√лавна€ > —татьи > ‘отодиоды

√лавное меню

‘отодиоды

јнотац≥€.
ѕроведен≥ досл≥дженн€ pin - фотод≥од≥в на основ≥ високоомного кремн≥ю та -, рентген≥вських детектор≥в сцинтил€тор-фотод≥од. ѕредставлен≥ результати розробки конструкц≥њ та технолог≥њ виготовленн€ кремн≥Ївих pin - фотод≥од≥в дл€ сцинтиелектронних детектор≥в, розгл€нут≥ њх електроф≥зичн≥ ≥ оптичн≥ параметри. Ќаведен≥ спектрометричн≥ характеристики -, рентген≥вських детектор≥в сцинтил€тор-фотод≥од. –озроблен≥ методи контролю технолог≥њ виготовленн€ кремн≥Ївих pin - фотод≥од≥в та оц≥нки њх €кост≥ з допомогою електроф≥зичних ≥ оптичних характеристик та спектр≥в пр€моњ реЇстрац≥њ низькоенергетичного -, рентген≥вського випром≥нюванн€.

јннотаци€.
ѕроведены исследовани€ p≥n - фотодиодов на основе высокоомного кремни€ и -, рентгеновских детекторов сцинтилл€тор-фотодиод. ѕредставлены результаты разработки конструкции и технологии изготовлени€ кремниевых p≥n - фотодиодов дл€ сцинтиэлектронных детекторов, рассмотрены их электрофизические и оптические параметры. ѕриведены спектрометрические характеристики -, рентгеновских детекторов сцинтилл€тор-фотодиод. –азработаны методы контрол€ технологии изготовлени€ кремниевых p≥n - фотодиодов и оценки их качества с помощью электрофизических и оптических характеристик и спектров пр€мой регистрации низкоэнергетического -, рентгеновского излучени€.

Annotation.
The researches of p≥n - photo diodes on the basis of high-resistance silicon and -, X-ray detectors with scintillator-photo diode are carried out. The results of development of a design and technology of manufacturing silicon p≥n - photo diodes for scintielectronic detectors are submitted, their electrophysical and optical parameters are considered. The spectrometric characteristics of the -, X-ray detectors scintillator-photo diode are given. The methods of the control of technology manufacturing of silicon p≥n - photo diodes and estimation of their quality with the help of the electrophysical and optical characteristics and spectra of direct registration low energy -, X-ray radiation are developed.

