Спосіб виготовлення детекторів x- і g-випромінювання

Спосіб виготовлення детекторів рентгенівського і гамма-випромінювання, що включає напилення на поліровану поверхню монокристалічної пластини високоомного CdTe р-типу плівки In, легування поверхневого шару пластини CdTe індієм шляхом опромінення плівки індію імпульсом тривалістю 20нс рубінового або ексимерного KrF лазера з густиною енергії 90-100Дж/см2, напилення на протилежну поверхню пластини CdTe золотого електрода, який відрізняється тим, що плівку In напиляють на поверхню пластини CdTe товщиною 300-400нм. (19) (21) u200814500 (22) 16.12.2008 (24) 12.05.2009 (46) 12.05.2009, Бюл.№ 9, 2009 р. (72) ВЛАСЕНКО ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ, UA, ГНАТЮК ВОЛОДИМИР АНАСТАСІЙОВИЧ, UA, ЛЕВИЦЬКИЙ СЕРГІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, UA, ТОРУ АОКІ (73) ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ІМ. В.Є. ЛАШКАРЬОВА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, UA 3 дом вакуумного напилення на обидві сторони (5×5мм2) зразка без його нагрівання. Для детекторів на основі діоду Шотткі притаманні малі струми протікання і сприятливі умови для збирання зарядів, генерованих при поглинанні високоенергетичних квантів. Недоліком такого способу є те, що для формування якісного контакту Шотткі важливо провести складну підготовку поверхні напівпровідника і підібрати відповідний метал для електроду. Також недоліком таких детекторів є обмеженість прикладення великого зміщення, оскільки при зворотніх напругах вище 40В густина струму протікання (струм при прикладанні зворотнього зміщення) стає вищою 10нА/см2, що обмежує детектуючу здатність. Для забезпечення низького струму протікання необхідно, щоб електричний бар'єр був різким і високим. Але основним недоліком є те, що висота бар'єру у діодах Шотткі визначається і обмежена робою виходу електронів у металі. Окрім того, висота бар'єру в цих діодах виявляється значно нижче ніж теоретично прогнозована, виходячи з роботи виходу у напівпровіднику та металі передусім із-за великої концентрації електронних пасток (густини поверхневих станів) у розупорядкованому шарі, який зазвичай формується поблизу поверхні кристалу (окисли, структурні дефекти, адсорбовані атоми). Детектори (діоди Шотткі на основі CdTe) є недостатньо ефективними, процеси їх виготовлення є досить енерго- і ресурсовитратними і отримані детектори деградують з часом, особливо, в умовах високоенергетичного опромінення. З цієї точки зору більш ефективними є детектори на основі р-n CdTe-структур. У випадку детекторів на основі р-n структур, основна проблема полягає у формуванні мілкого і різкого електричного переходу, тобто, у створенні сильнолегованого тонкого поверхневого шару. Процес легування CdTe супроводжується ефектом самокомпенсації формуванням протилежно заряджених власних дефектів або комплексуванням, що обмежує концентрацію зарядів до значення, яке суттєво менше кількості введеної легуючої домішки. Традиційні технології легування (термічні відпали) кристалів CdTe не можуть забезпечити необхідний високий рівень концентрації носіїв заряду, оскільки значна частина введених домішкових атомів залишається електрично нейтральними, створює комплекси зарядженні протилежно ніж бажані носії чи формує преципітати. Тому формування детекторів на таких легованих зразках є недостатньо ефективними. Окрім того профіль р-n переходу з часом "розмивається", електричний бар'єр стає менш різким, тому отримані структури з часом швидко деградують, а також їх параметри є недостатньо стабільними при роботі. Традиційні рівноважні методи легування CdTe і формування р-n переходів