Способ изготовления полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 09) 01) 504 Н 01 Ь 21 02 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯМ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ с е ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБР 1-ТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(54) (57) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩИХИЗЛУЧЕНИЙ, включающий создание детекторной структуры из особо чистогогермания, помещение ее в криостат ивакуумирование криостата с заключенной в нем детекторной структурой,отличающийся тем,что, сцелью улучшения электрических характеристик детектора и увеличения выхода годных детекторов, в процессе вакуумирования производят отжиг детекторной структуры при температуре 120140 С в течение 16-20 ч.1 О 15 20 5 30 35 40 45 50 Изобретение относится к способамизготовления полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений и можетбыть использовано для изготовлениядетекторов на основе германия особойчистоты,/Известны способы изготовления полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений, включающие созданиепланарной или коаксиальной детекторной р-д-и структуры, помещение еев криостат и вакуумирование криоетатас заключенной в нем детекторнойструктурой. При этом криостат, с одной стороны, осуществляет изолйциюдетекторной структуры от внешней среды,и с другой стороны, обеспечиваетвозможность охлаждения ее до рабочейотемпературы 80-90 К. Заключительнойоперацией этих способов является сопротивление пригодности изготовленного детектора путем измерения егоэлектрических характеристик, таких,как вольтамперная и вольтемкостнаяхарактеристики, и, наконец, основнойхарактеристики детектора - энергетического разрешения при оптимальномрабочем напряжении. Недостатком известных способов является низкий процент выхода годных детекторов с приемлемыми электрическими характеристиками и энергетическим разрешением.Наиболее близким по своей технической сущности является способ изготовления полупроводниковых детекторовионизирующих излучений, включающийсоздание детекторной структуры изособо чистого германия, помещение еев криостат и вакуумирование криостатас заключенной в нем детекторной структурой. Вакуумную откачку криостатапроводят при этом при комнатной температуре в течение 1-2 ч до давлениявоздуха менее 110 мм рт.ст. Рабочее разрежение (менее 1 10 мм рт.ст.)создается и поддерживается .в криостате с помощью сорбента после охлаждения его до рабочей температуры. Послеохлаждения детекторной структуры доо.температуры 80-90 К определяют пригодность .изготовленных детекторов путем измерения характеристик детектора: вольтамперной, вольтемкостной иэнергетического разрешения при оптимальном рабочем напряжении.Такой способ позволяет при тщательном предварительном отборе германия собой чистоты изготавливать де- ". текторы гамма- и рентгеновского излучения с энергетическим разрешением менее 0,5 Е.Недостатком известного способаявляется низкий процент выхода детекторов с таким энергетическим разрешением.Обычно это связано с недостаточнохорошими вольтамперными и вольтемкостными хар актеристиками де тек торов .Повьппенный ток детектора (более 1 хох 10 А) прирабочем напряжении является причиной электрических шумов,ухудшающих энергетическое разрешение.Повышенные значения емкости при небольших (порядка 100 В) напряженияхпо сравнению со значениями емкостипри рабочем напряжении свидетельствуют о повышенной концентрации электрически активных примесей или дефектови, соответственно, о возможном неоднородном распределении электрическогополя в чувствительной области детектора, также приводящем к ухудшениюэнергетического разрешения.Целью изобретения является улучшение электрических характеристикдетектора и увеличение выхода годныхдетекторов при их,производстве.Цель достигается тем, что в способе изготовления. полупроводниковыхдетекторов ионизирующих излучений,включающем создание детекторной структуры из особо чистого германия, помещение ее в криостат и вакуумирование криостата с заключенной в немдетекторной структурой, в процессевакуумирования производят отжиг детекторной структуры при температуре120-140 С в течение 16-20 ч,Такой отжиг приводит, во-первых,к улучшению вольтамперной характеристики детектора из-за уменьшения поверхностной проводимости детекторнойструктуры под действием температурыо120-140 С и непрерывной вакуумной откачки в течение 16-20 ч. Во-вторых, улучшается вольтемкостная характеристика детектора иэ-за уменьшения концентрации,электрически активных дефектов типа "быстрых дефектов закалки", Эти дефекты могут возникать при термообработках германия особой чистоты, которым он подвергается в процессе создания детекторной структуры, например, во время операции изготовления и-контакта путем диффузиилития при температуре около 300 С.Отжиг детекторной структуры при температуре 120-140 С в течение 16-20 чполностью устраняет дефекты этого типа. В результате указанных эффектовуменьшаются электрические шумы детектора и становится более однороднымэлектрическое поле вчувствительнойобласти детектора, что приводит кулучшению его энергетического разрещения при оптимальном рабочем напряжении и в конечном счете - к увеличению процента выхода годных детекторов .