Способ изготовления алмазных детекторов ионизирующих излучений

1. Способ изготовления алмазных детекторов ионизирующих излучений, основанный на использовании естественных алмазов с содержанием азота не более 10¹⁸ атм/см³, в соответствии с которым отбирают кристаллы с временем жизни носителей заряда порядка 10^-9 с и распиливают их на пластины толщиной 0,2 0,3 мм, осуществляют травление пластины кислородом воздуха в течение нескольких минут при температуре 800 900^oС и наносят металлические контакты на противоположные стороны пластины, отличающийся тем, что, с целью улучшения временного разрешения детекторов, пластину затем подвергают облучению ионизирующим излучением дозой порядка 10¹¹ рад, в процессе облучения измеряют длительность импульса изготавливаемого детектора на полувысоте и прекращают облучение, когда длительность импульса оказывается в пределах 0,1 0,3 нс.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучение ведут потоком электронов ускорителя энергией 2 6 МэВ при одновременном охлаждении облучаемой пластины до температуры не выше 20^oС.

Изобретение относится к области регистрации импульсных ионизирующих излучений радиационно-стойкими алмазными детекторами, в частности к способам изготовления полупроводниковых алмазных детекторов с высоким временным разрешением.
Целью изобретения является улучшение временного разрешения детекторов.
Алмазный детектор изготавливают следующим образом.
Из кристаллов естественного алмаза типа Па отбирают кристаллы с временем жизни не менее 10^-9 с. Распиливают отобранные кристаллы на пластины толщиной 0,2 0,3 мм, шлифуют и подвергают травлению в кислороде воздуха при температуре 800^oC в течение 15 мин. На обработанную таким образом пластину по известной технологии (вакуумным или катодным напылением) с двух сторон наносят металлические контакты.
При отборе кристаллов с временем жизни 10^-9 с и изготовлении пластин толщиной 0,2 0,3 мм средняя длина пробега носителей будет превышать толщину пластины, что позволит исключить поляризацию кристалла в рабочем режиме работы детектора при подаче напряжения питания на электроде.
В соответствии с предлагаемым способом детектор изготавливают по более простой технологии, что приводит к некоторому уменьшению чувствительности и эффективности преобразования готовых детекторов, однако она остаются достаточными для работы в высокоинтенсивных импульсных полях, для регистрации которых от детектора требуется только высокое временное разрешение. При необходимости в одном из вариантов выполнения детектора операции, необходимые для обеспечения требуемой чувствительности и эффективности регистрации могут быть введены в технологию изготовления.
Готовую пластину приклеивают, например, аквадагом, к выходному окну ускорителя электронов, которое охлаждают проточной водой до температуры 20^oC, и облучают пластину потоком электронной энергией 2 6 МэВ, флюенсом 10¹⁸ 10¹⁹ эл/см², что соответствует поглощенной дозе 10¹¹ рад.
Облучение полупроводниковых кристаллов, в частности алмазной пластины, ионизирующим излучением приводит к возникновению дефектов в материале пластины, которые является центрами рекомбинации носителе заряда. Время жизни носителей заряда уменьшается из-за наличия центров рекомбинации и, начиная с некоторой концентрации этих центров, средняя длина пробега носителей становится меньше толщины пластины. В таком случае полного сбора носителей заряда не происходит и временное разрешение детектора определяется временем жизни носителей до их рекомбинации.
Эффективность рекомбинации зависит от следующих обстоятельств.
При облучении пластины электронами с энергиями 2 6 МэВ дозой 10¹¹ рад дефекты являются одиночными и образуются равномерно по всему объему пластины. Такого рода одиночные дефекты являются эффективными центрами рекомбинации, в случае же формирования дефектов в виде кластеров, последние могут стать центрами "прилипания" или эти дефекты могут формироваться в другие образования, препятствующие работе детектора с возможно большим быстродействием. При неодновременном расположении дефектов, например при облучении низкоэнергетичным излучением, детектор может оказаться неработоспособным.