¬ступ
 ремн≥Їв≥ p≥n фотод≥оди Ї дуже перспективними дл€ використанн€ в детекторах сцинтил€тор-фотод≥од, €к≥ призначен≥ дл€ реЇстрац≥њ - ≥ рентген≥вських випром≥нювань. ƒо цих п≥р дл€ реЇстрац≥њ -, рентген≥вських випром≥нювань переважно використовуютьс€ детектори типу сцинтил€тор-фотопомножувач. ¬ останн≥й час провод€тьс€ досл≥дженн€ ≥ розробки з метою зам≥ни фотопомножувач≥в кремн≥Ївими p≥n фотод≥одами, тому одним ≥з актуальних завдань Ї створенн€ спец≥ал≥зованих кремн≥Ївих p≥n фотоприймач≥в дл€ сцинтил€торних блок≥в детектуванн€. ÷ьому питанню присв€чена велика к≥льк≥сть публ≥кац≥й [1-7]. ѕеревагами детектор≥в сцинтил€тор-фотоприймач Ї можлив≥сть м≥н≥атюризац≥њ приймально-детектуючих канал≥в прилад≥в, низька напруга живленн€, мала споживана потужн≥сть ≥ ≥нш≥.
ќднак створенню под≥бних фотоприймач≥в заважають серйозн≥ проблеми, пов'€зан≥ з надзвичайно високими вимогами до њх параметр≥в [1], [7], що зумовлено необх≥дн≥стю реЇструвати дуже слабк≥ ≥ коротк≥ спалахи люм≥несцентного випром≥нюванн€, що виникаЇ при поглинанн≥ енерг≥њ - ≥ рентген≥вських квант≥в в матер≥ал≥ сцинтил€тора. “ому розробка технолог≥њ ≥ конструкц≥њ фотоприймач≥в дл€ сцинтиелектронних детектор≥в потребуЇ проведенн€ детальних досл≥джень кремн≥Ївих p≥n структур [1], [7].
‘отоприймач дл€ сцинтил€ц≥йного детектора повинен мати велику площу (в≥д 0,1-0,2 см2 до 1-5 см2), малу Їмн≥сть (до 50 п‘/см2) [1] ≥ мал≥ зворотн≥ струми (1-5 нј/см2) при зворотн≥й напруз≥ 50-70 ¬ дл€ забезпеченн€ низьких шум≥в ≥ високу чутлив≥сть на довжин≥ хвил≥ власного випром≥нюванн€ сцинтил€тора.
“ому дл€ виготовленн≥ цих фотоприймач≥в необх≥дно використовувати надчистий кремн≥й, чист≥ технолог≥чн≥ процеси, в≥дпов≥дн≥ конструктивно-технолог≥чн≥ р≥шенн€. ќсоблив≥стю розроблюваноњ технолог≥њ Ї використанн€ технолог≥њ виготовленн€ сер≥йних кремн≥Ївих ≥нтегральних схем (≤—) [7], що дозвол€Ї одержувати в≥дтворюван≥ результати.
ƒетектори дл€ реЇстрац≥њ - ≥ рентген≥вських випром≥нювань на основ≥ оптоелектронноњ пари сцинтил€тор-фотод≥од застосовуютьс€ в дозиметр≥њ ≥ спектрометр≥њ гамма- ≥ рентген≥вських випром≥нювань [1],[2],[4],[7] в медицин≥ (томограф≥€, флюорограф≥€, цифрова рентгенограф≥€) [1], [3], [5], [7], у обладнанн≥ митного контролю транспортних засоб≥в та крупногабаритних вантаж≥в, приладах дл€ ви€вленн€ рад≥оактивних речовин) [1], [7], в дефектоскоп≥њ [1],[9], у ф≥зиц≥ високих енерг≥й (калориметр≥€ та анал≥з випром≥нювань, детектори часток - продукт≥в €дерних реакц≥й розпаду, синтезу та нуклон-нуклонних взаЇмод≥й в зустр≥чних високоенергетичних пучках) [7], в еколог≥њ (прилади контролю р≥вн€ рад≥ац≥йних забруднень речовин та навколишнього середовища) [1], у досл≥дженн≥ косм≥чного простору (телескопи високоенергетичних зар€джених часток, анал≥затори спектру косм≥чних випром≥нювань, гамма- ≥ рентген≥вськ≥ анал≥затори спектр≥в) [7], в охоронних системах, в атомн≥й енергетиц≥ (прилади контролю стану €дерних реактор≥в, контролю виробництва €дерного палива) [1], в оборонн≥й галуз≥ (прилади рад≥ац≥йного контролю, ≥нфрачервон≥ системи наведенн€ та формуванн€ зображенн€) [1], [7], [9], у машинобудуванн≥ та приладобудуванн≥ (лазерн≥ координатн≥ та опорн≥ системи, вим≥рювач≥ р≥вн€ ≥ ≥нше).