при их серийном производствеКак установлено в экспериментах по 15изохронному отжигу германия особойчистоты, подвергнутого нагреву дотемпературы 300-400 С, а затем резкоохлажденному до комнатной температуры(закалка), возникшие при закалке элек трически активные дефекты отжигаютсяв вакууме полностью за приемлемоевремя, только начиная с температурыо120 С, Минимальная продолжительностьотжига при этой температуре, необходимая для снижения концентрации дефектов закалки до уровня, при котором они не влияют на качество детекторов и ионизирующих излучений (менее10 ф см ), составляет 16-20 ч. При ЗОменьшей температуре продолжительностьотжига дефектов закалки резко возрастает и составляет, например при температуре 110 С, около 200 чПроведение такого длительного отжига в про 35цессе изготовления детекторов является нежелательным, поскольку это резко увеличивает время изготовления детекторов. При более высоких чем 120 Стемпературах, отжиг протекает быстрее, однако при увеличении температуры отжига возрастает риск загрязнения германия особой чистоты быстродиффундирующими примесями, например,медью. Это обстоятельство накладывает 45ограничение на величину максимальнойтемпературы отжига, которая, как показали эксперименты, не должна превышать 140 С. Так например, отжиг приотемпературе 150 С продолжительностью8 ч хотя и устраняет дефекты закалки,но приводит, как правило, к возрастанию концентрации меди в образцах доуровня, превышающего 10 см , чтоявляется недопустимым для германияособой чистоты, используемого для изготовления детекторов ионизирующихизлучений, поскольку ухудшает энергетическое разрешение детекторов,Следовательно, уменьшение температуры отжига, производимого в процессео вакуумирования, ниже 120 С приводит к неоправданно большим затратам времени на ликвидацию электрически активных дефектов закалки, а увеличениеоее выше 140 С неблагоприятно сказывается на чистоте германия.Данный временной интервал (16- 20 ч) является оптимальным для проведения процесса отжига в вакууме при температуре 120-140 С, так как он вполне достаточен для ликвидации электрически активных дефектов закалки, создает благоприятные возможности для сохранения чистоты германия и позволяет изготавливать детекторы за короткое время.Предложенный способ изготовления полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений на основе особо чистого германия заключается в следующем.Известным способом изготавливают детекторную структуру из особо чистого германия, помещают ее в криостат и подвергают вакуумированию путем откачки на вакуумной установке. При этом в процессе вакуумной откачки, которая продолжается непрерывно в течение 16-20 ч, детекторную структуру подвергают отжигу при температуре 120-140 С путем непрерывного нагрева конца хладопровода криостата с помощью специального электронагревательного устройства.Предложенный способ был проверен в условиях опытного производства детекторов.Из предварительно отобранных путем измерения электрофизических параметров (тип, концентрация и подвижность носителей заряда при 77 К, плотность и распределение ямок травления дислокационного и недислокационного происхождения) пластин германия особой чистоты изготавливались по известной технологии детекторные структуры планарного типа диаметром 20 мм и толщиной 6 мм, в которых р-контактом является напыленный в вакууме тонкий слой золота, а и-контактом служит диффузионный слой лития. Детекторные, структуры помещались в криостаты. Криостаты откачивались согласно известному способу при комнатной температуре в течение 2 ч до давления воздуха менее 1 10 мм рт. ст. и поме1102410 Номер де- Энергетическое разрешение тектора поСЗ, 7. 1 о отжига после отжига 0,75 0,41 0,56 0,38 0,84 0,35 0,47 0,39 0,32 0,24 0,28 0,37 0,69 0,26 0,49 0,25 0,64 10 0,32 0,34 0,25 Техред М.Дидык Корректор С.Черни Редактор П.Горькова Заказ 3987/3 Тираж 697 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 щались в сосуды Дьюара с жидким азотом. После прохождения детекторных структур до температуры примерно 83 К (через 2 ч после помещения криостатав сосуд Дьюара с жидким азотом) про 5 водились измерения вольтамперной и вольтемкостной характеристик, а также энергетического разрешения детектора по гамма-линии 662 кэВ изотопа цезий137.Затем криостаты вынимали из сосудов Дьюара, нагревали до комнатной температуры и разгерметизировали, в результате чего детекторы возвращались к состоянию, которое предшествует операции вакуумирования.После этого криостаты вновь подвергали вакуумированню, в процессе которого, согласно предложенному иэо бретению, производился отжиг детекторных структур при температуре 120- 140 С в течение 16-20 ч путем непрерывного нагрева конца хладопровода криостата с помощью специального электронагревательного устройства.Затем детекторные структуры охлаждали до рабочей температуры путем погружения криостатов в сосуд Дьюара с жидким азотом и проводили измерения 30 вольтамперной и вольтемкостйой характеристик и энергетического разрешения.Результаты проверки эффективности предложенного способа представлены35 в таблице.Энергетическое разрешение при оптимальном рабочем напряжении детекторов из особо чистого германия до ио после отжига при температуре 120-140 С в течение 16-20 ч.Как видно иэ таблицы, применение предложенного способа приводит к существенному улучшению основной характеристики детекторов энергетического45 разрешения при опшимальном рабочем напряжении,Сопоставление результатов измерений вольтамперных и вольтемкостных характеристик до и после отжига показало, что улучшение энергетического разрешения происходит в результате улучшения этих электрических характеристик детекторов.Таким образом, введение новой технологической операции отжига детекторных структур приводит к улучшению характеристик детекторов из особо чистого германия и, тем самым, повышению процента выхода годных детекторов.Применение предложенного изобретения приведет к увеличению процента выхода годных детекторов более чем в 2 раза.