Спосіб отримання спектрометричного детектора на основі сполуки cdznte

Спосіб отримання спектрометричних детекторів на основі кристалів CdZnTe, який включає механічну обробку поверхні, видалення порушеного шару шляхом хімічного травлення поверхні, просушування, нанесення суцільних електричних кон 3 верхні, видалення порушеного шару шляхом хімічного травлення поверхні у травнику, який складається з суміші 5% розчину брому в метанолі, промивання в деіонізованій воді, просушування, нанесення електричних контактів на одну поверхню кристалів, створення на поверхні кристалів захисного оксидного шару шляхом занурення зразків у водний розчин перекису водню (10 вагових %) і фториду амонію (10 вагових %) впродовж 5-10 хвилин, промивання у чистому етиленгліколі, просушування, та нанесення додаткового захисного шару шляхом плазменої обробки поверхні кристалів у атмосфері кисню, яку здійснюють уміщуючи кристали CdZnTe у вакуумну камеру, прикладаючи до них негативну електричну напругу величиною 300-500В і обробляючи за допомогою радіочастотної кисневої плазми високої щільності, яку отримують у спеціальній камері шляхом опромінювання високоенергетичних нейтральних атомів кисню високо інтенсивним випромінюванням СО2-лазеру, з подальшим нанесенням на їх поверхню щільного шару нітриду кремнію шляхом магнетронного напилення у вакуумі. Товщина отриманого захисного шару становить 30-45нм. В результаті, за ствердженням авторів, струми втрат зменшуються у 927 разів, у порівнянні із зразками, які не піддавали обробці. Вказані способи забезпечують отримання спектрометричних CdZnTe-детекторів з компланарними електродами, такі спектрометри призначені для спектрометрії низькоенергетичного рентгенівського випромінювання, оскільки малий чуттєвий об'єм робочої області детекторів (приповерхнева область кристалу) не дозволяє досягнути необхідний рівень збору зарядів при вимірюванні високоенергетичних випромінювань. Для роботи у режимі вимірювання високих енергій автори патентів пропонують збільшити кількість електродів на одній поверхні детекторів, що передбачає застосування додаткової корегувальної електроніки при практичному використанні детекторів, отриманих цими способами. Однак застосування такої електроніки значно збільшує термін обробки сигналів, збільшує складність і вартість спектрометричних пристроїв і зменшує надійність їх роботи. Крім того, високі трудомісткість і енергоємність, а також необхідність складної апаратури, що дорого коштує, для їх здійснення обмежує можливість їх використання. При використанні кристалічних зразків CdZnTe для детектування високоенергетичних ядерних випромінювань і для досягнення максимальної чутливості необхідно, щоб активна область таких детекторів мала товщину не менш ніж 4-10мм, при цьому необхідно також щоб струми втрат були малими і не перевищували 100нА в електричних полях з напруженістю 1000-3000В/см. Питомий електричний опір кристалічного зразка повинен 9 10 * становити не менш ніж 10 -10 Ом м. Максимальне використання об'єму зразка забезпечується нанесенням електродів на його протилежні поверхні. Відомий спосіб отримання детекторів на основі кристалів CdZnTe [A.Burger, H.Chen, K.Chattopadnyay, D.Shi, S.H.Morgan, W.E.Collins, 48252 4 R.B.James. Charactereization of metal contacts on and surfaces of cadmium zinc telluride. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 438, 1999, p.8-13], який включає механічну обробку поверхні кристалу, видалення порушеного шару шляхом хімічного травлення поверхні у розчині брому в метанолі з концентрацією 2-10% при кімнатній температурі впродовж 1-5 хвилин (але не більш ніж 5 хвилин), при швидкості травлення приблизно 50мкм/хвил, полоскання кристалу у розчині, що поступово розбавляється, полоскання у чистому метанолі, висушування сухим чистим стисненим повітрям, нанесення захисного шару шляхом повторного травлення у розчині, який вміщує 2% - Вr, 20% - молочної кислоти в етиленгліколі, просушування сухим чистим стисненим повітрям, і нанесення електричних контактів на протилежні поверхні. Як припускають автори, в результаті на поверхні кристалів утворюється високоомний оксидний шар CdTeOs завтовшки 2040нм, внаслідок чого струми