Нейтроночутливий p-i-n діод з керованою чутливістю

1. Нейтроночутливий P-I-N діод з керованою чутливістю, що виконаний на напівпровідниковій пластині, наприклад пластинці з n- кремнію високого опору, та має протяжну базу, вкриту шаром ізолятора (8), наприклад SiO2, для зменшення впливу поверхневих ефектів, р+ область (3) та n+ область (7) з відповідними контактними площадками, який відрізняється тим, що на обох поверхнях згаданої бази поверх ізолятора розташовані керуючі чутливістю металеві польові електроди (4), (9) з керованими відповідними областями збагачення (5), (10), що створюють потенціальний бар'єр для блокування поверхневих станів та виконують роль шунта бази діода, електричний опір яких залежить від напруги на електродах, а згадані електроди підключаються разом або нарізно, та n+ область (7) під n- електродом (6) перекривається із областю збагачення (5), а дана конфігурація областей (3), (5), (7), (10) та дана конфігурація та розташування областей (3), (5), (7), (10) та їх необхідна взаємодія існують тільки в умовах прямого включення згаданого діода. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що згаданий пристрій виконано з матеріалу, структура U 2 (19) 1 3 автор винаходу Fehrenbacher [1], вибраний заявниками в якості аналогу. В аналогу струмінь нейтронів потрапляє на пласку поверхню детектора. Оскільки нейтрони - електрично-нейтральні частки, вони не можуть бути виявлені безпосередньо за допомогою іонізації, тому в аналогу використовується властивість поглинання нейтронів атомами речовин, що мають прийнятні для даної енергії нейтрона перетини захоплення. В результаті взаємодії з'являються заряджені частки, наприклад, протони і альфа-частки, що реєструються іонізаційним елементом. Аналог містить як мінімум один перетворюючий шар, для розширення спектру реєстрації використовується декілька шарів. Недоліком даного приладу є необхідність застосування додаткового іонізаційного елемента, що знижує точність виміру та знижує чутливість детектора. Також деструкція матеріалу детектора під впливом нейтронного бомбардування вимагає періодичну його заміну, що вимагає підвищених затрат на експлуатацію. Також відомий пристрій, описаний у європейському патенті 93304220.2 "PIN diode suitable for use as a neutron dosimeter" (P-I-Ν діод, придатний для використання в якості нейтронного дозиметра), автор винаходу Totterdell, вибраний заявниками в якості прототипу [2]. Прототип представляє собою лінійний планарний P-Ι-Ν діод з одним релектродом та кількома n-електродами, принцип визначення дози сприйнятих нейтронів полягає на посередньому визначенні кількості дефектів, породжених в кристалічній решітці кремнію нейтронним бомбардуванням, шляхом виміру зсуву прямої гілки вольт-амперної характеристики даного діоду. Як відомо, положення прямої гілки характеристики залежить від ступеня рекомбінації основних носіїв в базі діода на поверхневих та об'ємних центрах генерації-рекомбінації, що скорочує дифузійну довжину носіїв в базі діода. Величина прямого струму залежить від прямої напруги, прикладеної до діода, омічного опору бази, дифузійної довжини, що залежить від кількості дефектів, в тому числі дефектів решітки, та конкретної конструкції приладу. Так, згідно даних, наведених в статті «Планарні сенсори для дозиметрії в змішаних гамма- та нейтронних полях» авторів І.