1. ‘≥зико-технолог≥чн≥ проблеми розробки p≥n фотод≥ода та детектора -, рентген≥вського випром≥нюванн€ на основ≥ оптоелектронноњ пари сцинтил€тор - p≥n фотод≥од (—÷ - ‘ƒ).
ќписан≥ вище проблеми при створенн≥ фотод≥од≥в дл€ сцинтиелектронних детектор≥в були вир≥шен≥ нами в процес≥ розробки технолог≥њ планарного p≥n фотод≥оду з ≥онно-≥мплантованим pn переходом. ‘ормуванн€ pn переходу таким методом даЇ можлив≥сть прециз≥йного регулюванн€ глибини p+-област≥, що зал€гаЇ в поверхневому шар≥ кремн≥Ївоњ п≥дкладки n-типу, а також регулюванн€ проф≥лю концентрац≥њ дом≥шок акцепторного типу в p+-област≥. ÷е в свою чергу дозвол€Ї м≥н≥м≥зувати рекомб≥нац≥йн≥ втрати фотогенерованого зар€ду електронно-д≥ркових пар в нейтральному об'Їм≥ p+-област≥, завд€ки можливост≥ формуванн€ надтонкого p+-n переходу методами ≥мплантац≥њ ≥он≥в легуючих дом≥шок [8] на в≥дм≥ну в≥д випадку формуванн€ p+-област≥ методом високотемпературноњ дифуз≥њ легуючих дом≥шок [8]. —хематичне зображенн€ кристалу кремн≥Ївого планарного p≥n фотоприймача з тонким вх≥дним в≥кном на основ≥ ≥онно-≥мплантованого pn переходу, сформованого на пластин≥ високоомного надчистого кремн≥ю зонноњ плавки показане на рис.1. ¬икористанн€ високоомного кремн≥ю дозвол€Ї сформувати pin структуру ≥ одержати фотод≥од з малою Їмн≥стю, що забезпечуЇ високу чутлив≥сть та низький р≥вень шум≥в при робот≥ pin фотод≥ода з зар€дочутливим попередн≥м п≥дсилювачем. ќсновн≥ елементи фотоприймача та њх призначенн€ зрозум≥л≥ з позначок на рис.1. ѕасивац≥€ перифер≥њ pn переходу за допомогою терм≥чного окислу кремн≥ю (dSiO2 = xxx-xxx мкм) забезпечуЇ високу стаб≥льн≥сть темнового струму фотод≥ода ≥ стаб≥льн≥сть його електричних характеристик. ƒодаткова пасивац≥€ пл≥вкою фосфоросил≥катного скла (‘——) товщиною xxx мкм забезпечуЇ захист поверхн≥ в≥д вологи, х≥м≥чних речовин та забруднень.
ќписаний pin фотоприймач використовуЇтьс€ в -детектор≥ сцинтил€тор-фотод≥од (—÷-‘ƒ) (рис. 2) дл€ реЇстрац≥њ люм≥несцентного випром≥нюванн€ сцинтил€тора. –озм≥ри фотоактивноњ площ≥ фотоприймача вибираютьс€ р≥вними розм≥рам гран≥ сцинтил€тора у площин≥ њх оптичного з'Їднанн€. ‘отоприймач з≥браний на д≥електричн≥й основ≥ ≥ маЇ електричн≥ виводи, €к≥ з'Їднуютьс€ з входом попереднього п≥дсилювача.
 онструкц≥€ детектора - випром≥нюванн€ схематично показана на рис.2. ѕри проходженн≥ -випром≥нюванн€ через матер≥ал сцинтил€тора в ньому поглинаЇтьс€ енерг≥€ -кванта ≥ при цьому виникаЇ спалах люм≥несцентного св≥тла (сцинтил€ц≥€). ‘отоприймач реЇструЇ ≥мпульсну складову спалах≥в (спектрометр≥€, томограф≥€) або ≥нтегральну ≥нтенсивн≥сть спалах≥в (дозиметр≥€, ≥нтроскоп≥€). —цинтил€тор та фотоприймач з'Їднан≥ м≥ж собою так, щоб м≥ж ними забезпечувавс€ €к≥сний оптичний зв'€зок дл€ проходженн€ люм≥несцентного св≥тла ≥з сцинтил€тора в фотоприймач та ефективноњ реЇстрац≥њ цього св≥тла фотоприймачем. ¬ - детектор≥ можуть використовуватись так≥ сцинтил€ц≥йн≥ матер≥али €к CsJ(Tl), ZnSe(Te), CdWO4, NaJ(Tl) та ≥нш≥ [1]. ¬иб≥р матер≥алу сцинтил€тора та його розм≥р≥в зумовлюЇтьс€ конкретними необх≥дними параметрами -детектора. ÷ей виб≥р залежить в≥д енерг≥њ -випром≥нюванн€, €ке потр≥бно реЇструвати, ≥нтенсивност≥ -випром≥нюванн€ та чутливост≥ фотоприймача ≥ електронного п≥дсилювача. —цинтил€тор вибираЇтьс€ з малим коеф≥ц≥Їнтом поглинанн€ власного випром≥нюванн€.