втрат детектора зменшуються у 1,2-1,4 рази у порівнянні із зразками, котрі не піддавали обробці. Таке незначне зменшення струмів втрат свідчить про те, що у приповерхневому шарі напівпровідникового кристалічного зразка залишається вільний Те, що в свою чергу з плином часу призводить до утворення у цьому шарі каналів струмових втрат, котрі призводять до виходу CdZnTeдетекторів із ладу. Крім того, недоліками вказаного способу є: його неекономічність, яка проявляється у необхідності використання високочистих хімічних реактивів, що дорого коштують, а також низька технологічність способу, що проявляється у його низькій відтворюваності. Відомий спосіб отримання детекторів на основі кристалів CdZnTe [Пат Украины ПМ №40036, H01L21/302], який включає механічну обробку поверхні кристалу, видалення порушеного шару шляхом хімічного травлення поверхні, висушування, нанесенням суцільних електродів на протилежні поверхні кристалу, отримання захисного шару на боковій поверхні шляхом опромінення УФ випроміненням у атмосфері, що вміщує кисень, з інтенсивністю випромінювання 10-20кВт/м впродовж 15-75 хвилин. Використання такого способу отримання детекторів забезпечує отримання на поверхні зразків CdZnTe міцної однорідної оксидної плівки ТеО2 завтовшки до 50нм, котра має високий електрич10 * ний опір (не менш 10 Ом см). Як результат, електричний опір поверхні зразків CdZnTe збільшується в 7-10 разів, а поверхневі струми втрат зменшуються в 6-7 разів. Однак використання вказаного способу не забезпечує отримання високоомного захисного оксидного шару завтовшки більше 50нм, а надійне отримання міцного однорідного високоомного захисного оксидного шару потребує значної тривалості процесу отримання детекторів. Останній наведений аналог обрано нами у якості прототипу як найближчий по сукупності ознак. Задачею даної корисної моделі є розробка більш економічного, технологічного способу отри 5 мання спектрометричних детекторов на основі монокристалів CdZnTe, які мають малі струми втрат, за рахунок отримання високоомного захисного оксидного шару завтовшки більше 150нм. Рішення поставленої задачі досягається тим, що у способі отримання детекторів на основі кристалів CdZnTe, який включає механічну обробку поверхні, видалення порушеного шару шляхом хімічного травлення поверхні, просушування, нанесення суцільних електричних контактів на протилежні поверхні кристалу, отримання захисного шару на боковій поверхні шляхом опромінення УФ випроміненням у атмосфері, що вміщує кисень, з 2 інтенсивністю випромінювання 10-20кВт/м , згідно корисній моделі, попередньо на вказані протилежні поверхні кристалу наносять по периметру замкнені електричні контакти, до котрих для отримання захисного шару одночасно із впливом УФ випромінювання прикладають постійне електричне поле з напруженістю 100-1000В/см впродовж 1035 хвилин, після чого на вказаних поверхнях кристалу створюють суцільні електричні контакти. Нанесення по периметру на протилежні поверхні кристалу замкнених електричних контактів для прикладання постійного електричного поля забезпечує протікання струму тільки в боковій приповерхневій області кристалу, що виключає порушення стехіометричного складу об'ємної частини кристалу внаслідок електродифузії, що може призвести до погіршення спектрометричних характеристик детектора та їх швидкої деградації. Одночасна дія постійного електричного поля та опромінення поверхні кристалу високо інтенсивним УФ випромінюванням здійснює нетермічний стимулюючий вплив на дифузійно-окислювальні процеси, які відбуваються в приповерхневій області кристалу, що проявляється не тільки в прискоренні процесу окислення кристалічних зразків, але і в створенні на їх поверхні міцної захисної оксидної плівки завтовшки не менш 150нм, яка має ви10 * сокий електричний опір (не менш 10 Ом см). Як показали експериментальні дані, інтервал напруженості постійного електричного поля, при котрому відбувається ефективний електроперенос іонів кисню до межі розподілу «оксидна плівканапівпровідник», становить 100-1000В/см. При напруженості постійного зовнішнього електричного поля меншій, ніж 100В/см електроперенос іонів кисню малоефективний, а при більшій 1000В/см велика імовірність