Спосіб виготовлення детекторів рентгенівського- і гамма-випромінювання на основі cd(zn)te з p-n переходом і підвищення їх характеристик багатократним опроміненням імпульсами лазера у рідкому середовищі

Реферат: Спосіб виготовлення детекторів рентгенівського- і гамма-випромінювання на основі напівпровідників А2В6 з р-n переходом і підвищення їх характеристик полягає в опроміненні структур In-Cd(Zn)Te з боку плівки металу наносекундними імпульсами лазера з довжиною хвилі ультрафіолетового або видимого діапазону спектра і густиною енергії, вищою за пороги плавлення застосовуваних матеріалів, напилення на протилежну поверхню напівпровідника золотого електрода. Опромінення здійснюють шляхом багатократної дії лазерних імпульсів у рідкому середовищі, прозорому для довжини хвилі лазера. UA 118037 U (12) UA 118037 U UA 118037 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до технології виготовлення та модифікації електричних властивостей діодних структур з електронним переходом у поверхневому шарі напівпровідникового кристала та підвищення функціональних характеристик детекторів рентгенівського і гамма-випромінювання на їх основі. Високоомні напівпровідникові кристали Cd(Zn)Te є основним матеріалом для детекторів іонізуючого випромінювання. При прикладенні електричного зміщення до детектора на основі цього матеріалу, незважаючи на його високий опір, при великих значеннях напруги стає суттєвим струм витоку (темновий струм у кристалі без фотозбудження при прикладенні електричної напруги). Такий фоновий струм є негативним фактором при реєстрації фотоструму, що генерується внаслідок поглинання рентгенівських чи гамма-квантів. Зростання струму витоку призводить до збільшення електричних шумів, зменшення чутливості та енергетичної роздільної здатності детекторів, спотворення їх спектральних характеристик і деградації. Повнішого збирання фотогенерованих носіїв заряду при збільшенні прикладеної напруги, без суттєвого зростання струму витоку при цьому можна досягти використанням детекторів не традиційно омічного типу, а сформованих на основі діодних структур, зокрема перспективним є використання електричного р-n переходу у Cd(Zn)Te. Детектори на основі М-p-n структур є досить ефективними, проте існує проблема легування тонкого поверхневого шару і формування мілкого і різкого р-n переходу. Процес легування високоомного Cd(Zn)Te супроводжується ефектом самокомпенсації - формуванням протилежно заряджених власних дефектів або комплексуванням атомів легуючого елемента, що обмежує концентрацію носіїв заряду. Вирішенням цієї проблеми можуть бути методи на основі нерівноважних і нестаціонарних процесів, зокрема із застосуванням імпульсного лазерного випромінювання. Лазерні методи уже застосовуються при виготовленні детекторів рентгенівського і гаммавипромінювання на основі напівпровідників Cd(Zn)Te. Це стосується використання лазера для таких процедур як відпал, напилення електродів і вплавлення контактного матеріалу, видалення порушеного та формування захисного шару, легування поверхневої області напівпровідника і створення р-n переходу при розробці діодних структур [1-7]. Описана у патенті [1] технологія виготовлення детектора рентгенівського і гаммавипромінювання на основі високоомних кристалів Cd(Zn)Te включає шліфування, полірування, обробку зразка в хімічному травнику, очищення-відпал контактної площадки поодиноким імпульсом технологічного лазера з енергією кванта, більшою ширини забороненої зони напівпровідника (hvEg), і подальше напилення на неї плівки металу за допомогою того ж лазера. Додатково проводять лазерне вплавлення контактного металу в напівпровідник поодиноким імпульсом лазера з hv0,14 Дж/см ) чи повторного опромінення структури In/CdTe з метою введення більшої концентрації домішки у поверхневий шар CdTe і формування більш різкого профілю її розподілу відбувалося значне випаровування плівки In та її часткове руйнування. Спосіб, описаний у прототипі, не передбачав модифікацію параметрів уже виготовлених структур In/CdTe/Au, що було б корисним, особливо для детекторів, які зазнали деякої деградації при роботі в умовах жорсткої радіації. В основу корисної моделі, яка пропонується, поставлено задачу отримання детекторів з кращими і стабільнішими характеристиками, у порівнянні із прототипом, а також можливість модифікувати електричні і спектральні характеристики детекторів із раніше сформованим р-n переходом, включаючи ті, що працювали в умовах радіації, досягаючи при цьому відновлення, підвищення чи вирівнювання їх параметрів, що ефективно для масиву детекторів і матриць на їх основі. Для вирішення поставленої задачі спосіб виготовлення детекторів рентгенівського- і гаммавипромінювання на основі напівпровідників А2В6 з р-n переходом і підвищення їх характеристик, що полягає в опроміненні структур In-Cd(Zn)Te з боку плівки металу наносекундними імпульсами лазера з довжиною хвилі ультрафіолетового або видимого діапазону спектра і густиною енергії, вищою за пороги плавлення застосовуваних матеріалів, напилення на протилежну поверхню напівпровідника золотого електрода, згідно з корисною моделлю опромінення здійснюють шляхом багатократної дії лазерних імпульсів у рідкому середовищі, прозорому для довжини хвилі лазера. Спосіб, що заявляється нами, дозволяє вирішити проблеми притаманні методиці, взятій за прототип, окрім того, отримати детектори з вищими функціональними характеристиками. Основна відмінність запропонованого способу від прототипу полягає у