—хематичне зображенн€ кристалу кремн≥Ївого планарного p≥n фотоприймача з тонким вх≥дним в≥кном на основ≥ ≥онно-≥мплантованого pn переходу, пасивуючою пл≥вкою SiO2 по перифер≥њ pn переходу, захисною пл≥вкою  ‘—— на поверхн≥ кристалу та антив≥дбиваючим покритт€м (AR)


–ис. 1. —хематичне зображенн€ кристалу кремн≥Ївого планарного p≥n фотоприймача з тонким вх≥дним в≥кном на основ≥ ≥онно-≥мплантованого pn переходу, пасивуючою пл≥вкою SiO2 по перифер≥њ pn переходу, захисною пл≥вкою ‘—— на поверхн≥ кристалу та антив≥дбиваючим покритт€м (AR)

зображенн€ детектора сцинтил€тор - фотод≥од (—÷ - ‘ƒ)


–ис. 2. —хематичне зображенн€ детектора сцинтил€тор - фотод≥од (—÷ - ‘ƒ).
1 - високоенергетичн≥ g- кванти;
2 - сцинтил€тор;
3 - спалахи св≥тла (низькоенергетичн≥ фотони);
4 - св≥тлов≥дбиваюче покритт€;
5 - оптичний контакт сцинтил€тор - фотод≥од;
6 - pin фотод≥од;
7 - д≥електрична основа;
8 - механ≥чне з'Їднанн€ фотод≥од - основа;
9 - електричн≥ виводи фотод≥ода.
«'Їднанн€ сцинтил€тора з фотоприймачем Ї складною прециз≥йною технолог≥чною операц≥Їю ≥ зд≥йснюЇтьс€ за допомогою спец≥ального оптично прозорого компаунду, що забезпечуЇ також механ≥чне з'Їднанн€ з необх≥дними властивост€ми. ѕ≥сл€ з'Їднанн€ -детектор покриваЇтьс€ св≥тлов≥дбиваючим ≥ св≥тлозахисним покритт€м дл€ захисту в≥д зовн≥шнього (фонового) св≥тла.
ƒл€ забезпеченн€ максимальноњ спектральноњ чутливост≥ фотоприймача на довжин≥ хвил≥ люм≥несцентного випром≥нюванн€ сцинтил€тора та з метою збиранн€ максимального св≥тлового потоку в≥д сцинтил€тора, було сконструйоване просв≥тлююче покритт€ над фотоактивною областю фотоприймача. ƒл€ цього була розроблена спец≥альна програма розрахунку прозорост≥ багатошарового оптичного переходу "сцинтил€тор - перех≥дний (з'Їднувальний) матер≥ал - д≥електричн≥ захисн≥ пл≥вки над активною областю фотоприймача - кремн≥Їва основа" в залежност≥ в≥д товщини та показника заломленн€ св≥тла кожного ≥з шар≥в. ѕроведен≥ розрахунки ≥ виб≥р параметр≥в пл≥вок SiO2 ≥ Si3N4 в антив≥дбиваючих покритт€х фотоприймач≥в в детекторах з сцинтил€торами - CsJ(Tl), NaJ(Tl), ZnSe, LSO ≥ ≥ншими [10]. –езультати розрахунк≥в дозволили оптим≥зувати просв≥тлююче покритт€ дл€ пари —÷-‘ƒ. Ѕуло встановлено, що максимальну прозор≥сть покритт€ над фотоприймачем забезпечуЇ комб≥нац≥€ двох пл≥вок - окислу кремн≥ю та н≥триду кремн≥ю (SiO2 + Si3N4) [10], €к≥ широко використовуютьс€ в технолог≥њ ≤—. “овщини цих пл≥вок розраховуютьс€ за вказаною вище програмою ≥ залежать в≥д довжини хвил≥ люм≥несцентного випром≥нюванн€ сцинтил€тора.