Время жизни носителей уменьшается по мере увеличения поглощенной дозы и при дозе 10¹¹ рад, время жизни носителей достигает 10¹¹ - 10^-10 с, дальнейшее увеличение поглощающей дозы уже не приводит к уменьшению времени жизни носителей и не влияет на временное разрешение детектора.
В процессе облучения пластины измеряют временное разрешение детектора. Для этого периодически снимают пластину с окна ускорителя, включают в электрическую измерительную схему, подают на пластин-детектор импульс излучения в форме -импульса и на выходе детектора измеряют длительность электрического импульса аналога на полувысоте. Когда эта длительность достигнет интервала 0,1 0,3 нс, процесс облучения прекращают и на этом изготовление детектора заканчивается.
Пределы длительности импульса обусловлены следующими обстоятельствами. Так как облучение кристалла ведут, когда он уже ходит в состав конструкции детектора в целом, то импульсная характеристика определяется уже детектором в целом, а временное разрешение детектора на сегодня практически не может быть сделано лучше 0,1 нс, так как помимо времени жизни носителей определяется электротехническими параметрами конструкции детектора его паразитными емкостью и индуктивностью. Верхний предел 0,3 нс обусловлен тем, что в настоящее время уже известны алмазные детекторы с временем разрешения 0,2 - 0,3 нс и это время нежелательно делать больше достигнутого на сегодня, что необходимо для регистрации быстропротекающих процессов наносекундных длительностей.
При определенном навыке и известном токе пучка ускорителя бывает достаточно провести измерение длительности импульса-аналога один, два раза.
Облучение алмазной пластины в процессе изготовления потоком электронов предпочтительно перед другими видами ионизирующего излучения по следующим обстоятельствам.
Облучение электронами обеспечивает большие дозы за непродолжительное время. Например, при среднем токе пучка ускорителя 500 мкА облучение длится не более получаса. При энергии электронов 2 6 МэВ дефекты в пластине распределены равномерно по всему объему пластины и носят одиночный характер, что и обеспечивает детектору требуемое быстродействие.
При сравнительно долгом облучении интенсивным потоком электронов пластина начинает прогреваться и при температурах более 20^oC и может произойти отжиг образующихся дефектов, они частично исчезают и временное разрешение ухудшается. Поэтому в процессе облучения электронами пластину охлаждают, например, проточной водой до температуры 20^oC.
При облучении пластины потоком быстрых нейтронов есть определенная вероятность того, что дефекты в объеме пластины будут группироваться в форме кластеров и будет нарушена равномерность и однородность их распределения. В результате выход детекторов с требуемым временным разрешением будет значительно ниже, чем при облучении пластины электронами.
Облучение пластины гамма-квантами даже на самых мощных изотопных источниках до дозы 10¹¹ рад, займет несколько месяцев, что совершенно нецелесообразно с точки зрения оптимизации технологии изготовления.
1. Способ изготовления алмазных детекторов ионизирующих излучений, основанный на использовании естественных алмазов с содержанием азота не более 10¹⁸ аТМ/см³, в соответствии с которым отбирают кристаллы с временем жизни носителей заряда порядка 10^-9 с и распиливают их на пластины толщиной 0,2 - 0,3 мм, осуществляют травление пластины кислородом воздуха в течение нескольких минут при температуре 800 - 900^oС и наносят металлические контакты на противоположные стороны пластины, отличающийся тем, что, с целью улучшения временного разрешения детекторов, пластину затем подвергают облучению ионизирующим излучением дозой порядка 10¹¹ рад, в процессе облучения измеряют длительность импульса изготавливаемого детектора на полувысоте и прекращают облучение, когда длительность импульса оказывается в пределах 0,1 - 0,3 нс.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучение ведут потоком электронов ускорителя энергией 2 - 6 МэВ при одновременном охлаждении облучаемой пластины до температуры не выше 20^oС.