (2001).

64. N. Wermes et al: IEEE Trans. Nucl. Sci. 51(3, Pt 3), 1121-1128 (2004).

65. P. Fischer et al: «A DEPFET based pixel vertex detector at TESLA». DESY Linear Collider Note, LC-DET-2002-004 (2002).

66. M. Trimpl et al: Nucl. Instrum. Methods A 511,257-264 (2003).

67. P. Fischer, W. Neeser, M. Trimpl, J. Ulrici, N. Wermes: Nucl. Instrum. Methods A 512, 318-325 (2003).

68. L. Andricek, G. Lutz, M. Reiche, R.H. Richter: IEEE Trans. Nucl. Sci. 51 (3,pt3), 1117-1120(2004).

69. P. Holl et al: IEEE Trans. Nucl. Sci. 47(4), 1421-1425 (2000)

70. L. Struder et al: «Fully depleted, backside illuminated, spectroscopic active pixel sensors from the infrared to X-rays». In: SPIE Int. Soc. Opt. Eng., Munich, July 2000, vol 4012, pp 200-217.

71. P. Holl et al: Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. (USA), 4851, 770-778 (2003)

72. W. Neeser et al: Nucl. Instrum. Methods A 477, 129-136 (2002).

73. P. Klein et al: Nucl. Instrum. Methods A 454, 152-157 (2000).

74. T. Conka-Nurdan et al: IEEE Trans. Nucl. Sei. 49(3, Pt 1), 817-821 (2002).

75. L. Andricek: «Radiation hardness of DEPFET detectors». Presented at the 2005 International Linear Collider Workshop, Stanford, March 18-25,2005.

76. Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин. «Частицы и ядра. Эксперимент», М.: Издательство МГУ, 2005.

77. Кудряшов Ю.Б. Радиационная биофизика (ионизирующее излучение) / Под ред. В.К. Мазурика, М.Ф. Ломанова М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 448 с.

78. J.C. Dainty, R. Shaw: Image Science (Academic, London, 1974).

79. Горбачев B.B, Спицына Л.Г Физика полупроводников и металлов, Изд.2-е, перераб. и доп. М.: «Металлургия», 1982 - 336 с.

80. Rossi, L., Fischer, Р., Rohe, T., and Wermes, N., «Pixel Detectors From Fundamentals to Applications», Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2006.

81. Y. Araia, M. et al: «Development of a CMOS SOI Pixel Detector». SLAC-PUB-13374, 2008.

82. M. Amati, M. et al: «Hybrid active pixel sensors and SOI inspired option», Nucl. Instrum. Meth., vol. A 511, pp. 265-270, 2003.

83. J. Marczewski, K. et al: «SOI active pixel detectors of ionizing radiation -Technology and design development», IEEE Trans. Nucl. Sei., vol. 51, June 2004.

84. Lutz, G., Semiconductor Radiation Detectors. Device Physics, BerlinHeidelberg: Springer, 1999.

85. A.P. Chubenko, D.E. Karmanov, S.A.Legotin, R.A. Mukhamedshin, and V.N. Murashev, «Silicon bipolar-pixel coordinate detector with internal amplification» // Nuclear Physics В (Proc. Suppl.), 196 (2009) pp. 466-469.

86. Мурашев В.H., Волков Д.Л., Леготин С.А., Орлова М.Н., «Полупроводниковые радиационно-чувствительные детекторы на основе функционально интегрированных структур» // Известия ВУЗов. Материалы электронной техники, 2009, № 3, с. 47-51.

87. D. L Volkov, D. Е. Karmanov, V. N. Murashev, S. A. Legotin, R. A. Mukhamedshin, and A. P. Chubenko, «A New Position-Sensitive Silicon Pixel Detector Based on Bipolar Transistors» // INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES, 2009, No. 52, pp. 655-664.

88. Мурашев B.H., Леготин C.A., Юрчук С.Ю., «Координатный полупроводниковый детектор рентгеновского излучения на основе пиксельных матриц» // Датчики и системы, 2011, №1, с. 31-36.

89. Adams, J., Ampe, J., Bashindzhagyan, G., et al., Proc. XXVIICRC, Salt Lake City, 1999, p. 43.V

Похожие работы

Электроника
05.27.00