Є. Анохіна та ін., збірник праць Інституту ядерних досліджень НАН України, Київ «Ядерна фізика та енергетика» №1 (19) 2007р., стор.103-108 [3], апроксимація прямої гілки вольт-амперної характеристики діода виражена формулою (1) на стор.103: V = a(kT / e)ln(I / I0 ) + C I де: a - параметр якості діода; k - стала Больцмана; T - температура; e - заряд електрона; I0 - струм насичення; R - опір бази ( I0 о та R є функції дози опромінення). Для зміни чутливості приладу, тобто довжини бази, в прототипі [2] застосовано послідовне (один за одним) розміщення n-електродів, що підключаються за вибором. Істотним недоліком даної конс 42422 4 трукції є неможливість плавного регулювання чутливості для компенсування деградації структури або лінеаризування залежності прямого струму від поглинутої дози, громіздкість підключення, залежність чутливості від наявності поверхневих дефектів (станів). Недокомпенсовані шаром діелектрика поверхневі дефекти, породжені неоднорідністю поверхні та забрудненнями, формують нерівний потенціальний рельєф поверхні, змінний у часі, що призводить до появи пасток довільної глибини, вплив яких позначається на формі та обсязі об'ємного заряду в базі і відповідному зсуві прямої гілки вольт-амперної характеристики діода. Відома тестова структура, розроблена для іншої цілі, але маюча корисну особливість, що полягає на компенсуванні дії поверхневих дефектів, описана в книзі «Основы физики микроэлектронных систем металл-диэлектрик-полупроводник». Литовченко В.Г., Горбань А.П. К., «Наук. Думка», 1978, стор.141-143 [4], вибрана заявниками в якості часткового прототипу. Структура представляє собою керований МДН діод, база якого та n-область, знаходяться під шаром діелектрику (двоокису кремнію). На шар діелектрику нанесено керуючий польовий електрод деякої площі, один край якого знаходиться над краєм n+області під n-електродом. Як відомо, зворотний струм р-n переходу розглядається в основному як сума теплового струму, струму термогенерації на центрах генераціїрекомбінації та струму, викликаного поверхневими станами. В залежності від полярності та величини різниці потенціалів між керуючим електродом та кристалом при зворотному підключенні діода може мати місце або збагачення неосновними носіями поверхневого шару, або його збіднення аж до інверсії. Згідно розрахунковим та експериментальним даним, наведеним у вказаному джерелі, в останньому випадку вплив поверхневих пасток виключається. При прямому включенні діода при даній полярності керуючої напруги, може мати місце збагачення поверхневого шару носіями одного знаку при одночасному збідненні поверхневого шару носіями іншого знаку. Зворотний струм через такий діод при вищій за граничну напрузі на польовому електроді визначається тільки об'ємною генерацією та падає до рівня, визначеного формулою 5.39, наведеною в [4], стор.142: IgV = S П.Е. + S pn en i W / t g ( ) де: IgV - струм об'ємної генерації; SП.Е. - площа польового електроду; S pn - площа р-n переходу; e - заряд електрона; ni - щільність розміщення центрів генераціїрекомбінації; W - глибина збідненого шару в поверхневій області напівпровідника; t g - об'ємний генераційний час життя. 5 Згідно формули 5.10 [4], глибина області збіднення W визначається, як: ù 2С д é ee é W = 0 ê 1+ C д (V + Uк ) + Q* ù - 1ú tú ë û Cд ê ee 0 еN a ê ú ë û де: C д - питома ємність діелектрика, V - напруга, прикладена до польового електрода, UK - контактна різниця потенціалів, Q * - ефективний поверхневий заряд. t Таким чином, змінюючи напругу на керуючому електроді, можна змінювати глибину області збіднення при зворотному включенні діода, тим самим виключаючи дію поверхневих станів на зворотний струм. При цьому міняється кількість центрів об'ємної генерації (дефектів решітки), що потрапляють до області збіднення. Оскільки щільність розміщення центрів генерації-рекомбінації при експонуванні в потоці нейтронів є функцією дози опромінення, заявники вважають, що струм об'ємної генерації також може бути використаний для визначення дози опромінення. Задача - створення пристрою для виміру експозиції в нейтронних потоках, вільного від вказаних обмежень першого прототипу. Технічне рішення поставленої задачі досягається тим, що: 1. Нейтроночутливий P-I-N діод з керованою чутливістю, зміщений у прямому напрямі, виконаний згідно Фіг.1 на напівпровідниковій пластині (1), наприклад, пластинці з кремнію високого опору, наприклад, n-типу, що