виготовленні детекторів рентгенівського- і гамма-випромінювання на основі Cd(Zn)Te з р-n переходом, сформованим лазерними імпульсами у рідкому середовищі, прозорому для випромінювання лазера. Використання рідкого середовища при лазерно-індукованому легуванні поверхневого шару напівпровідника з нанесеною плівкою легуючого матеріалу дозволяє застосовувати значно вищу густину енергії імпульсів і багатократне опромінення, тим самим забезпечити сильніше, у порівнянні з прототипом, легування поверхневого шару напівпровідника і формування більш різкого р-n переходу при незначному випаровуванні (абляції) електрода (плівки легуючого елемента), уникаючи його руйнування. Перевагою запропонованого способу також є можливість модифікувати електричні і спектральні характеристики готових детекторів із сформованим р-n переходом, включаючи тих, що працювали в умовах радіації, досягаючи при цьому відновлення, підвищення чи вирівнювання їх параметрів, що ефективно для масиву детекторів. Це досягається завдяки лазерній обробці детекторів у рідкому середовищі з боку електроду який також є легуючим матеріалом, з використанням імпульсів із високою густиною енергії або ж багатократне опромінення електрода, що призводить до додаткового легування поверхневого шару CdTe і модифікації р-n переходу. Запропонований спосіб виготовлення і підвищення характеристик детекторів рентгенівського- і гамма-випромінювання основі А2В6 застосовувався до тих же матеріалів, що використовувалися у випадку прототипу [7], причому, підготовка поверхні зразків, напилення легуючого шару металу і формування електродів проводилися аналогічно тому, як описано вище. Відмінністю було те, що при лазерному опроміненні кристала р-CdTe(lll) з попередньо нанесеною у вакуумі плівкою In (400 нм) він був занурений у дистильовану і деіонізовану воду на глибину 5 мм. В експериментах використовувалися різна кількість імпульсів (від одного до кількох тисяч) ексимерного KrF (248 нм, 20 нc) або ж неодимового YAG:Nd (532 нм, 7 нc) лазерів 2 з густиною енергії 0,09-0,3 Дж/см . Мілкий і різкий вбудований р-n перехід у поверхневій області кристала p-CdTe утворюється внаслідок твердофазного легування тонкого шару напівпровідника донорною домішкою In і формування низькоомного шару n-типу, що у свою чергу є результатом дії лазерно-індукованих деформаційних та ударних хвиль, значно інтенсивніших, ніж у випадку лазерного опромінення структури In/CdTe в атмосфері газу. 3 UA 118037 U 5 10 15 20 25 30 Коли ж виготовлені детекторні діодні структури In/CdTe/Au мали недостатньо високі параметри, повторне лазерне опромінення їх у воді з боку індієвого електрода з вищою густиною енергії або ж більшою кількістю імпульсів дозволяло підвищити випрямляючі властивості та енергетичну роздільну здатність структур. Така процедура застосовувалася також для детекторів, характеристики яких деградували при тривалому зберігання чи роботі в умовах радіації при високих напругах зміщення. Використання запропонованої корисної моделі дає змогу отримати ефективніші детектори рентгенівського- і гамма-випромінювання In/CdTe/Au з р-n переходом, сформованим наносекундним лазерними імпульсами у рідкому середовищі, та оптимізувати їх характеристики. Завдяки низькому струмові витоку, напругу зміщення, прикладеного до детектора, можна було підвищити до 1000 В. Отримано детектори з екстремально високою енергетичною роздільною здатністю (< 1 % для ізотопів Со (122 кеВ) і Cs (662 кеВ)), значно кращою, ніж у прототипі. Джерела інформації: 1. Деклараційний патент на винахід № 46513А. 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., 2002. 2. Патент України на корисну модель № 40036. Загоруйко Ю.А., Коваленко И.О., Федоренко О.О., Комар В.К., Христьян В.А., Суліма С.В., Герасименко А.С. Спосіб отримання спектрометричного детектора на основі сполуки CdZnTe. 2008. 3. Патент України на корисну модель № 48252. Загоруйко Ю.А., Христьян В.А., Федоренко О.О. Спосіб отримання спектрометричного детектора на основі сполуки CdZnTe. 2006. 4. Патент України на корисну модель № 51304. Загоруйко Ю.А., Коваленко И.О., Христьян В.А., Комар В.К., Федоренко О.О. Спосіб отримання спектрометричного детектора на основі сполуки CdZnTe. 2006. 5. Патент України на корисну модель № 71652. Христьян В.А., Загоруйко Ю.А., Коваленко Н.О., Герасименко А.С. Спосіб отримання спектрометричного детектора на основі сполуки CdZnTe. 2006. 6. М. Niraula, A. Nakamura, Т. Aoki, Y. Tomita, Y. Hatanaka A new fabrication technique of CdTe strip detectors for gamma-ray imaging and spectroscopy, Physica Status Solidi (b), No 2, 11031107(2002). 7. Патент України на корисну модель № 41216. Власенко О.І., Гнатюк В.А., Левицький С.М., Аокі Т. Спосіб виготовлення детекторів X- і у-випромінювання. 2009. 35 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 Спосіб виготовлення детекторів рентгенівського- і гамма-випромінювання на основі напівпровідників А2В6 з р-n переходом і підвищення їх характеристик, що полягає в опроміненні структур In-Cd(Zn)Te з боку плівки металу наносекундними імпульсами лазера з довжиною хвилі ультрафіолетового або видимого діапазону спектра і густиною енергії, вищою за пороги плавлення застосовуваних матеріалів, напилення на протилежну поверхню напівпровідника золотого електрода, який відрізняється тим, що опромінення здійснюють шляхом багатократної дії лазерних імпульсів у рідкому середовищі, прозорому для довжини хвилі лазера. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4