¬исновки

1. ѕроведено анал≥з ф≥зико-технолог≥чних проблем створенн€ pin - фотод≥од≥в дл€ -, рентген≥вських детектор≥в типу сцинтил€тор-фотод≥од (—÷-‘ƒ).

2. –озроблено технолог≥ю виготовленн€ планарних pin - фотод≥од≥в на високоомному кремн≥њ з надтонкими ≥онно≥мплантованими pn переходами, з пасивац≥Їю pn переходу терм≥чним окислом кремн≥ю (SiO2) та додатковою пасивац≥Їю пл≥вкою фосфоросил≥катного скла (‘——).

3. –озроблено комплекс технолог≥чних операц≥й, що дозволив одержувати зразки pin-фотод≥од≥в з низькими зворотними темновими струмами менше 2-3 нA/см2, що дозвол€Ї забезпечити високу розд≥льну здатн≥сть (6-8%) детектор≥в —÷-‘ƒ.

4. ¬иготовлен≥ зразки pin - фотод≥од≥в з пробивними напругами переход≥в, €к≥ перевищують 100 ¬, що дозвол€Ї використовувати режим високих напруг, €кщо необх≥дно дос€гти м≥н≥мальноњ Їмност≥ фотод≥оду.

5. –озроблено методи контролю параметр≥в pin - фотод≥од≥в, €к≥ дозвол€ють визначати електроф≥зичн≥ параметри прилад≥в п≥сл€ циклу виготовленн€ та проводити оц≥нку €кост≥ технолог≥њ та вироб≥в.

6. ѕроведен≥ досл≥дженн€ електроф≥зичних та фотоелектричних параметр≥в pin-фотод≥од≥в св≥дчать, що њх параметри в≥дпов≥дають вимогам використанн€ у -, рентген≥вських детекторах типу —÷-‘ƒ. ѕоказана залежн≥сть характеристик фотод≥од≥в в≥д концентрац≥њ легуючих дом≥шок та величини питомого опору кремн≥ю.

7. –озроблена конструкц≥€ та виготовлен≥ pin - фотод≥оди дл€ -, рентген≥вських детектор≥в —÷-‘ƒ, представлен≥ спектрометричн≥ характеристики детектор≥в, €к≥ св≥дчать про високу €к≥сть pin-фотод≥од≥в та -, рентген≥вських детектор≥в —÷-‘ƒ.

8.  онтроль €кост≥ pin фотод≥од≥в та њх в≥дб≥р дл€ детектор≥в типу —÷-‘ƒ може бути проведений з допомогою спектр≥в джерел низькоенергетичних -, рентген≥вських квант≥в при пр€м≥й реЇстрац≥њ pin фотод≥одом €к детектором.

9. –озроблена технолог≥€ виготовленн€ кремн≥Ївих р≥n фотод≥од≥в забезпечуЇ можлив≥сть сер≥йного виробництва фотод≥од≥в на л≥н≥йках виробництва ≤— завд€ки використанню стандартних технолог≥чних процес≥в технолог≥њ ≥нтегральних схем.

10. —формульован≥ вимоги до параметр≥в сцинтил€тор≥в ≥ фотод≥од≥в та технолог≥њ виготовленн€ пари —÷-‘ƒ дл€ забезпеченн€ високоњ ефективност≥ -, рентген≥вських детектор≥в. ќдержано -, рентген≥вськ≥ детектори —÷-‘ƒ з спектральними характеристиками на р≥вн≥ кращих св≥тових зразк≥в.

Ћ≥тература

1 јтрощенко Ћ.¬., Ѕурачас —.‘., √альчинецкий Ћ.ѕ., √ринев Ѕ.¬., –ыжиков ¬.ƒ., —таржинский Ќ.√.  ристаллы сцинтилл€торов и детекторы ионизирующих излучений на их основе. ѕод общей редакцией ¬.ƒ.–ыжикова,  .: Ќаукова ƒумка, 1998. - 311с.