має протяжну базу, вкриту шаром ізолятора (8), наприклад, SiO2 для зменшення поверхневих ефектів, на обох поверхнях якої поверх ізолятора розташовані металеві польові електроди (4), (9) з керованими відповідними областями збагачення (5), (10) відносно матеріалу бази діода і підключаються разом або нарізно, та металеві електроди - наприклад, для даного типу провідності, р-електрод (2) і nелектрод (6), під якими відповідно сформовано р+ область (3) та n+ область (7), причому n+ область перекривається з областю керованого збагачення (5) і згадані електроди знаходяться у вікнах польового електроду (4). Регулювання чутливості пристрою провадиться шляхом зміни опору або однієї області (5), або сумісно областей (5), (10) при зміні керуючого потенціалу, при чому частина струму бази відгалужується в тонкий прошарок збагачення, що має знижену чутливість завдяки великій електропровідності та малій кількості центрів генераціїрекомбінації, що потрапили в об'єм згаданого прошарку. 2. Пристрій за п.1 з тим. що згідно Фіг.2 згаданий пристрій виконано з матеріалу, структура якого попередньо деградована, наприклад, в нейтронному потоці, для отримання заданої густини дефектів для забезпечення потрібної вихідної чутливості та оперативна зміна чутливості не передбачена, а єдиний розрізний польовий електрод (4) під сталим збіднюючим потенціалом відносно матеріалу бази, призначений для блокування повер 42422 6 хневих ефектів і сформована під ним переривчаста область (5) не перекривається з n+ областю (7). Оскільки згаданий потенціал є збагачуючим відносно інжектованих носіїв, область (5) складається з ряду ізольованих смужок, розташованих перпендикулярно напряму струму, для уникнення умов перетікання струму інжектованих носіїв через область в районі збагачення біля р-n переходу. 3. Пристрій за п.1 з тим, що він зміщений у зворотному напрямі та згідно Фіг.3 під електродом (4) сформовано область збіднення відносно матеріалу бази, та ця область перекривається з областю збіднення р-n переходу діода, для отримання інформації про рівень експозиції використовується зворотний струм, зумовлений об'ємною генерацією в базі, а регулювання чутливості та блокування поверхневих станів відбувається шляхом зміни потенціалу на польових електродах (4), (9). 4. Пристрій за п.1, 2 з тим, що згідно Фіг.4 згаданий пристрій, зміщений у прямому напрямі, виконано з розміщенням р- та n- електродів з різних сторін бази для можливого віддалення потоку інжектованих носіїв від поверхні кристалу, а збільшення об'єму, зайнятого центрами генераціїрекомбінації для забезпечення максимально можливої чутливості приладу забезпечено шляхом горизонтального зміщення електродів (2) та (6). Перелік графічних матеріалів 1. Фіг.1 представляє будову пристрою за п. 1 зі схематичним зображенням напівпровідникової пластинки, р- та n- електродів з р+ та n+ областями відповідно, польових електродів, областей збагачення під ними, та шару ізолятора. 2. Фіг.2 представляє будову пристрою за п. 2 зі схематичним зображенням напівпровідникової пластинки, р- та n- електродів з р+ та n+ областями відповідно, польового електрода, області збіднення під ним, та шару ізолятора. 3. Фіг.3 представляє будову пристрою за п. 3 зі схематичним зображенням напівпровідникової пластинки, електродів, та області керованого збіднення, що перекривається з областю збіднення р-n переходу діода. 