електричного пробою зразка. У відповідності до способу, що заявляється нанесення суцільних електричних контактів на протилежні поверхні кристалу проводять після припинення одночасного впливу постійного електричного поля та опромінення бокової поверхні кристалу УФ випромінюванням, що дозволяє виключити електричну «формовку» одного із електричних контактів і погіршення омічних властивостей протилежного контакту на поверхні напівпровідникового кристалу під впливом електричного струма значної величини (50-1000мкА), що згодом призводить до погіршення спектрометричних властивостей детектора, виготовленого на основі такого кристалічного зразка. 48252 6 Під час досліджень було встановлено оптимальний часовий режим, при якому відбувається ріст захисного шару завтовшки більше 150нм. Зменшення тривалості впливу менш за 10 хвилин не забезпечує отримання захисного шару необхідної товщини внаслідок обмеженої швидкості проходження дифузійних процесів, а підвищення тривалості більш за 35 хвилин технологічно недоцільно. При отриманні захисного шару величину струму, що протікає в приповерхневому шарі, підтримують постійною в межах 50-1000мкА, а температуру кристала 80-105°С - щоб уникнути погіршення спектрометричних властивостей детектора. Ширина замкнених по периметру контактів (~0,5-1мм) обмежена надійністю електричного з'єднання з контактною площадкою електрода кристалотримача та технологічними можливостями їх нанесення. Приклад. Запропонований спосіб реалізують таким чином. Із кристалів CdZnTe, вирощених методом Бриджмена, шляхом механічної порізки та поліру3 вання виготовляють зразки розміром 7 7 10мм . Поверхню отриманих зразків піддають хімічному травленню впродовж 3 хвилин при кімнатній температурі у бром-метаноловому розчині, який вміщує 4% брому, потім зразки миють чистим метанолом, дистильованою водою, висушують чистим сухим повітрям. Після чого на дві протилежні грані 2 зразка з розмірами 7 7мм по периметру кожної вказаної грані попередньо наносять золоті електроди шириною 1мм методом хімічного осадження з 2% водного розчину хлорного золота (або наносять шляхом термічного напилення у вакуумі). Потім зразки установлюють в кристалотримач, що має електроди, та розміщують в установці для отримання захисного шару шляхом одночасного впливу УФ випромінювання з інтенсивністю 18,5кВт/м2 та постійного електричного поля впродовж 20 хвилин, при цьому величину електричного струму, що протікає, підтримують постійною (100мкА), змінюючи для цього напруженість електричного поля від 420В/см до 840В/см з одночасним контролем температури зразків. Після отримання захисного шару на вказані грані детектора наносять суцільні золоті електроди методом хімічного осадження з 8% водного розчину хлорного золота (або наносять шляхом термічного напилення у вакуумі). Для визначення фізичних характеристик захисного шару, який отримано на поверхні кристалів CdZnTe, застосовувались методи рентгенофазного аналізу, метод рентгеновської фотоелектронної спектроскопії та електроннозондовий мікроаналіз. Товщина захисного шару становить 180нм, а його електричний опір складає 11 * 9 * 1,3-10 Ом см (до отримання - 5,5-10 Ом см). Відповідно струми втрат CdZnTe детектора, виготовленого по способу, що заявляється, зменшились у 22,4 раза. У таблиці наведені значення електричного опору та струмів втрат детекторів до і після отримання захисного шару способом, що заявляється. 7 48252 8 Таблиця № зразка 1 2 3 4 5 6 Прототип Rі,Oм (до обробки) 5,5.109 . 10 2,6 10 . 10 1 10 2,1.109 3.109 . 10 1,5 10 . 10 1,4 10 Із таблиці видно, що в результаті використання способу, що заявляється, поверхневий електричний опір кристалічних зразків CdZnTe збільшується в 21-26 разів, а поверхневі струми втрат Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко Rf, OM (після обробки) 1,3.1011 . 11 3 10 . 11 1,6 10 . 2,17 1010 8.1010 . 11 3,2 10 . 11 1,05 10 Rf/Ri Iі/If 23,6 11,5 16 10,3 26,6 21,3 7,5 24,4 11,74 16,8 8,6 28,6 20,4 6,7 зменшуються в 20-28 разів у порівнянні з початковими. Використання способу, що заявляється, дозволило зменшити струми втрат у 1,5-3 рази у порівнянні із способом-прототипом. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601