потребують великих затрат (матеріали, устаткування, енергія) і вимагають багато часу. Більш поширеними є лазерні методи отримання таких структур. Результати досліджень свідчать, що така обробка є ефективною для модифікації морфології поверхні, трансформації дефектної структури і формування поверхневобар'єрних структур. Встановлено, що опромінення 41216 4 наносекундними імпульсами лазера поверхні кристалу CdTe з попередньо нанесеною у вакуумі плівкою In дозволяє ослабити ефект самокомпенсації і створити сильнолегований тонкий шар та, відповідно, електричний р-n перехід. Лазерний метод є технологічнішим і багато в чому ефективнішим за інші як для обробки напівпровідників, так і для дослідження їх властивостей. Відомий спосіб виготовлення детекторів рентгенівського і гамма випромінювання на основі діодних структур шляхом формування р-n переходу у високоомних напівпровідниках CdTe і CdZnTe. Викладений у [3] метод включає шліфування, поліровку, обробку зразка в хімічному травнику, очищення контактної площадки на зразку одиночним імпульсом технологічного лазера і напилення металу одиночним імпульсом технологічного лазера на очищену контактну площадку. Додатково проводять лазерне вплавлення контактного металу в напівпровідник імпульсом лазера з енергією кванта hv ≥ Eg і густиною енергії в імпульсі 0,080,15Дж/см2. Таке опромінення здійснюють з протилежної по відношенню до контактного шару сторони напівпровідника. За допомогою запропонованого способу вдається виготовляти детектори рентгенівського і гамма випромінювання. Створений лазерним вплавленням металу в CdTe плавний перехідний шар між металом та напівпровідником не лише забезпечує кращу адгезію, але і практично повністю усуває поляризаційний ефект та зменшує шуми на границі метал-напівпровідник. Недоліком такого способу є те, що їхні характеристики не є стабільними в широкому інтервалі часу. За прототип обрано спосіб лазерної технології виготовлення р-n діодів In/CdTe/Au для детекторів рентгенівського і гамма випромінювання [4], де для експериментів використовувалися монокристалічні компенсовані хлором пластини CdTe орієнтації (111) р-подібного типу провідності з питомим опором ρ ~ (2-5) 109Ом см при кімнатній температурі. Лінійні розміри зразків були 5×5×0,5мм3. Для виготовлення вказаних детекторів використовувалася така технологія: 1. Попередня хіміко-динамічна підготовка пластин CdTe, яка включає Очистку, полірування, промивку зразка і просушування зразка у потоці інертного газу. 2. Лазерне легування поверхневого шару кристалів CdTe індієм та формування індієвого контакту на стороні, де створений р-n перехід: - Напилення у вакуумі ~10-5Па на поверхню кристалу CdTe(111) В (Te-terminated) легуючої плівки In товщиною 20нм без нагрівання зразка. - Однорідне опромінення в атмосфері інертного газу 0,3МПа усієї поверхні зразка зі сторони нанесеної плівки In одиночним імпульсом KrF лазера тривалістю 20нс із густиною енергії 2 90мДж/см . - Методом вакуумного (~10-5Па) напилення нанесення контакту - плівки In товщиною 300400нм на опромінену і леговану, таким чином, сторону зразка CdTe. 5 3. Формування контактів із золота - Напилення у вакуумі ~10-5Па на поверхню кристалу CdTe(111)A (Cd-terminated) плівки Аu товщиною 300-400нм для контакту. Недоліком методу, за яким виготовлявся прототип, є складність і довготривалість технологічного процесу, що зумовлює ресурсовитратність, а також зразки прототипу мають певний розкид параметрів, получається невисокий вихід детекторів, які чутливі до рентгенівського випромінювання і мають достатньо високі характеристики. Також такі структури деградують з часом, особливо в умовах