2 Gunji S., Hanada N., Hashino T. Use of a large area photodiode in CsI (Tl) scintillation counters // Nucl. Instr. and Meth. Phys. Res. 1990, A 295, P. 400-404.

3 Moszynsk M., Wolski D., Ludziejewski T. Particle identification by digital charge comparison method applied to CsI (Tl) crystal coupled to photodiode // Nucl. Instr. and Meth. Phys. Res. 1993, A 336, P. 587-590.

4 ƒаншин ≈. ј., ѕивень Ћ. ј., –ыжиков ¬. ƒ., —елегенев ≈. ћ. »спользование в дозиметрии детектора типа сцинтилл€тор - фотодиод в счетном режиме // ѕ“Ё. 1991, є4, с. 65-69.

5 Rosenfeld A., Perevertaylo V.L., Lerch M, et al. Spectral characterisation of a blue-enhanced silicon photodetector // IEEE Trans. of Nuclear Science. v.48(2001), N 4, –.1220-1224.

6 Rosenfeld A., Lerch M., Takacs G., Gektin A., Perevertailo V. Single detector-dual scintillator anti-Compton probes // Functional Materials, 11(2004), N1, p.1-5.

7. ѕеревертайло ¬.Ћ. —оздание элементной базы дл€ €дерно-физического и радиа-ционного приборостроени€ на основе кремниевой интегральной технологии // “руды ѕ€той международной научно-практической конференции "—овременные информационные и электронные технологии", ќдесса, 2004, с.200.

8. «и —.ћ. “ехнологи€ —Ѕ»—. - ћ:, ћир, 1986, „.1. - 404с.

9. ѕеревертайло ¬.Ћ., ≈пифанов ј.ј,  аренгин ¬.√., “арасенко Ћ.». »нтегральные схемы самосканируемых линейных фотоприемников в интроскопии и томографии // “ехнологи€ и конструирование в электронной аппаратуре. 2005, є 6, с.33-38.

10. ѕеревертайло ¬.Ћ.,  аренгин ¬.√., “арасенко Ћ.»., ѕеревертайло ј.¬. ћногослойные антиотражающие покрыти€ фотоприемников на пленках окисла кремни€ и нитрида кремни€ // “руды ѕ€той международной научно-практической конференции "—овременные информационные и электронные технологии", ќдесса, 2005, с.282.

11. http://w.w.w.hamamatsu.com/ Si PIN Photodiode // "Hamamatsu Photonics".

12. ѕеревертайло ¬.Ћ., ѕопов ¬.ћ., ѕоканевич ј.ѕ.,  аренгин ¬.√., “арасенко Ћ.».. »сследование электрофизических параметров кремниевых pin фотодиодов // “ези допов≥дей 2-њ ћ≥жнародноњ науково-техн≥чноњ конференц≥њ "—енсорна електрон≥ка та м≥кросистемн≥ технолог≥њ", ќдеса, 2006, с.104.

13. http://w.w.w.deetee.com/ Scintillation Detector Applications using Si Diodes // "Detection Technology Inc.".

–Ю–±–љ–Њ–≤–ї–µ–љ–Њ 05.03.2012 09:59  

–Ґ–µ—Б—В–Њ–≤—Л–є —В–µ–Ї—Б—В


–°–∞–є—В –љ–∞ —А–µ–Ї–Њ–љ—Б—В—А—Г–Ї—Ж–Є–Є. –Ґ–µ—Б—В–Њ–≤—Л–є —В–µ–Ї—Б—В.

–Ъ—В–Њ –Њ–љ-–ї–∞–є–љ

–°–µ–є—З–∞—Б 12 –≥–Њ—Б—В–µ–є

–°–∞–є—В –љ–∞ —А–µ–Ї–Њ–љ—Б—В—А—Г–Ї—Ж–Є–Є


–°–∞–є—В –љ–∞ —А–µ–Ї–Њ–љ—Б—В—А—Г–Ї—Ж–Є–Є. –Ґ–µ—Б—В–Њ–≤—Л–є —В–µ–Ї—Б—В.

–Э–∞–њ–Є—Б–∞—В—М –љ–∞–Љ