4. Фіг.4 представляє будову пристрою за п. 3 зі схематичним зображенням напівпровідникової пластинки, розташованих на різних сторонах базової пластинки зі зміщенням р- та n- електродів з р+ та n+ областями відповідно, польових електродів, областей збіднення під ними, та шару ізолятора. Робота заявленого пристрою 1. Падаючий потік нейтронів збільшує кількість дефектів в матеріалі бази (1) нейтроночутливого P-I-N діода включеного в прямому напрямі, що приводить до відповідного збільшення кількості захоплених та утримуваних носіїв заряду в базі діода та відповідному збільшенню об'ємного заряду зі знаком переважної кількості носіїв в областях бази діода. Це еквівалентно появі в об'ємі бази джерела напруги, що направлена назустріч напрузі, прикладеній до р- та n- електродів діода. Чим більше нейтронів що мають енергію, достатню для зміщення атомів решітки (для кремнію Е>250еВ), потрапило в базу діода, тим більше породжених дефектів, захоплених носіїв, більший заряд вказаних областей, що приводить до зсуву прямої гілки 7 вольт-амперної характеристики діода вправо, тобто зменшенню струму через діод, що позначається на положенні початку прямої гілки вольт-амперної характеристики діода. Вимірювання прямого струму діода при напрузі, що відповідає початку відкривання діода, і є джерелом інформації про ступінь експозиції в нейтронному потоці. Вплив додаткової генерації та рекомбінації носіїв на поверхневих станах, що маскує ефект об'ємної рекомбінації і таким чином знижує чутливість приладу, зменшується завдяки застосуванню ізолюючого покриття, наприклад, SiO2, що використовує значну частину обірваних зв'язків на поверхні кристалу. Виключення впливу нескомпенсованих поверхневих станів забезпечено завдяки поданню порогового значення збагачуючої напруги на польові електроди. Регулювання чутливості пристрою провадиться шляхом зміни опору або однієї області (5), або сумісно областей (5), (10) при зміні збагачуючого відносно матеріалу бази керуючого потенціалу, при чому частина струму бази відгалужується в тонкий прошарок збагачення, що має знижену чутливість завдяки великій електропровідності (концентрації основних носіїв) та малій кількості центрів генерації-рекомбінації, що потрапили в об'єм згаданого прошарку. 2. Падаючий потік нейтронів збільшує кількість дефектів в матеріалі бази (1) пристрою, виконаного з матеріалу, структура якого попередньо деградована, наприклад, в нейтронному потоці для отримання заданої густини дефектів для забезпечення потрібної вихідної чутливості та оперативна зміна чутливості не передбачена, а єдиний розрізний польовий електрод (4) під сталим збіднюючим потенціалом відносно n- електроду (6), призначе 42422 8 ний для блокування поверхневих ефектів і сформована під ним переривчаста область (5) не перекривається з n+ областю (7). Переривчастість області (5), що складається з ряду ізольованих смужок, розташованих перпендикулярно напряму струму, викликана необхідністю уникнення умов перетікання струму через область в районі збагачення біля р-n переходу. 3. Падаючий потік нейтронів збільшує кількість дефектів в матеріалі бази (1) пристрою за п.1 з тим, що він зміщений у зворотному напрямі та згідно Фіг.3 під електродом (4) сформовано область збіднення відносно матеріалу бази, та ця область перекривається з областю збіднення р-n переходу діода, для отримання інформації про рівень експозиції використовується зворотний струм, зумовлений об'ємною генерацією, а регулювання чутливості та блокування поверхневих станів відбувається шляхом зміни збіднюючого потенціалу, що має нижню межу з 3-4 вольт для формування інверсійних шарів на поверхні та збіднених областей під польовими електродами (4), (9). 4. Падаючий потік нейтронів збільшує кількість дефектів в матеріалі бази (1) пристрою зміщеного у прямому напрямі, де р- та n- електроди розташовані з різних сторін пластини зі зміщенням для забезпечення проходу носіїв через об'єм пластини з ціллю подальшого зменшення впливу поверхневих центрів генерації та рекомбінації. Для подальшого зменшення впливу поверхневих станів, вільні поверхні пластинки вкрито шаром окислу, на якому розташовані розрізні електроди (4), (9), під якими формуються переривчасті області збіднення аналогічно пристрою п.2. 9 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 42422 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