жорсткої радіації. Це пов'язано з тим, що при лазерному опроміненні відбувається плавлення тонкого шару напівпровідника, відповідно великі градієнти температур і напруг у кристалі призводять до формування значної кількості точкових та протяжних дефектів, зокрема електричноактивних, які можуть викликати як зниження ефективності легування та досягнення бажаних параметрів, так і бути причиною нестабільності роботи та деградації детектора, створеного на основі такої діодної структури. В основу корисної моделі, яка пропонується, поставлено задачу спрощення способу виготовлення детекторів при підвищенні їх чутливості за рахунок зменшення зворотнього струму протікання, покращення стабільності електричних параметрів і стійкості до деградації в процесі експлуатації. Для вирішення поставленої задачі спосіб, що заявляється, включає напилення на поліровану поверхню монокристалічної пластини високоомного CdTe р-типу плівки In товщиною 300-400нм, легування поверхневого шару пластини CdTe індієм шляхом опромінення плівки індію наносекундним (20нс) імпульсом лазера (рубінового - 694нм або ексимерного KrF - 248нм) з густиною енергії 90-100мДж/см2, напилення на протилежну поверхню пластини CdTe золотого електроду. Нами пропонується створення детекторів рентгенівського і гамма випромінювання на основі р-n структур, які виготовляються шляхом формування мілкого і різкого р-n переходу в поверхневій області високоомних кристалів CdTe за допомогою лазерно-індукованого легування, що реалізується при опроміненні наносекундним імпульсом лазера зразків з попередньо напиленим відносно товстим 300-400нм шаром індію, який і є легуючою домішкою. Легування поверхневого шару кристалів CdTe відбувається у твердому (нерозплавленому) стані напівпровідника і прилеглого до нього шару металу внаслідок стимульованої дифузії і сегрегації атомів In у поверхневий шар напівпровідника як результат дії лазерно-індукованої пружної хвилі, що виникає при опроміненні зразка потужним наносекундним імпульсом лазера зі сторони покритої індієм. Поставлена задача згідно способу (методу), що заявляється, на відміну від прототипу вирішується за рахунок напилення більш товстого шару In і, відповідно, іншого не теплового механізму входження атомів In у поверхневий шар напівпро 41216 6 відника при легуванні. За прототипом індій входить у поверхневий шар CdTe внаслідок розплаву індію і поверхневого шару напівпровідника, перемішування рідких фаз матеріалів і взаємного розчинення [5, 6]. При використанні запропонованого способу відбувається твердофазне легування, основну роль в якому відіграють лазерноіндуковані пружні та ударні хвилі. Окрім того, товщина плівки така, що вона не повністю випаровується при лазерному опроміненні і надалі виконує роль електричного контакту. Перевага виготовлених за запропонованим способом детекторів структур In/CdTe/Au у порівнянні із прототипом полягає в тому, що такі діоди мають нижчі зворотні струми протікання за рахунок малої глибини і різкого р-n переходу, вищу стабільність електричних параметрів і стійкість до деградації, що особливо важливо при тривалій роботі детекторів в умовах жорсткої радіації. При зберіганні детекторів у звичайних умовах виявлено, що їх електричні характеристики навіть покращуються, зокрема зменшується струм протікання. Запропонований спосіб ілюструється конкретним прикладом його реалізації. Запропонованим способом були виготовлені детектори рентгенівського і гама випромінювання на основі CdTe:Cl. Поверхня кристалу CdTe попередньо піддавалася очистці і поліруючому травленню хімічним або лазерним методом. На очищену і поліровану поверхню кристалу CdTe 5×5мм2 методом вакуумного напилення наносилася плівка In товщиною ∼400нм, потім в атмосфері інертного газу (0,3МПа) зразки опромінювалися з боку In одиночним імпульсом рубінового або ексимерного KrF лазера тривалістю 20нc з густиною енергії 100мДж. Завдяки генерації лазерноіндукованої хвилі і її дії, відбувалося введенню In у приповерхневий шар кристалу CdTe і формувався р-n перехід. При опроміненні зразка нанесена плівка індію не повністю випаровувалася і надалі служила також як електрод. Після чого на його протилежну сторону напилявся інший електрод із золота товщиною ∼300-400нм. Отримані детектори In/CdTe/Au мають різко виражені випрямляючі воль-амперні характеристики (ВАХ) з великим струмом при прямому зміщенні і досить малим струмом (густина струму 2 менше 1нА/см при -100В і Т=300К) при зворотньому зміщенні. ВАХ діодної структури зображена на Фіг.1. Діоди In/CdTe/Au, виготовлені запропонованим способом, забезпечують більш високу чутливість до рентгенівського і гама випромінювання та задовільну роздільну здатність щодо спектрів випромінювання радіоізотопів. В експериментальних зразках отримано більш низьке у порівнянні із прототипом значення ширини смуги 3,3кеВ на половині висоти піку 122кеВ у спектрі ізотопу Со-57 при кімнатній температурі (Фіг.2). Виготовлені запропонованим способом детектори мали такі параметри у порівнянні з прототипом: 7 Найменування характеристики чи параметру Довжина хвилі випромінювання лазера Тривалість імпульсу лазера Атмосфера при лазерному опроміненні Густина енергії імпульсу лазера Температура при опроміненні і вимірюваннях Напівпровідник CdTe, питомий опір Товщина легуючої плівки In Товщина легованого шару Концентрація електронів у легованому шарі Товщина електродів Аu Густина струму при зворотному зміщенні 100В Ширина на напіввисоті смуги 122кеВ спектру Со-57 41216 8 Детектори виготовлені запропонованим способом Значення 694нм (рубіновий), 248нм (ексимерний KrF) 248нм (ексимерний KrF) 20нс 20нс Прототип вакуум ~1Па, аргон 0,3МПа вакуум ~1Па, аргон 0,3МПа ∼90мДж/см 90-100мДж/см2 кімнатна кімнатна 2 9 (1-5)×10 Ом·см 20-30нм 50-60нм (1-5)×109Ом·см 300-400нм 25-40нм ~9×1018см-3 ~2×1019см-3 300-400нм 300-400нм 2 ~10нА/см тест для ізотопу Со-57, 3,6кеВ Джерела інформації: 1. L.A. Kosyachenko, V.M. Sklyarchuk, Ye.F. Sklyarchuk, K.S. Ulyanitsky. Surface-barrier p-CdTbased photodiodes. Semicond. Sci. Technol. 14 373377 (1999). 2. L.A. Kosyachenko, S.Yu. Paranchych, Yu.V. Tanasyuk, V.M. Sklyarchuk, Ye.F. Sklyarchuk, E.L. Maslyanchuk, V.V. Motushchuk. Semiconductors. 37, 469-472 (2003). 3. Патент України на корисну модель №46513 А. Корбутяк Д.В., Бобицький Я.В., Будзуляк С.І., Вахняк Н.Д., Демчина Л.А., Єрмаков В.М., Крилюк С.Г., Крюченко Ю.В. Спосіб виготовлення детектора γ- та Х-випромінювання на основі високоомних напівпровідників CdTe та CdZnTe. ~1нА/см2 тест для ізотопу Со-57 3,3кеВ 4. М. Niraula, A. Nakamura, Т. Aoki, Y. Tomita, Y. Hatanaka, A new fabrication technique of CdTe strip detectors for gamma-ray imaging and spectroscopy, Phys. Stat. Sol. B, 229, 11031107(2002). 5. Gnatyuk V.A., Aoki Т., Niraula M., Hatanaka Y. Influence of laser irradiation and laser-induced In doping on photoluminescence of CdTe crystals // Semicond. Sci. Technol. - 2003. - Vol. 18, No 6. - P. 560-565. 6. Fochuk P., Panchuk O., Feychuk P., Shcherbak L., Savitskyi A., Parfenyuk O., Ilashchuk M., Hage-Ali M., Siffert P. Indium dopant behaviour in CdTe single crystals // Nucl. Instrum. Methods A. 2001. - Vol. 458. - P. 104-112. 9 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 41216 Підписне 10 Тираж 28 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